Modellierung der Holzvergasung mit einer gekoppelte n Euler/Euler-Populationsbilanzen Methode

Fakultät III – RDH-Seminar 27.11.2009

Victor Alejandro Merchan

TU Berlin, Institut für Energietechnik, FG Energieverfahrenstechnik und

Umwandlungstechniken regenerativer Energien Fasanenstr. 8910623 Berlin

Diplomarbeit

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Motivation

Motivation • Grundlagen •

• orts- und zeitaufgelöste Beschreibung der Vorgänge im Wirbelschichtvergaser

• Einsparpotenzial bei der Prozessentwicklung

• Verbesserte Auslegungsmethoden und Optimierung basierend auf gewonnenen Erkenntnissen

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Simulation von Gas-Feststoffströmungen

Einteilung je nach Modellierungsansatz der auftretenden Phasen:

• Discrete bubble Model

• Two-Fluid model

• Discrete Particle Modell

• Molecular dynamics

(vereinfacht aus van der Hoefet. al 2008)

Beschreibung von Gas- und Festphase als Kontinua (Euler/Euler)

Beschreibung der Gasphase als Kontinuum. Festphase setzt sich aus dispersen Partikeln zusammen. (Euler/Lagrange)

Euler/Lagrange beschreibt realitätsnäher als Euler/Euler, ist aber rechenaufwändiger.

Motivation • Grundlagen •

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Euler/Euler-Methode

• Phasen werden als Kontinua betrachtet. Diese werden mit modifizierten Kontinuumsbilanzen modelliert.

• Die disperse Phase wird durch Partikeleigenschaften wie z.B. denDurchmesser gekennzeichnet. Für die Darstellung von polydispersenSystemen wird für jeden charakteristischen Durchmesser eine eigene Phase betrachtet.

Motivation • Grundlagen •

• Die feste Phase wird somit mit einer konstanten Partikelgrößenverteilung dargestellt.

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Euler/Euler-Methode: Polydisperse Systeme

Aber: im System treten Phänomene auf, die eine Änderung der Partikelgrößenverteilung zur Folge haben ( z.B. Partikelbruch aufgrund von Kollisionen).

Motivation • Grundlagen •

Lösungsansatz: zusätzliche Betrachtung von Populationsbilanzen

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Populationsbilanzen

• Für eine detaillierte Beschreibung von partikelbezogenen Phänomenen muss die Populationsbilanz zusammen mit den anderen Bilanzgleichungen gelöst werden.

• Oft reicht es, die Momente der Verteilung zu bestimmen.

Motivation • Grundlagen •

• Das hier verwendete DQMOM (Direct Quadrature Method of Moments) von Marchisio und Fox ist eine sog. Momentenmethode, die sich für polydisperse Systeme eignet.

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DQMOM

Der Ansatz:

führt zu Erweiterungen in den Quelltermen der Kontinuitätsgleichung und den Transportgleichungen der Durchmesser der festen Phasen. Die rechten Seiten werden mit einem Runge-Kutta-Verfahren integriert.

Motivation • Grundlagen • Zielsetzung

•Beurteilung der Ergebnisse erfolgt mit Sauterdurchmessern und normierten Momenten.

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Zielsetzung

• Modellierung des Bruchs von Holzkohlepartikeln

• Untersuchung möglicher Änderungen in der Fluiddynamik

• Untersuchung des Einflusses der Partikelphänomenen auf die Zielgrößen Produktgaszusammensetzung und Teergehalt

• Erfassung des Einflusses der Anzahl der verwendeten Holzkohlephasen auf die Ergebnisse

Motivation • Grundlagen • Zielsetzung • Modell •

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Verwendetes Modell

• zweidimensionales Reaktormodell des alten Technikumreaktors

• Luft als Vergasungsmittel

• eine Holzphase, d = 4 mm

• zwei, drei oder vier Holzkohlephasen, welche die gleiche Anfangsverteilung wiedergeben (keine gemischten Phasen)

• Umwandlung von Holz in Holzkohle modelliert durch Stofftransport zwischen den festen Phasen

• Massen-, Impuls- und Energiebilanzen für alle Phasen, Komponentenbilanzen für die Gasphase, granulare Temperatur für alle festen Phasen, Durchmesseränderung für alle festen Phasen, für Holz keine Partikelbruchbetrachtung

Motivation • Grundlagen • Zielsetzung • Modell •

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Verwendetes Modell

• Schätzwerte für Anfangswerte und Randbedingungen

• Bruchkernel proportional zur Anzahl an Kollisionen (Goldschmidt 2001)

Motivation • Grundlagen • Zielsetzung • Modell • Ergebnisse

breakage_eff

Simulation mit MFIX

• einfaches Pyrolysemodell

• 5 homogene Gasphasenreaktionen

• 4 heterogene Reaktionen

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Ergebnisse:

Einfluss der Anzahl der Phasen ohne Berücksichtigung von Partikelbruch.

Deutlicher Unterschied insbesondere zwischen den Teergehalten aufgrund von Temperaturunterschieden im Reaktor

Motivation • Grundlagen • Zielsetzung • Modell • Ergebnisse

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Ergebnisse:

Berücksichtigung von Partikelbruch. brekage_eff 1.e-5

berechnete Momente stimmen gut überein

kein merkbarer Unterschied durch Partikelbruch

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Ergebnisse

Betrachtung höherer breakage_eff (5.e-5) bei breiteren Verteilungen

Motivation • Grundlagen • Zielsetzung • Modell • Ergebnisse

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Ergebnisse

ohne Partikelbruch

Motivation • Grundlagen • Zielsetzung • Modell • Ergebnisse • Zusammenfassung

mit Partikelbruch

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Zusammenfassung und Ausblick

Motivation • Grundlagen • Zielsetzung • Modell • Ergebnisse • Zusammenfassung

• Das vorhandene Euler/Euler-Modell wurde um die Nutzung von Populationsbilanzen für die Simulation des Partikelbruches erweitert (für die Holzkohlephasen).

• Bezüglich des Partikelbruchs zeigt die Holzkohle bei 2, 3 und 4 Phasen und der gewählten Anfangsverteilung ein ähnliches populationsdynamisches Verhalten.

•Bei geringen breakage_eff hat der Einsatz von Populationsbilanzen auf die Gaskonzentrationen und Teergehalte einen vernachlässigbaren Effekt.

•Durch den Einsatz von Populationsbilanzen können dynamische Effekte wie Partikelaustrag und eine Erweiterung des Bettbereichs simuliert werden.

• Entwicklung von besseren Bruchkerneln

• Beschreibung von kontinuierlicher Umwandlung von Holz in Holzkohle (gemischte Phasen)