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CFD Simulation of Biomass Gasification using Detailed Chemistry

Rashidi, Arash

German Title: CFD-Simulation der Biomassevergasung anhand detaillierter Chemie

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Abstract

The use of biomass as a CO2-neutral renewable fuel and the only carbon containing renewable energy source is becoming more important due to the decreasing resources of fossil fuels and their effect on global warming. The projections made for the Renewable Energy Road Map [1] suggested that in the EU, the use of biomass can be expected to double, to contribute around half of the total effort for reaching the 20 % renewable energy target in 2020 [2]. To achieve this goal, efficient processes to convert biomass are required. At the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Germany, a two-stage process called bioliq [3], for the conversion of biomass into synthetic fuel, is being developed. In this process, straw or other abundant lignocellulosic agricultural by-products are converted to syngas through fast pyrolysis and subsequent entrained flow gasification. After gas cleaning and conditioning, the syngas is converted into different chemicals via known processes such as direct methanol synthesis or Fischer-Tropsch synthesis. The prime goal of this thesis was the modeling and simulation of the gasification of biomass-based pyrolysis oil-char slurries in an entrained flow gasifier, which is an important step of the bioliq process. Computational Fluid Dynamics (CFD), as a powerful tool for modeling and simulation of fluid flow processes, was utilized in this thesis. A lab scale entrained flow gasifier, located at KIT, was simulated using the CFD code ANSYS FLUENT 12.0. Due to the turbulent nature of the flow, the realizable k-epsilon model was used to model the turbulence. The discrete phase model (DPM) was employed to describe the fluid phase, consisting of char particles suspended in ethylene glycol. Ethylene glycol served as non-toxic model fuel for pyrolysis oil, mainly because of its similar C/H/O-ratio and its similar physical properties to biomass derived liquid pyrolysis products. A detailed reaction mechanism for high temperature oxidation of ethylene glycol was implemented in the CFD code. The mechanism comprised of 43 chemical species and 629 elementary reactions. The use of detailed chemistry enables one to have a deeper insight into the gasification process. Turbulence-chemistry interactions were modeled with the eddy dissipation concept (EDC). The in-situ adaptive tabulation (ISAT) procedure was employed to dynamically tabulate the chemistry mappings and reduce computer time for the simulation. The effect of the thermal radiation was taken into account by using the discrete ordinates model (DOM). The radiative properties of the gas were described with the weighted sum of gray gases model (WSGGM). The simulation results were compared with the experimental measurements wherever possible, with good agreement. The simulations depicted the importance of the recirculation zone in entrained flow gasification. Furthermore, the main reaction path of ethylene glycol gasification could be observed and analyzed. In order to study the effect of boundary conditions on the gasification process, a series of simulations were done to perform sensitivity analysis. Four parameters were varied, namely: oxidizer and fuel inlet temperatures, the oxidizer composition, the air-fuel ratio and the operating pressure of the gasifier. Effects of the parameter variations on the gasification efficiency and the composition of the product gas were studied. Three different chemistry models (i.e. equilibrium chemistry, flamelet model and EDC) were studied in this thesis. Their relative advantages and disadvantages for the simulation of gasification processes were examined. The EDC model proved to be the better choice for entrained flow gasifiers with recirculation zones. The slurry gasification simulations were performed to study the effects of the mass fractions of the char particles on the process. With the aid of the detailed chemistry model, sub-processes could be analyzed and suggestions for the improvement could be made. The simulations performed in this work help to better understand the gasification process inside entrained flow gasifiers and considerably reduce the number of experiments needed to characterize the system. The simulations produced spatial and temporal profiles of different system variables that are sometimes impossible to measure or are accessible only by expensive experiments. However, more experimental measurements help to validate and optimize the CFD model. The sensitivity analyses performed in this study are considered as a basis to find optimized operating conditions and assist the successful scale-up of entrained flow gasifiers.

Translation of abstract (German)

Die Nutzung von Biomasse als CO2-neutraler Energieträger und einzige kohlenstoffhaltige erneubare Energiequelle, gewinnt wegen schwindenden fossilen Energieträgern und deren Einfluss auf den Klimawandel zunehmend an Bedeutung. Der Fahrplan für erneubare Energien [1] enthält das Ziel, bis zum Jahr 2020 den Anteil erneuerbarer Energien am Gesamtenergieverbrauch in der EU auf 20 % zu steigern. Der Anteil von Biomasse am Energiemix soll sich im Rahmen dieses Plans verdoppeln [2]. Hierfür sind effiziente Prozessen zur Umwandlung von Biomasse erforderlich. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurde das zweistufige bioliq- Verfahren konzipiert [3], in dem aus trockener Restbiomasse durch dezenterale Schnellpyrolyse und zenterale Flugstrom-Druckvergasung Synthesegas erzeugt wird. Aus dem gereinigten und konditionierten Synthesegas können z.B. durch Fischer-Tropsch oder Methanol-Synthese neben Synthesekraftstoffen auch eine Vielzahl von chemischen Grundstoffen erzeugt werden. Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Modellierung und numerische Simulation des Vergasungsprozesses von biomassestämmigen Öl-Koks-Slurrys in einem Flugstromvergaser nach dem bioliq-Verfahren. Numerische Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics - CFD) wurde im Rahmen dieser Arbeit als eine effiziente Methode zur Modellierung reaktiver Strömungen verwendet. Die Simulation eines Versuchsreaktors des KIT wird in der vorliegender Arbeit mit der CFD-Simulationssoftware ANSYS FLUENT 12.0 durchgeführt. Für die Beschreibung des turbulenten Strömungsfeldes wird das ”realizable” k-epsilon-Modell verwendet. Zur Modellierung der diskreten Phase (flüssiges Ethylenglykol und Kokspartikel) wurde das Discrete-Phase-Modell (DPM) verwendet. Ethylenglykol diente aufgrund vergleichbarer physikalischer Eigenschaften sowie ähnlichem C/H/O-Verhältnis als Modellsubstanz für Pyrolyseöl. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein detaillierter Reaktionsmechanismus zur Beschreibung der Oxidationsreaktionen von Ethylenglykol verwendet, der aus 43 Spezies und 629 Elementarreaktionen besteht. Die Verwendung eines detaillierten Reaktionsmechanismus ermöglicht die Einsicht in chemische Vorgänge der Vergasung. Für die Kopplung von detaillierter Reaktionskinetik und Turbulenzeffekten wird das Eddy Dissipation Concept (EDC) Modell verwendet. Die Verwendung des In-Situ Adaptive Tabulation (ISAT) Ansatzes zur Tabellierung des Reaktionsforschritts reduziert die Rechenzeit deutlich. Das Modell der Diskreten Ordinaten (DOM) wurde als thermisches Strahlungsmodell verwendet. Die Strahlungseigenschaften des Gases werden mittels dem Weighted Sum of Gray Gases Modell (WSGGM) berechnet. Vergleiche von simulierten und experimentellen Werten (sofern möglich) zeigten akzeptable Übereinstimmungen. Die Simulationen haben zusätzlich die Wichtigkeit von Rezirkulationszonen in der Flugstromvergasung dargestellt. Darüber hinaus wurden die haupt Reaktionspfade der Ethylenglykolvergasung veranschaulicht. Um die Auswirkungen der Randbedingungen auf die Zusammensetzung des Synthesegases und den Vergasungswirkungsgrad zu untersuchen, wurden Parameterstudien mit verschiedenen Randbedingungen durchgeführt. Vier Parameter nämlich die Luft- und Brennstoffeintrittstemperaturen, der Sauerstoffgehalt des Zerstäubungsmediums, die Luftzahl und der Vergaserdruck wurden variiert. Außerdem wurden drei unterschiedliche Chemie-Modelle (Gleichgewichts-Modell, Flamelet-Modell und EDC-Modell) untersucht und deren Vor- und Nachteile miteinander verglichen. Das EDC Modell erwies sich für die Modellierung von Vergasungsvorgängen in Flugstromvergasern mit Rezirkulationszonen als gut geignet. Die CFD-Simulationen der Slurryvergasung wurde durchgeführt, um den Einfluss von Massenanteilen der Kokspartikel in dem Slurrygemisch zu untersuchen. Mit Hilfe der verwendeten detaillierten Chemie konnten einige Teilprozesse analysiert werden und Verbesserungsvorschl¨age gemacht werden. Durch die Computersimulationen lässt sich die Zahl von zeit- und kostenintensiven Experimenten reduzieren. Zudem erh¨alt man eine zeitliche und/oder örtliche Auflösung der Teilprozesse des Gesamtsystems und kann Prozessgrößen charakterisieren, die mit experimentellen Methoden nicht, oder nur unter erheblichen Aufwand, zu bestimmen sind. Um jedoch die Verlässlichkeit der CFD-Simulationen zu gewährleisten, müssen jedoch auch mehr Validierungsexperimente durchgeführt werden. Die in dieser Arbeit durchgeführten Sensitivitätsanalysen können als eine Basis für die Festlegung von optimierten Betriebsbedingungen verstanden werden und können bei der Skalierung des Flugstromvergasers unterstützend eingesetzt werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Riedel, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 4. February 2011
Date Deposited: 02. Mar 2011 14:13
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Controlled Keywords: Vergasung, Biomasse, Numerische Strömungssimulation, Reaktionsmechanismus
Uncontrolled Keywords: CFD , biomass , gasification , reaction mechanism , ethylene glycol
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