Αριθμητική προσομοίωση αεριοποίησης βιομάζας σε ρευστοποιημένη κλίνη

Abstract

Ένα τριδιάστατο αριθμητικό μοντέλο αναπτύχθηκε για να περιγραφεί η διαδικασία αεριοποίησης βιομάζας μέσα σε μια ρευστοποιημένη κλίνη ατμού. Χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό πακέτο Fluent 13.0, λαμβάνοντας υπόψη τα φαινόμενα ξήρανσης, απελευθέρωσης πτητικών, καύσης και αεριοποίησης. Χρησιμοποιήθηκαν τρείς (3) φάσεις για την προσομοίωση του αντιδραστήρα (άμμος, στερεά φάση για το καύσιμο και αέρια φάση). Η άμμος και η στερεά φάση περιγράφηκαν με την κινητική θεωρία των κοκκωδών ροών (kinetic theory of granular flows - KTGF). Όλες οι φάσεις περιγράφηκαν χρησιμοποιώντας την προσέγγιση κατά Euler για τη μεταφορά μάζας, ενέργειας και ορμής. Το χημικό μοντέλο αποτελείται από τρείς (3) ετερογενείς και δύο (2) ομογενείς αντιδράσεις. Η ξήρανση και η απελευθέρωση πτητικών υποτέθηκαν ότι λαμβάνουν χώρα ακαριαία στην περιοχή εισόδου του καυσίμου. Όλοι οι ρυθμοί αντίδρασης καθορίστηκαν από εξισώσεις Arrhenius, με κινητικές παραμέτρους από τη βιβλιογραφία. Ο αντιδραστήρας ερευνήθηκε σε ατμοσφαιρικές συνθήκες λειτουργίας. Η επικύρωση της ισχύος του μοντέλου έγινε συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με τα πειραματικά. Διαπιστώθηκε η ακριβής απόδοση του ύψους ρευστοποίησης, η κατανομή θερμοκρασίας και πίεσης, και οι συγκεντρώσεις των συστατικών των επιμέρους φάσεων. Η κύρια συνεισφορά της παρούσας εργασίας είναι το υπολογιδτικό μοντέλο, το οποίο αναπτύχθηκε για μια τριδιάστατη ρεαλιστική μονάδα αεριοποίησης, με χρήση του κώδικα CFD ευρείας χρήσης Fluent 13.0.

A three-dimensional computational model was developed to describe the biomass gasification process inside a steam fluidized bed reactor. The commercial multi-purpose CFD code FLUENT 13.0 was used, taking into account drying, devolatilization, combustion and gasification processes. Three (3) phases were used to model the reactor (sand, solid phase for the fuel, and gas phase). Sand and solid phase were described using the kinetic theory of granular flows. All phases were described using an Eulerian approach to model the exchange of mass, energy and momentum. The chemical model consists of three (3) heterogeneous and two (2) homogeneous reactions. Drying and devolatilization were supposed instantaneous at the biomass feed region. All reaction-rates were determined by Arrhenius equations, the kinetic parameters of which were found in literature. The gasifier was operated and studied at atmospheric condition. Validation was performed, by comparing the model with experimental results, capturing known phenomena like fluidization bed height, temperature distribution and species concentrations. The main contribution of the presented work is the computational model, which was developed for a three-dimensional biomass gasifier, using a commercial CFD code.