Grobstruktursimulation der Biomassevergasung in einer Wirbelschicht am Beispiel von Holz
Gerber, Stephan
Die thermochemische Umsetzung von Holz in Wirbelschichten ist ein komplexes Beispiel einer mehrphasigen reaktiven Strömung, welche in dieser Arbeit auf Basis eines zweidimensionalen Euler-Lagrange-Modelles untersucht wird. Gegenüber anderen Modellen bietet diese Methode den Vorteil das Geschehen innerhalb eines Wirbelschichtreaktors sowohl auf Basis der Gasphase als auch auf Basis einzelner Partikel zu untersuchen und damit Rückschlüsse auf die komplizierten Wechselwirkungen aus chemischen und fluiddynamischen Vorgängen zu ziehen. Die Modellierung der Gasphase berücksichtigt die Bilanzen der Dichte, der Partialdichten, des Impulses und der Gesamtenthalpie. Die turbulenten Anteile der Strömung werden mit Hilfe eines Grobstrukturansatzes modelliert. Ein einfacher Reaktionsmechanismus für die homogenen Reaktionen in der Gasphase beschreibt die wesentlichen Stoffumwandlungen im Reaktor. Die Dynamik der Partikelbewegung wurde durch die Berücksichtigung der Widerstandskraft, der Auftriebs- und Gewichtskraft sowie eines linearen Diskreten Elemente Modelles modelliert. Weiterhin werden die lokalen Volumenfraktionen der Partikel und damit der Phasen auf Basis eines volumengleichen Quaders berechnet, was eine Beschreibung dichter Partikelströmungen erlaubt. Innerhalb des homogenen Abbrandmodelles eines einzelnen Partikels werden Vorgänge wie die Aufheizung, die Trocknung, die primäre Pyrolyse und die Vergasung berücksichtigt. Die Ergebnisse sind in Form einer Parameterstudie mit Variationen u.a. der thermischen Randbedingungen, der Einlassgeschwindigkeit und der Einlasstemperatur der Luft sowie des Brennstoffmassenstromes dokumentiert. Die verschiedenen Szenarien werden mit Hilfe der Konzentrationen und der Temperatur innerhalb der Gasphase am Reaktorauslass verglichen. Zusätzlich werden die Ergebnisse verglichen mit experimentellen Daten und Daten aus einem Multi-Fluid-Modell sowie die Historien ausgewählter Partikel untersucht.
The thermochemical conversion of wood in a fluidized bed is a complex example of reactive multi phase flow, which is described and investigated in this thesis by a two dimensional Euler-Lagrangian model. This method allows to investigate the gaseous phase as well as single particles and is therefore able to gain information about the intricate interactions of chemical and fluid dynamic processes. The gas phase model considers the balances of density, partial densities of the involved species, momentum and total enthalpy. Turbulence is modelled with a Large Eddy Simulation (LES) approach. A simple reaction mechanism for the homogeneous gas phase reactions allows to model the mayor paths of species conversion. The model of the particle dynamics accounts for forces such as particle drag, buoyancy, and weight force as well as forces from particle-particle interactions via a linear discrete element model (DEM). The particle volume fraction within each grid cell is calculated from the discrete particle distribution taking into account partial particle volumes within cells. In order to allow modelling in a dense particle regime, the local volume fractions of the particles and therefore the phases are calculated by volume equal cuboids. The zero-dimensional conversion model for each single particle describes processes of particle heat up, drying, primary pyrolysis and gasification. The results are documented as a parameter study with variations of, e.g., the thermal boundary conditions, the inlet velocity, and inlet temperature of the air as well as the fuel inlet flow. The different scenarios are compared with the help of species concentrations and temperature at the reactor outlet. Additionally particle histories of selective particles are analyzed and the results are compared with experimental data as well as data from a multi fluid model.
