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Influence of the devolatilisation kinetics on the numerical simulation of pulverised fuel swirl flames under oxyfuel conditions - Supplementary dataset

Askarizadeh Ravizi, Hossein^RWTH* ; Pielsticker, Stefan^RWTH* ; Nicolai, Hendrik ; Özer, Burak^RWTH* ; Kneer, Reinhold^RWTH* ; Hasse, Christian ; Maßmeyer, Anna Lisa^RWTH*

2025

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01763
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/1005444/files/Supplementary_dataset.zip

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Projekte

1. DFG project G:(GEPRIS)215035359 - TRR 129: Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre (215035359) (215035359)
2. DFG project G:(GEPRIS)240966705 - Experimentelle Untersuchung der Biomasseverbrennung zur Validierung numerischer Simulationen (C01) (240966705) (240966705)
3. DFG project G:(GEPRIS)240967567 - Instationäre Modellierung und Simulation von Oxy-Fuel-Feuerräumen (C02) (240967567) (240967567)
4. DFG project G:(GEPRIS)240954932 - Experimentelle Untersuchung von Pyrolyse- und Koksumsatzkinetiken in einem „Well-Stirred-Reactor“ unter atmosphärischen und druckbeaufschlagten Bedingungen (A01) (240954932) (240954932)

Kurzfassung
Zahlreiche Studien befassen sich mit der Entwicklung verschiedener Modelle zur Beschreibung der Devotilisierung im Festbrennstoffumwandlungsprozess. Trotz der Verfügbarkeit detaillierter Devotilisierungsmodelle, wie z. B. der chemischen Perkolationsdevotilisierung (CPD), werden in numerischen Simulationen aufgrund ihres geringen Rechenaufwands typischerweise vereinfachte Modelle, wie z. B. die einfache Reaktion erster Ordnung (SFOR) und das konkurrierende Zwei-Stufen-Modell (C2SM), verwendet. In dieser Studie werden Walnussschalen und rheinische Braunkohle als staubförmige Brennstoffe für einen sauerstoffbefeuerten Referenzfall verwendet, und ihre Devotilisierungskinetik wird experimentell mit einem Wirbelschichtreaktor bestimmt. Um den Einfluss der Devotilisierungskinetik auf die Flammen zu zeigen, wird in Ansys Fluent ein Simulationswerkzeug auf der Grundlage der Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) entwickelt. Das numerische Werkzeug ist mit benutzerdefinierten Funktionen ausgestattet, um die im Vergleich zur Luftatmosphäre erforderlichen Modifikationen in einer Sauerstoffatmosphäre hinsichtlich Gas- und Partikelstrahlung sowie Partikelkinetik zu berücksichtigen. Die Parametersätze für die Devotilisierungskinetik werden experimentell mit einem Wirbelschichtreaktor bestimmt und zum Vergleich auch aus bestehenden numerischen Untersuchungen in der Literatur entnommen. Es sind deutliche Unterschiede zu beobachten, insbesondere bei den Partikeltemperaturen und der Freisetzung ihrer flüchtigen Bestandteile, wenn unterschiedliche Parametersätze für die Devotilisierungskinetik verwendet werden. Die mit den experimentell ermittelten Parametersätzen in den Simulationen erhaltenen Partikeltemperaturen zeigen Verbesserungen in der Genauigkeit der Simulationen von bis zu 22 % im Vergleich zu denjenigen, die mit den in der Literatur verfügbaren Parametersätzen erhalten wurden. Weitere Verbesserungen in den Vergleichen werden durch die Berücksichtigung von Wärmeübertragungsbegrenzungen zu Partikeln in Hochtemperaturbereichen beobachtet. Das numerische Werkzeug erfasst kleine Wärmeübertragungsbegrenzungen, die zu einer Verringerung der Reaktivität von Partikeln führen, wodurch die Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen zu den Partikeltemperaturen verbessert wird.

Numerous studies can be found concerning the development of various models to describe devolatilisation within the solid fuel conversion process. Despite the availability of detailed devolatilisation models, such as chemical percolation devolatilisation (CPD), simplified ones, such as the single first-order reaction (SFOR) and the competing two-step model (C2SM), are typically used in numerical simulations because of their low computational cost. In this study, walnut shells and Rhenish lignite are employed as pulverised fuels for an oxyfuel-fired reference case and their devolatilisation kinetics are determined experimentally using a fluidised bed reactor. To show the influence of devolatilisation kinetics on the flames, a simulation tool in Ansys Fluent is developed based on Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) equations. The numerical tool is equipped with user-defined functions to take into account the modifications needed in an oxyfuel compared to air atmosphere regarding gas and particle radiation and particle kinetics. The parameter sets for devolatilisation kinetics are determined experimentally using a fluidised bed reactor and for comparison are also taken from existing numerical investigations in the literature. Significant differences can be observed, particularly in particle temperatures and the release of their volatile contents when using different parameter sets for devolatilisation kinetics. Particle temperatures obtained using the experimentally determined parameter sets in the simulations show improvements in the accuracy of the simulations up to 22 % compared to those obtained when using the available parameter sets in the literature. Further improvements in comparisons are observed by considering heat transfer limitations to particles in high-temperature zones. The numerical tool captures small heat transfer limitations leading to a reduction in reactivity of particles improving the agreement between numerical and experimental results on particle temperatures.

OpenAccess:
ZIP
(additional files)

Dokumenttyp
Dataset

Format
online

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-2025-01763
Datensatz-ID: 1005444

Beteiligte Länder
Germany