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VERFAHRENSTECHNIK fallbereich ein homogenes NOx/NH3-Verhältnis vor dem Katalysator und damit einen effizienten Katalysatorbetrieb. Dies geschieht oft sogar mit niedrigerem Druckverlust als bei Anlagen ohne Mischer, da auf eine komplexe Zudosiergeometrie verzichtet wird. Die wichtigsten Ergebnisse aus der Simulation einer solchen Anlage sind der Druckverlust und die erreichte Misch güte. Flüssige Zudosierung (Spray) von wässriger Harnstofflösung Da gasförmiges Ammoniak giftig ist, geht man in dichtbesiedelten Gegenden immer mehr dazu über, anstatt gas - förmiges Ammoniak eine wässrige Ammoniaklösung zuzugeben. Die wäss - rige Lösung wird dabei in Düsen zerstäubt. Die eingedüsten Tropfen verdampfen im heißen Rauchgasstrom, und gasförmiges Ammoniak entsteht. Die Modellierung dieses Prozesses ist viel aufwendiger. Zusätzlich zur Modellierung der reinen Gas strömung muss hier noch die Flugbahn der Flüssigkeitstropfen berücksichtigt werden. Während des Fluges erwärmen sich die Tropfen und verdunsten. Dazu benötigt man geeignete Modelle zur Beschreibung des Wärmeübergangs vom Gas zum Tropfen und zum Stoffübergang vom Tropfen in das Gas. Wichtige Einflussgrößen für die Modellierung des Sprays sind die Tropfen größenverteilung, die Tropfengeschwindigkeit und der Sprühwinkel der Düse. Eine gute Kenntnis der Tropfengrößenverteilung ist wichtig, da kleine Tropfen 4 Partikelflugbahn – links: kleine Partikel folgen der Hauptströmung, rechts: große Partikel kumulieren sich am Boden eines Kanals. 12 | Sulzer Technical Review 3/2010 aufgrund ihres geringeren Impulses der Hauptströmung eher folgen als größere Tropfen und auch schneller verdunsten. Treffen Tropfen auf eine Wand, bildet sich dort ein flüssiger Film. Dies kann zu Problemen führen, da sich dadurch Ablagerungen an der Wand bilden können. Deshalb ist man bestrebt, die Düsen so anzubringen, daß alle Tropfen vor Erreichen einer Wand verdunstet sind. Zusätzlich zum Druckverlust und zur Mischgüte sind bei dieser Simula - tion auch die Tropfenflugbahnen von Interesse. Abrasion durch Staubpartikel Unabhängig von der Art der Zudosierung kann zusätzlich auch noch die Auswirkung von Asche- und Staubpartikel aus der Verbrennung auf die Anlage simuliert werden. Hier ist vor allem von Interesse, wo sich diese Partikel ablagern und in wiefern sie Schäden durch Abrasion an der Anlage hervorrufen können. In diesem Fall wird demnach auch noch die 3.Phase, der Feststoff anteil, mitsimuliert. Eine Anlagerung von Partikeln geschieht in Regionen, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases gering ist im Verhältnis zur schwerkraftgetriebenen Absinkgeschwindigkeit der Partikel. Wenn nach dem Absinken die Reibungsund Adhäsionskräfte an der Wand zusätzlich noch höher sind als die Impulskraft der Strömung, bleiben die Partikel dort auch liegen und häufen sich an. Die Abrasion hängt ab von der lokalen Erosionsrate der Partikel an der Wand. Die Geschwindigkeit [m/s] Min. Max. D < 20 µm D > 100 µm Erosionsrate ist eine Funktion der Partikel masse, der Geschwindigkeit des Partikels, des Aufprallwinkels und der Häufigkeit, wie oft ein Partikel eine bestimmte Stelle an der Wand trifft. Daher ist es wichtig, die genaue Partikelgrößenverteilung des Staubes zu kennen und die Flugbahn der Partikel genau zu simulieren. Bei Umlenkungen im Kanal z.B. erhöht sich infolge der Zentrifugalkraft die Konzentration von größeren Partikeln im äußeren Teil. Die kleineren Partikel, die der Strömung folgen, bleiben eher in der Mitte der Strömung. Hier sind daher geringere Schäden zu erwarten. Hat man die erosionsgefährdeten Stellen mithilfe einer CFD-Simulation identifiziert, besteht die Möglichkeit, dort speziell entwickelte thermische Spritz - beschichtungen aufzutragen, die die Erosions rate massiv reduzieren 4. Kundennutzen durch Simulationen Mittels Strömungssimulation und dank der intensiven Validierung der eingesetzten Tools ist Sulzer Innotec in der Lage, auch komplexe Prozesse in der Rauchgasreinigung zu simulieren und den Kunden eine hochwertige Beratung zur Auslegung oder Verbesserung ihrer Anlagen zur Verfügung zu stellen. Joachim Schoeck Sulzer Markets and Technology AG Sulzer Innotec Sulzer-Allee 25 8404 Winterthur Schweiz Telefon +41 52 262 82 30 joachim.schoeck@sulzer.com
SULZER-ANALOGIE Vom Biokunststoff bis zum kalten Licht Die Natur kennt eine große Vielfalt biochemischer Verfahren, die der Mensch schon früh zu nutzen wusste. So gäbe es ohne die mikro biologische Gärung weder Bier noch Brot. Spezialisierte Mikroben produzieren heute auch neuartige Kunststoffe oder arbeiten als Bergleute. Und Biochemie bringt sogar Licht in die Tierwelt. Schon vor 8000 Jahren machten die Babylonier mithilfe von Saccharomyces, cerevisiae Bier. Dank der Fähigkeit Zucker in Kohlendioxid und Alkohol umzuwandeln, wurde die Bierhefe zum unentbehrlichen Helfer der Bierbrauer, Winzer und Bäcker, die sie zum Säuern des Brotteigs verwenden. Auch transformieren Schimmelpilze wie Penicillium camemberti oder Penicillium roqueforti Milch zu Käsespezialitäten. Für solche biochemische Umwandlungen setzen die Mikroben als Katalysatoren Eiweißmoleküle, Enzyme, ein. Biokunststoff und metallfressende Bakterien Während sich der Mensch früher mit den zufällig entdeckten biochemischen Naturprodukten begnügte, begann er in jüngerer Zeit gezielt nach neuen Verfahren zu suchen. In den 1970er Jahren fanden englische Wissenschafter heraus, wie man Alcaligenes eutrophus zum Produzenten neuartiger Kunststoffe machen kann. Das Bakterium speichert von Natur aus seinen Energievorrat im Zellinnern als Hydroxybuttersäure. Durch Futter - zusätze ließ sich die Mikrobe dazu bewegen, Polyhydroxybuttersäure (ein Polyester) zu produzieren, das so robust und wasserfest wie konventionelle Kunststoffe ist, sich auf Komposthaufen aber innert Wochen zu Kohlendioxid und Wasser abbaut. Damit werden jetzt umweltfreundliche Verpackungen und Wegwerfartikel produziert. Für das Bohren und Schürfen im Bergbau hat der menschliche Erfindergeist immer größere Maschinen ent - wickelt. Dass sich die Bodenschätze auch mit mikroskopisch kleinen Helfern Bild: Knorre, 2010 Benutzung unter Lizenz von shutterstock.com 3D-Illustration von Saccharomyces cerevisiae (Backhefe). Die Zellen sind rund bis oval und haben einen Durchmesser von 5–10 µm. gewinnen lassen, entdeckte man in den 1950er Jahren. In sauren Kohlegrubenwässern lebt das Bakterium Thiobacillus ferrooxidans, das Schwefel, Eisen und Kupfer oxidieren kann. Damit lassen sich Sulfide der Erzlagerstätten in lösliche Metallsulfate wandeln, worauf sich das Metall relativ einfach aus der Lauge extrahieren lässt. Mit der biochemischen Methode werden heute minderwertige Erzvorkommen ausgebeutet. Biologisches Leuchten Biochemische Prozesse beschränken sich nicht auf die Mikrowelt. In der Tiefsee treiben wie funkelnde Christbäume die riesigen Staatsquallen durch das Dunkel. Die unzähligen Leuchtpunkte locken Beute tiere auf die klebrig-giftigen Fangfäden. Diese Biolumineszenz wird in speziellen Drüsen erzeugt, wo das Leuchtmolekül Luciferin mit Sauerstoff und dem Enzym Luciferase reagiert. Solches «kaltes Licht» setzt über 80% der gespeicherten Energie in Licht um, während die Lichtausbeute bei unsern Glühbirnen nur mickrige 5% beträgt. In Meerestiefen unterhalb 700 Metern besitzen 90% aller Lebewesen ihr eigenes Licht. Das biologische Leuchten dient nicht nur der Jagd, sondern lockt auch zum Liebesspiel oder tarnt vor Feinden. So stoßen gewisse Tinten fische bei Gefahr eine Leucht wolke aus und machen sich hinter dem Lichtvorhang davon. Biologisches Leuchten nutzen ebenfalls Landbewohner. Die Glühwürmchen – es sind allerdings keine Würmer, sondern Käfer – bevölkern mit 2000 Arten fast die ganze Welt. Die Leuchtkäfer produzieren ihr Licht wiederum mit Luciferin und dem Enzym Luciferase als Katalysator, wobei Varianten der Luciferase für artspezifische Lichtfarben und Licht - stärken sorgen. Das am Hinterleib des Käfers sitzende Leuchtorgan ist eine erotische Leuchtreklame. Während das Weibchen in der Sommernacht am Boden wartet, schwebt das Männchen im Suchflug über der Wiese. Damit sich die richtigen Partner finden, blinken die einzelnen Arten in ihrem spezifischen Code, der als leuchtende Morsezeichen das Dunkel durchdringt. Herbert Cerutti 4319 Sulzer Technical Review 3/2010 | 13
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