Modelling of biomass packed bed combustion

Published 2013

Citation: Mehrabian, R. Modelling of biomass packed bed combustion, Ph.D. Thesis, Graz University of Technology, Graz, Austria, 2013.

Abstract

 Im Bereich der thermischen Biomassenutzung (speziell Rostfeuerungen) werden CFD-Simulationen eingesetzt, um Hilfestellung bei der Diagnose und Lösung von Betriebsproblemen zu leisten sowie bei der Entwicklung von neuen Feuerungen und Kesseln zu unterstützen. Zurzeit sind keine Modelle verfügbar, mit denen sowohl die Vorgänge im Brennstoffbett als auch in der Gasphase einer Biomasse-Rostfeuerung mit Hilfe von detaillierten numerischen Modellen bei akzeptabler Berechungszeit simuliert werden können. Um die direkte Kopplung des Bett-Modells mit der Gasphase zu bewerkstelligen, ist es nötig, ein geeignetes Partikel-Modell zu entwickeln, welches die thermische Konversion (Trocknung, Pyrolyse und Holzkohle-Ausbrand) von thermisch dicken Biomassepartikeln beschreibt und mit bereits vorhandenen CFD-Modellen für die Gasphasensimulation gekoppelt werden kann. In diesem Schalenmodell werden die einzelnen Biomassepartikel als thermisch dick behandelt, d.h. die Temperaturgradienten in den einzelnen Partikeln sowie der gleichzeitige Ablauf mehrerer Umwandlungsprozesse berücksichtigt. Das Schalenmodell wurde mit Hilfe von gemessenen Partikeloberflächen- und -zentrumstemperaturen sowie mit Messwerten des Gesamtmasseverlustes während der Verbrennung in einem Einzel-Partikelreaktor validiert. Ein weiteres Problem, das bei der Simulation von Biomasse-Rostfeuerungen auftritt, ist die Modellierung der Gas-Festkörper-Mehrphasenströmung. Das Modell muss dabei in der Lage sein, den Einfluss der Partikel-Partikel-Wechselwirkung währenden der Partikelbewegung am Rost korrekt zu beschreiben. Aus diesem Grund wurde durch Kopplung von Euler- und Lagrange Mehrphasenströmungs- Ansätzen ein neues, dreidimensionales Schüttungsmodell entwickelt. Dabei wird die Partikelbewegung am Rost mit Hilfe eines Euler-Ansatzes (Euler-Granular-Modell) beschrieben, während die thermische Umwandlung der Biomassepartikel mit Hilfe eines Lagrange-Ansatzes und dem entwickelten Einzelpartikelmodell beschrieben wird. Das 3D-Festbettmodell für Biomasserostfeuerungen wurde eingesetzt, um eine 20 kW Biomasse-Unterschubfeuerung zu simulieren. Da es keine experimentelle Daten hinsichtlich der Bedingungen im Brennstoffbett gab, wurden qualitative Informationen hinsichtlich der Positionen der Trocknungs-, Pyrolyse- und Holzkohle-Ausbrandzonen, sowie mit Thermoelementen gemessenen Rauchgastemperaturen an verschiedenen Positionen in der Brennkammer zum Vergleich mit den Simulationsergebnissen herangezogen. Des Weiteren erfolgte im Zuge dieser Arbeit eine Weiterentwicklung des Festbett-Modells, indem der Strahlungsaustausch zwischen den Partikeln sowie detaillierte kinetische Modelle für die Gasphasenverbrennung im Modell implementiert wurden. Das weiterentwickelte Modell wurde mit Hilfe von experimentellen Daten aus Testläufen in einem Festbett-Laborreaktor validiert. Diese Messdaten beinhalten gemessene Konzentrationen von CO, CO2, CH4, H2, H2O und O2 im Rauchgas über dem Brennstoffbett sowie Temperaturen in unterschiedlichen Positionen im Bett und über dem Bett. Die vorhergesagten Werte zeigten eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Werten.