Modeling of solid fuel conversion processes for CFD applications

Mancini, Marco GND

The utilization of fossil fuels in industrial processes is not only reduced to the eld of combustion but is extended to other various technologies in which biomass or wastes are converted into more easily usable gases. The massive use of computers in today's engineering requires exible but accurate tools for calculating important quantities (for example the conversion level or the thermal eciency of specic reactors. Numerical simulations based on Computational Fluid Dynamic (CFD) software are the fundamental step towards such a tool since improvements in energy eciency, fuel exibility and capital eectiveness of modern solid fuel boilers as well as gasiers, increasingly rely on CFD modeling. The accuracy of CFD calculations is often limited by the lack of knowledge of fundamental conversion rate parameters since the need for eciency improvements is pushing the technologies towards higher temperatures and higher pressures, where measurements and modeling reach their limit of validity and accuracy. The primary objective of this work is then to explain and demonstrate how the CFD tool can be helpful in predicting solid fuel conversion for industrial applications with emphasis on high temperatures and high pressures processes. Attention will be given to the theory and the modeling needed for the description of the conversion of the solid. Since solid fuels are complex and heterogeneous, there is no single theory able to explain and predict all aspects of the complex thermo-chemical changes involved. In many situations, we must, therefore, rely on measurements to generate the parameters needed to feed the model. The correct mathematical analysis of those experiments is of fundamental importance for the further CFD calculation. It will be shown that CFD can help the analysis also of this preparatory step. Finally, it will be demonstrated that a high level of knowledge (and accuracy) is still nowadays a challenge for modeling. Detailed chemistry and high-performance computing are required, but also turbulence modeling must be improved. More sophisticated models and more advanced approaches can now be used since computer technology is so developed that memory, speed 1 2 and parallelization are easily obtainable. Following the advance in computing power, models can be rened in such details that they can be of use also in the interpretation of measured data. A well-established procedure in fuel characterization and solid fuels modeling at the Institute for Energy Process Engineering and Fuel Technology of The Clausthal University of Technology is based on the synergy between experiments and theory, in which both methods provide a substantial contribution to achieving the highest level of the description. The chapters of this book show examples and contain detailed information concerning the above-introduced methodology.

Die Nutzung fossiler Brennstoe in industriellen Prozessen beschrankt sich nicht nur auf den Bereich der Verbrennung, sondern erstreckt sich auch auf andere verschiedene Technologien, bei denen Biomasse oder Abfalle in leichter verwertbare Gase umgewandelt werden. Der massive Einsatz von Computern in der heutigen Technik erfordert exible, aber genaue Werkzeuge zur Berechnung wichtiger Groen (z. B. die Umwandlung eines Einsatzstoes oder den thermischen Wirkungsgrad bestimmter Reaktoren). Numerische Simulationen mit Hilfe von CFD-Software (Computational Fluid Dynamic) sind der grundlegende Schritt in Richtung eines solchen Werkzeugs, da Verbesserungen der Energieezienz, der Brennsto exibilitat und der Kapitalezienz moderner Anlagen (sowohl Kessel als auch Vergaser) sich zunehmend aus der CFD-Modellierung ergeben. Die Genauigkeit von CFD-Berechnungen wird oft durch die mangelnde Kenntnis grundlegender Umwandlungsgeschwindigkeitsparameter beschrankt. Der Bedarf an Ezienzverbesserungen treibt die Technologien in Richtung hoherer Temperaturen und hoherer Drucke, bei denen Messungen und Modellierungen an ihre Gultigkeits- und Genauigkeitsgrenzen stoen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es dann zu erklaren und zu demonstrieren, wie das CFD-Tool funktioniert und bei der Vorhersage der Umwandlung fester Brennstoe fur industrielle Anwendungen hilfreich sein kann, wobei der Schwerpunkt auf Prozesse mit hohen Temperaturen und hohen Drucken liegt. Es wird auf die Theorie und die Modellierung geachtet, die fur die Beschreibung der Umwandlung des Feststoes erforderlich ist. Da feste Brennstoe komplex und heterogen sind, gibt es nicht nur eine einzige Theorie, die alle Aspekte der komplexen thermochemischen Veranderungen erklaren und vorhersagen kann. In vielen Situationen mussen zur Versorgung des Modells daher Parameter aus Messungen benutzt werden. Die korrekte mathematische Analyse dieser Experimente ist fur die weitere CFD-Berechnung von grundlegender Bedeutung. Es wird gezeigt, dass CFD auch die Analyse dieses Schritts unterstutzen kann.

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Mancini, Marco: Modeling of solid fuel conversion processes for CFD applications. 2020.

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