Advanced Entrained-Flow Gasifier Modeling Based on an In-Situ Particle Conversion Study
Final Report Abstract
Das Forschungsvorhaben hatte zum Ziel, CFD-basierte Rechenmodelle zu entwickeln, die für verschiedene Einsatzstoffe zuverlässig die lokalen Konversionsprozesse in industriellen Flugstromvergasern abbilden. Diese Modelle sollten die Basis für die zukünftige Technologieentwicklung für alternative Einsatzstoffe bilden, ein Thema, dem vor dem Hintergrund der Energie- und Rohstoffwende eine besondere Bedeutung zukommt. Im Rahmen des Projektes führten die Forschungspartner der East China University of Science and Technology experimentelle Untersuchungen der Feststoffkonversion in einem OMB-Vergaser (Opposed Multiple Burner) durch, während sich die Arbeiten an der TU Bergakademie Freiberg auf die Modellierungsarbeiten konzentrierten. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde hierfür ein CFD-Modell des OMB-Vergasers erstellt und im Verlauf des Projektes kontinuierlich weiterentwickelt. Anschließend erfolgte die Entwicklung eines CFD-basierten Einzelpartikelmodells, das eine detaillierte Untersuchung der parallel ablaufenden Konversionsprozesse ermöglichte, einschließlich der Formänderung und Porenentwicklung aufgrund heterogener Reaktionen und Pyrolysegasfreisetzung. Das Einzelpartikelmodell diente als Basis für eine Vielzahl von Studien zum Stoffumsatz unter unterschiedlichsten Prozessbedingungen und Gasatmosphären. Die partikelaufgelösten Berechnungen bildeten die Grundlage für die Entwicklung eines verbesserten Konversionsmodells für die Gesamtreaktorberechnung. Das Konversionsmodell berücksichtigte im Gegensatz zu vielen Standardmodellen die Änderung der Partikelform sowie die umsatzabhängige Änderung von Partikelgröße und -dichte und ermöglichte eine zuverlässigere Berechnung der Partikeltrajektorien. Darüber hinaus wurde das verwendete Diskrete-Partikel-Modell mit partikelaufgelösten Einzelpartikelrechnungen abgeglichen. Es konnte gezeigt werden, dass für die Rechenzeiteffizienz notwendige Modellvereinfachungen, bspw. das schrittweise Durchlaufen der einzelnen Konversionsschritte anstelle einer simultanen Betrachtung, nur moderate lokale Abweichungen bedingen und somit rechenzeiteffiziente und dennoch zuverlässige Reaktormodelle ermöglichen. Das erarbeitete Konversionsmodell konnte erfolgreich in das OMB- Vergasermodell implementiert und für Reaktorberechnungen eingesetzt werden. Es zeigte sich dabei ein aus prozesstechnischer Sicht wesentlicher Einfluss des Konversionsmodells und damit die Notwendigkeit, dieses Modell in zukünftigen Arbeiten zur Technologieentwicklung und Prozessoptimierung einzusetzen. In Ergänzung zu den Untersuchungen des vor allem in China weit verbreiteten OMB-Verfahrens erfolgten Untersuchungen zur Klärschlammvergasung in einem kopfgefeuerten Vergaser mit Trockeneintrag (GSP-Verfahren). Die Klärschlammaufbereitung und insbesondere die Phosphorrückgewinnung hat in den letzten Jahren eine immer wichtigere ökologische und ökonomische Bedeutung bekommen. Mithilfe der entwickelten Modelle konnten verschiedene Betriebsbedingungen der Co-Vergasung von Klärschlamm detailliert untersucht werden. Zusätzlich wurde ein erstes Modell für die Bewertung einer möglichen Phosphorfreisetzung entwickelt und in das Reaktormodell integriert. Das Modell ermöglichte die Detektion optimaler Betriebspunkte für die Phosphorrückgewinnung und bildete die Basis für eine Reihe von Untersuchungen, die demnächst in mehreren Zeitschriftenbeiträgen veröffentlicht werden.
Publications
- (2020). The shape development of spherical and non-spherical char particles in the flame zone of an entrained-flow gasifier – a numerical study. International Journal of Heat and Mass Transfer, 149, 119220
Nguyen, C. B., Scherer, J., Guo, Q., Kriebitzsch, S., & Richter, A.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.119220) - (2021). The morphology evolution of char particles during conversion processes. Combustion and Flame, 226, 117–128
Nguyen, C. B., Scherer, J., Hartwich, M., & Richter, A.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2020.11.038)
