Numerical modeling and simulation of oxy-fuel combustion processes

Farazi, Sima; Pitsch, Heinz; Kneer, Reinhold

doi:10.18154/RWTH-2019-11680

Numerical modeling and simulation of oxy-fuel combustion processes = Numerische Modellierung und Simulation von Oxy-Fuel Verbrennungsprozessen

Farazi, Sima^RWTH*

2019 & 2020

VerantwortlichkeitsangabeSima Farazi

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2019

Umfang1 Online-Ressource (xi, i 112 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheBerichte aus der Energietechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Druckausgabe: 2019. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitsch, Heinz (Thesis advisor)^RWTH* ; Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-09-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-11680
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/774635/files/774635.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Verbrennung (411410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
combustion (frei) ; modeling (frei) ; oxy-fuel (frei) ; simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In dieser Arbeit werden die Zünd- und Verbrennungsprozesse von Kohlenstaub unter konventionellen und Oxyfuel-Bedingungen numerisch untersucht, um die Wechselwirkungen zwischen chemischen Reaktionen und Transportprozessen zu verstehen und damit die Modellentwicklung zu unterstützen. Die Verbrennung einzelner Kohlepartikel wird in hochauflösenden numerischen Simulationen abgebildet, welche eine detaillierte Beschreibung der Partikeloberflächen und der Gasphasenchemie beinhalten. Das Modell wird mit experimentellen Ergebnissen für den Kohleausbrand in einem Flachflammenbrenner validiert. Ein umfassender Satz von vollständig aufgelösten reaktiven 2-D Simulationen wurde durch die Variation der Partikelgröße, der Relativgeschwindigkeit, des Verdünnungsmittels und der Sauerstoffzusammensetzung im umgebenden Gas durchgeführt. Die Simulationsergebnisse werden im Hinblick auf den CO2- und N2-Gehalt der Atmosphäre diskutiert. Eine zunehmende Partikel-Reynoldszahl reduziert die Gastemperatur und führt zu einer schnelleren Sauerstoffbereitstellung, woraus anfänglich eine höhere Partikelverbrennungsrate resultiert. An dem Punkt, an dem der Temperatursenkungseffekt überwiegt, nimmt die Partikelverbrennungsrate wieder ab. Es wird auch festgestellt, dass die Verbrennung die Widerstandskraft des reagierenden Teilchens reduziert. Ein modifizierter Widerstandsbeiwert wird in Abhängigkeit von der Stefan-Strömungsgeschwindigkeit bereitgestellt. Darüber hinaus wird die Zündung von Kohlepartikeln mit einem vollständig gekoppelten Euler-Lagrange-Ansatz untersucht. Die Gasifizierung der Kohlepartikel wird mit der Chemical Percolation Devolatilization Methode (CPD) in Verbindung mit detaillierter Gasphasenchemie modelliert. Numerische Simulationen zeigten, dass eine in der Oxy-Atmosphäre vorliegende Verlängerung der Zündverzugszeit mit einem Verbrauch von Radikalen zusammenhängt. Der Verbrauch von Radikalen ist auf Reaktionen der Radikale mit dem CO2 der Oxy-Atmosphäre zurückzuführen. Die Betrachtung verschiedener Partikelströme zeigt, dass eine zunehmende Partikelanzahldichte den Zündbeginn verzögert und eine kontinuierlichere und schmalere Flammenfront bildet. Es wird auch festgestellt, dass hohe Partikelschlupfgeschwindigkeiten zu einer lokal niedrigen Konzentration der Devolatisierungsprodukte und niedrigen Temperatur führen und somit die Zündverzugszeit erhöhen.

Coal ignition and combustion under conventional and oxy-fuel conditions are numerically investigated to understand the interactions between chemical and transport processes and to support model development. Char burnout of coal particles is studied in highly resolved numerical simulations including a detailed description of the particle surface and the gas phase chemistry. At the solid-gas interface, heat and mass fluxes due to surface reactions involving carbon oxidation and gasification are considered. The model is validated with experimental results for char burnout in a flat flame burner. A comprehensive set of fully resolved reactive 2-D simulations has been performed by varying particle size, relative velocity, diluent, and oxygen composition in the surrounding gas. The simulation results are discussed regarding the CO2 and N2 content of the atmosphere highlighting the effects of oxy-fuel combustion. Increasing particle Reynolds number reduces gas temperature and results in a faster oxygen supply, which consequently yields a higher particle burning rate up to the point where the resulting temperature reduction leads to a lower burning rate. Combustion reduces the drag force of the reacting particle and thus a modified drag coefficient as a function of the dimensionless Stefan flow velocity is provided. In addition, ignition of coal particles is studied by using a fully coupled Euler- Lagrange approach. Devolatilization of coal particles is modeled with the chemical percolation devolatilization (CPD) method coupled with a detailed gas chemistry. Numerical simulations showed that an increase of ignition delay time in oxy-atmosphere compared to the air case is related to the depletion of radicals that react with the abundant CO2 of the oxy-atmosphere. Considering different particle streams showed that an increase in particle number density delays the onset of ignition and forms a more continuous and narrower flame front. Particle heating and ignition induce velocity variations in the gas phase. In the denser stream, velocity variations become significant and compromise the validity of a constant velocity assumption that is usually made in computing ignition delay time from the observed ignition location. It is also found that high particle slip velocities lead to a locally low volatile concentration and low temperature, which consequently increase ignition delay time.

OpenAccess:
PDF
(additional files)