Char combustion kinetics using a micro fluidized bed reactor

Gövert, Benjamin Maximilian; Scherer, Viktor; Kneer, Reinhold

doi:HT019935223

Char combustion kinetics using a micro fluidized bed reactor = Koksabbrandkinetik mittels eines kompakten Wirbelschichtreaktors

Gövert, Benjamin Maximilian^RWTH*

2018 & 2019

VerantwortlichkeitsangabeBenjamin Maximilian Gövert

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (XXI, 180 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH* ; Scherer, Viktor (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-00500
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/753270/files/753270.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CBK (frei) ; FTIR (frei) ; Koksabbrand (frei) ; Reaktionskinetik (frei) ; Wirbelschicht (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Verbrennung von Koks aus natriumarmer rheinischer Braunkohle in synthetischer Luft (N2/O2) und Oxyfuel-Atmosphäre (CO2/O2) wird experimentell und mittels eines 1D-Modells untersucht. Verbrennungsexperimente werden in einem extern beheizten, kompakten Wirbelschichtreaktor (mFBR) im Temperaturbereich von 773 - 1123K mit 25 vol.−% Sauerstoff durchgeführt. Bei 873K wird der Sauerstoffanteil zwischen 15 - 30 vol.−% variiert. Abhängig von der Streuung der Ergebnisse werden 5 - 50 Wiederholungen durchgeführt, in Summe erfolgen 556 Experimente. Die Konzentrationen der Reaktionsprodukte CO2 und CO werden ex situ mittels Fourier-Transform Infrarot (FTIR) Spektrometrie zeitaufgelöst mit bis zu 10 Hz erfasst. Mit diesen Konzentrationen, ergänzt um Daten zu Gasmassenströmen und Probenmassen, wird eine Kohlenstoffbilanz um den Reaktor aufgestellt. Daraus werden für jedes Experiment Kohlenstoffumsatzrate dX/dt(t) und dimensionsloser Umsatz X(t) berechnet. Die Modellierung der Koksverbrennung erfolgt auf Basis des Carbon Burnout Kinetic Modells Version 8 (CBK8) von Hurt et al. [1998], welches für die Randbedingungen in der Wirbelschicht angepasst wird. Mittels des neuen Modells, genannt CBK/FB, werden verschiedene Korrelationen für den Wärme- und Stoffübergang, sowie für die Wärmekapazität des Brennstoffs und das CO/CO2-Verhältnis bei der Verbrennung verglichen. Für die best-fit Kombination aus Wärme- und Stoffübergangskorrelation wird die Kinetik des CBK/FB-Modells für Experimente in Luft bestimmt. Die resultierenden Kinetikparameter sind plausibel und gut vergleichbar zu Werten aus der Literatur. Insgesamt sagt das CBK/FB-Modell den Kohlenstoffumsatz in Luft mit guter Genauigkeit vorher. Ein Test des Modells an den experimentellen Ergebnissen in Oxyfuel-Atmosphäre zeigt keine systematischen Abweichungen auf.

The char combustion kinetics of low sodium Rhenish lignite (RB) in synthetic air (N2/O2) and oxyfuel atmosphere (CO2/O2) are investigated experimentally and using a 1D modeling approach. Combustion experiments are carried out in an externally heated micro fluidized bed reactor (mFBR) at temperatures of 773 - 1123K with 25 vol% oxygen. At 873K, the oxygen volume fraction is varied from 15 - 30 vol%. Depending on the reaction rate variance, experiments are repeated 5 - 50 times, resulting in a total of 556 data sets. Time-resolved gas analysis (≤10 Hz) of the reaction products CO2 and CO is performed ex situ with a Fourier-transform infrared (FTIR) spectrometer. Combined with information on the gas mass flow and fuel sample mass per batch, a carbon balance is closed around the reactor. Using this balance, the time-resolved carbon conversion rate dX/dt(t) and total conversion X(t) are computed for each experiment. Modeling of char combustion is done based on the Carbon Burnout Kinetic model version 8 (CBK8) by Hurt et al. [1998], adapted to fluidized bed combustion conditions. Using the adapted model, named CBK/FB, different correlations for fluidized bed heat- and mass transfer, as well as fuel heat capacity and CO/CO2 production ratio at the particle are compared. Using the best-fit combination of heat and mass transfer sub-models, the char kinetic parameters of the CBK/FB model are determined for experiments conducted in synthetic air. The resulting kinetic parameters are plausible and compare favorably to results from literature. Overall, the adapted model predicts carbon conversion times with good precision in synthetic air. A test of the model against experiments in oxyfuel atmosphere does not reveal any systematic deviation.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)