Modelling and experimental validation of the viscosity of liquid phases in oxide systems relevant to fuel slags

Wu, Guixuan; Müller, Michael; Singheiser, Lorenz

doi:1866-1793

Modelling and experimental validation of the viscosity of liquid phases in oxide systems relevant to fuel slags = Modellierung und experimentelle Validierung der Viskosität flüssiger Phasen in für Brennstoffschlacken relevanten oxidischen Systemen

Wu, Guixuan

2015 & 2016

VerantwortlichkeitsangabeGuixuan Wu

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2015

ISBN978-3-95806-081-4

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 282

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Druckausgabe: 2015. - Onlineausgabe: 2015. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Singheiser, Lorenz (Thesis advisor) ; Müller, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-06-01

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-055688
DOI: 10.18154/RWTH-2015-05568
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/539113/files/539113.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Energietechnik (FZ Jülich) (413410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; fuel slags (frei) ; viscosity (frei) ; thermodynamic modelling (frei) ; structure (frei) ; model (frei) ; rotational viscometer (frei) ; IGCC (frei) ; gasification (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Moderne IGCC-Kraftwerke bieten hinsichtlich der vielseitig verwendbaren Brennstoffe und Produkte die größten Vorteile. Der Prozess verbindet dabei ein konventionelles GuD-Krafwerk mit einem Vergaserreaktor. Darüber hinaus kann dieser mit einer CO2-Abscheidung und -Speicherung (CCS Carbon Capture Storage) gekoppelt werden. Diese Technologie ist ein vielversprechender Ansatz, die CO2-Emission durch fossile Energieträger zu reduzieren. Der Kern des IGCC-Kraftwerkes ist dabei der Vergaser, dieser bestimmt auch maßgeblich die Effektivität des Gesamtprozesses. Die anorganischen Bestandteile bilden auf den Reaktorwänden des Vergasers eine viskose Schlacke. Die verbleibenden anorganischen Komponenten werden in Form von Flugasche im Synthesegas mitgerissen. Die Viskosität der Schlacke spielt eine zentrale Rolle bei der Bestimmung der optimalen Betriebsbedingungen, viele Vorgänge sind direkt oder indirekt abhängig von dem Fließverhalten der Schlacke, wie die Tropfenhaftung (oder Partikelhaftung), der Schlackefluss und -abfluss, sowie die Degradierung der Refraktärmaterialien. Damit beeinflusst das Fließverhalten maßgeblich die Effizienz, Stabilität und Sicherheit des Vergasungsprozesses. Die Viskosität der Schlacke wurde ebenfalls als kritische Größe bei der Simulation durch numerische Strömungsmechanik (CFD) erkannt. Die meisten vorherigen Modelle bieten nur die Möglichkeit, die Viskosität in einem sehr eingeschränkten Bereich von Temperatur und Zusammensetzung zu beschreiben, da insbesondere eine effektive Beschreibung des Einflusses der inneren Struktur auf die Viskosität fehlte.Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines neuen Modells zur Beschreibung der Viskosität vollständig geschmolzener Schlacken im newtonschen Bereich. In diesem neuen Modell wird die innere Struktur der Schlacke berücksichtigt, indem die Viskosität mit der Art und Verteilung einzelner Schlackenkomponenten, sowie der Wechselwirkung dieser Komponenten untereinander in Verbindung gebracht wird. Die Art der Komponente wird dabei durch die Gibbs-Energie bestimmt, die Verteilung dieser mit einer selbst-konsistenten thermodynamischen Datenbank berechnet. Für die Beschreibung der oxidischen Schlackesysteme wird ein modifiziertes Assoziatenmodell verwendet. Die Datenbank ermöglicht die Berechnung von Phasendiagrammen und anderen thermodynamischen Eigenschaften in guter Übereinstimmung mit vorhandenen experimentellen Daten. Der Einfluss von Temperatur und Zusammensetzung auf die Struktur vollständig geschmolzener Schlacke wird mit monomeren Assoziaten in Verbindung mit der selbst- und der interpolymerisation beschrieben.Das neue Viskositätsmodell wurde für vollständig geschmolzene Schlacken in dem System SiO2–Al2O3–CaO–MgO–Na2O–K2O–FeO–Fe2O3 und deren Subsysteme, basierend auf dem thermodynamisch modifizierten Assoziatenmodell, entwickelt. Das Modell erlaubt eine verlässliche Vorhersage der Viskosität über alle genannten Komponenten sowie einen großen Temperaturbereich mit nur einem Satz an Modellparametern. Diese besitzen zusätzlich eine eindeutige physikochemische Bedeutung. Mit dem neuen Modell kann der Lubricant-Effekt in SiO2-basierten binären Systemen beschrieben werden. Die Änderung der Viskosität durch den Austausch eines Netzwerkwandlers durch einen anderen bei konstantem SiO2-Gehalt wird ebenfalls gut beschrieben. Auch das durch Al2O3 bewirkte Viskositätsmaximum kann das Modell beschreiben, so kann sowohl die Konzentration als auch die Viskosität des Maximums in Abhängigkeit von Temperatur und Zusammensetzung (Ladungsausgleichseffekt) vorhergesagt werden. Desweiteren kann ebenfalls das Viskositätsmaximum beim Austausch von Al2O3 durch SiO2 bei ansonsten konstanter Konzentration der Netzwerkwandler dargestellt werden. Der Fe2O3 induzierte Ladungsausgleichseffekt ist weniger stark ausgeprägt als bei Al2O3. Das durch Fe2O3 bewirkte Viskositätsmaximum zeigt dabei eine starke Abhängigkeit vom Ladungsausgleich von Fe3+. Wird Fe2O3 durch SiO2 bei ansonsten gleicher Zusammensetzung ersetzt, ist es möglich, dass das Viskositätsmaximum nicht mehr vorhanden ist.Zusätzlich wurde ein Rotationsviskosimeter zur Validierung des entwickelten Viskositätsmodells genutzt. Die Viskosität mehrerer realer Kohleaschen wurde hierfür gemessen. Des weiteren werden Beispiele für die praktische Anwendung des Modells gegeben.

Flexibility in feedstocks and products is one of the most important advantages of an IGCC power plant based on entrained-flow gasifiers. Moreover, it can be combined with the carbon capture and storage (CCS), which is a promising solution to control the CO2 emissions produced from the use of fossil fuels such as coal. The core of an IGCC power plant is the slagging gasifier, whose performance is significant for an IGCC power plant. In slagging gasifiers, the majority of the inorganic components are converted to a liquid slag flowing down the wall of the gasifier, whereas the remaining inorganic components entrained in the syngas form fly ash. Slag viscosity plays a very important role in determining the optimum operating conditions for slagging gasification, in which many processes are related to the viscosity, such as the particle sticking (or droplet sticking), slag flow, slag tapping, and refractory degradation that may lead to concerns about efficiency, process reliability, and safety. Slag viscosity is also identified as a critical property for simulations based on computational fluid dynamics (CFD). However, most of the early viscosity models are only capable of describing the viscosity over a limited range of temperatures and compositions, due to the lack of an effective description about the structural dependence of viscosity.This study aims at developing a new viscosity model for fully liquid slag systems in the Newtonian range. In the new viscosity model, the structure of slag is effectively taken into account, in which the viscosity is linked to the type and distribution of species, as well as the connectivity of species. The type of species is determined from the Gibbs energy, and thereby the distribution of species is calculated by using a completely self-consistent thermodynamic dataset, where the modified associate species model was applied for the slag. This dataset provides the phase diagram and other thermodynamic properties to be calculated in good agreement with the experimental data. In consequence, both the temperature- and composition-induced structural changes of molten fuel slags can be described with a set of monomeric associate species in combination with the critical clusters induced by the self- and inter-polymerizations.The new viscosity model has been developed for fully liquid slag system SiO2–Al2O3–CaO–MgO–Na2O–K2O–FeO–Fe2O3 and its subsystems in the Newtonian range, based on the thermodynamic modified associate species model. The model gives a reliable prediction over the whole range of compositions and a broad range of temperatures using only one set of model parameters, which all have a clear physico-chemical meaning. With the new model, one of the challenges of the viscosity behavior in SiO2-based binary systems, the so called lubricant effect, can be excellently described. The viscosity behavior when substituting one network modifier for another at constant SiO2 contents is well described. The Al2O3-induced viscosity maximum is also well described, in which the position and magnitude of the viscosity maximum as a function of composition and temperature (charge compensation effect) are properly predicted. Another viscosity maximum when replacing Al2O3 with SiO2 for constant contents of the network modifiers is presented. The Fe2O3-induced charge compensation effect is less pronounced than that induced by Al2O3. It was found that the Fe2O3-induced viscosity maximum does not always occur depending on the charge compensators for Fe3+. The viscosity maximum when replacing Fe2O3 with SiO2 for constant contents of the other network modifiers might not occur.In addition, a rotational viscometer is employed to validate the current viscosity model. Viscosities of several real coal ashes were measured by this rotational method. Moreover, examples of the application of the current model in determining coal ash fluxing and blending are presented.

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