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Modellentwicklung zur numerischen Simulation eines Flugstromvergasers für Biomasse

Hafner, Simon

English Title: Model Development for the Numerical Simulation of an Entrained Flow Gasifier for Biomass

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Abstract

Mit schwindenden Erdöl, Erdgas- und Kohleressourcen wird Biomasse als einzige erneuerbare Kohlenstoffquelle zukünftig wieder eine größere Rolle bei der Energieversorgung bzw. der Herstellung von organischen Chemikalien und Kraftstoffen spielen. Für die Optimierung bestehender Technologien und die Entwicklung neuer Technologien zur effizienten energetischen und stofflichen Nutzung von Biomasse werden immer häufiger Computersimulationen eingesetzt. Diese reduzieren die Zahl der zeit- und kostenintensiven Experimente für die Verfahrensoptimierung. Durch die zeitliche und/oder örtliche Auflösung aller chemischen und physikalischen Prozesse des Gesamtsystems wird zudem die Charakterisierung von Prozessgrößen ermöglicht, die mit experimentellen Methoden nicht oder nur unter erheblichem Aufwand zu bestimmen sind. Die vorliegende Arbeit mit dem Ziel der numerischen Simulation eines Flugstromvergasers für biomassestämmige Öl-Koks-Gemische ist Teil eines Verbundvorhabens des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit der Fördernummer 03SF0320D. In diesem soll der Vergasungsprozess des am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelten bioliq-Verfahrens untersucht werden. Für die mathematische Abbildung des Vergasungsprozesses wird dieser als reaktive Strömung mit komplexen mehrdimensionalen und zeitabhängigen Wechselwirkungen zwischen einer großen Zahl von chemischen Reaktionen, diversen Transportvorgängen und Phasengrenzeffekten behandelt. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt auf der Entwicklung detaillierter Modelle zur Beschreibung der Gasphasenkinetik, des Kokspartikelabbrandes und der Ablagerungsbildung im Vergasersystem. Der entwicklete Reaktionsmechanismus zur Beschreibung der Gasphasenreaktionen basiert auf Elementarreaktionen und umfasst 80 Spezies und 1243 Reaktionen. Simulationsergebnisse mit diesem Mechanismus werden mit experimentell bestimmten Flammengeschwindigkeiten, Zündverzugszeiten und Konzentrationsprofilen verglichen. Durch diese umfassende Validierung kann der Mechanismus für die Verbrennungs-/Vergasungssimulation unterschiedlicher, im Mechanismus enthaltener Brennstoffe wie Ethylenglykol, Ethanol, Ethan, Acetaldehyd oder Methan verwendet werden. Das Abbrandmodell der Kokspartikel berücksichtigt neben den chemischen Reaktionsgeschwindigkeiten für die heterogenen Reaktionen mit O2, H2O und CO2 den Einfluss von Diffusionsprozessen, die Überlagerung der heterogenen Reaktionen untereinander und die Kopplung mit Gasphasenreaktionen. Für das Modell wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein MATLAB- und ein C-Programm-Code zur Einzelkornbetrachtung von Kokspartikeln entwickelt, mit denen Sensitivitätsanalysen und Parameterstudien durchgeführt werden. Das Ablagerungsmodell beschreibt im Wesentlichen den Transport und die Anlagerung von Aschebestandteilen an Reaktorwände und ermöglicht die Berücksichtigung geänderter Wandparameter durch eine sich bildende Ablagerungsschicht. Die entwickelten Modelle für den Partikelabbrand und die Anlagerung von Aschebestandteilen werden zudem in einem Programmpaket zusammengefasst, das an die kommerzielle Strömungssimulationssoftware ANSYS FLUENT 12.0 gekoppelt werden kann. Dies ermöglicht die Durchführung von Parameterstudien und Sensitivitätsanalysen in turbulenten Strömungen. Mit den in dieser Arbeit entwickelten Programmpaketen werden somit die bereits etablierten Anwendungsmöglichkeiten der numerischen Strömungssimulation für die Verfahrensoptimerung von komplexen Vergasungsprozessen entscheidend verbessert.

Translation of abstract (English)

With decreasing resources of oil, gas and coal, biomass as the only renewable carbon source will play an increasing role in energy and fuel supply in future. Required developments and optimizations of new and existing techniques for the efficient energetic utilization of biomass, more often are conducted using computational simulations. Thus time and cost-intensive experiments for process optimizations are reduced. The resolution in time and/or space of all chemical and physical processes of an entire energy system enables the characterization of process parameters, which either can not - or only with high efforts - be measured in experiments. The presented work titled 'Model Development for the Numerical Simulation of an Entrained Flow Gasifier for Biomass' is associated with a joint research project of the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) with grant number 03SF0320D. In this project, the gasification process of the so-called bioliq-process, developed at the Karlsruhe Institute for Technology (KIT), is studied numerically. In this approach, the gasification process is treated as reactive flow with complex multidimensional and time-dependent interactions of a large number of chemical reactions and transport processes. The presented work develops a computational model to describe homogeneous and heterogeneous gas-phase reactions, char burnout, and ash deposition in a gasifier. The reaction mechanism for the gas phase is based on elementary reactions and consists of 80 species and 1243 reactions. Comparisons of simulation results, determined with the developed reaction mechanism, and experimental values of laminar flame velocities, ignition delay times, and concentration profiles showed very good agreements. Owing to this comprehensive validation, the reaction mechanism can be utilized to simulate combustion or gasification processes of fuels included in the reaction mechanism like ethylene glycol, ethanol, ethane, acetaldehyde or methane. In addition to the reaction rates of heterogeneous char reactions with O2, H2O and CO2, diffusional influences, interactions of the different heterogeneous reactions, and the coupling with gas-phase reactions are considered in the char burnout model. In this work MATLAB- and C-program-codes of the char burnout model are developed and utilized for the performance of sensitivity analysis and parametric studies. The ash deposition model primarily describes ash transport and deposition at gasifier walls. It also enables us to account for changing wall parameters due to the growth of a deposition layer. Additionally, the developed model for char burnout and ash deposition are implemented in a program-code which can be linked to the commercial computational fluid dynamics (CFD) code ANSYS FLUENT 12.0. This allows to perform sensitivity analysis and parametric studies in turbulent flows as well. Thanks to the developed program-codes, results of existing numerical models for process development are essentially improved in respect of enabling the calculation of detailed and complex realistic systems.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Riedel, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 18. November 2010
Date Deposited: 23. Nov 2010 15:23
Date: 2010
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Biomasse, Bioenergie, Bioenergieerzeugung, Holzvergasung, Vergasung, Numerische Strömungssimulation, Ethylenglykol, Reaktionsmechanismus
Uncontrolled Keywords: CFD , Ethylene Glycol , Mechansim Validation , Char Burnout , Ash Deposition
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