Modellierung der Holzvergasung mit einer ... - EVUR - TU Berlin

Modellierung der Holzvergasung mit einer gekoppelten
Euler/Euler-Populationsbilanzen Methode
Fakultät III – RDH-Seminar 27.11.2009
Diplomarbeit
Victor Alejandro Merchan
TU Berlin, Institut für Energietechnik, FG
Energieverfahrenstechnik und
Umwandlungstechniken regenerativer Energien
Fasanenstr. 89
10623 Berlin

Motivation
• orts- und zeitaufgelöste
Beschreibung der Vorgänge im
Wirbelschichtvergaser
• Einsparpotenzial bei der
Prozessentwicklung
• Verbesserte
Auslegungsmethoden und
Optimierung basierend auf
gewonnenen Erkenntnissen
Motivation • Grundlagen •
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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 Hoef
et. 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. den
Durchmesser gekennzeichnet. Für die Darstellung von polydispersen
Systemen wird für jeden charakteristischen Durchmesser eine eigene
Phase betrachtet.
• Die feste Phase wird somit mit einer konstanten
Partikelgrößenverteilung dargestellt.
Motivation • Grundlagen •
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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).
Lösungsansatz: zusätzliche Betrachtung von Populationsbilanzen
Motivation • Grundlagen •
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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.
• Das hier verwendete DQMOM (Direct Quadrature Method of
Moments) von Marchisio und Fox ist eine sog. Momentenmethode,
die sich für polydisperse Systeme eignet.
Motivation • Grundlagen •
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Der Ansatz:
DQMOM
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.
•Beurteilung der Ergebnisse erfolgt mit Sauterdurchmessern und
normierten Momenten.
Motivation • Grundlagen • Zielsetzung
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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
Motivation • Grundlagen • Zielsetzung • 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
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Verwendetes Modell
Motivation • Grundlagen • Zielsetzung • Modell • Ergebnisse
• einfaches Pyrolysemodell
• 5 homogene Gasphasenreaktionen
• 4 heterogene Reaktionen
• Schätzwerte für Anfangswerte und
Randbedingungen
• Bruchkernel proportional zur Anzahl
an Kollisionen (Goldschmidt 2001)
breakage_eff
Simulation mit MFIX
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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
11

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
mit Partikelbruch
Motivation • Grundlagen • Zielsetzung • Modell • Ergebnisse • Zusammenfassung
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Zusammenfassung und Ausblick
• 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)
Motivation • Grundlagen • Zielsetzung • Modell • Ergebnisse • Zusammenfassung
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