CFD Modellierung der Kohlefragmentierung, -trocknung und -pyrolyse im bewegten Festbett eines COREX Einschmelzvergasers

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Abbildung der Kohle innerhalb eines reaktiven bewegten Festbettes am Beispiel des COREX Einschmelzvergasers. Aufgrund der Inhomogenität und Komplexität des Werkstoffs Kohle ist es notwendig detailliert die Eigenschaften der Kohle während der Erhitzung darzustellen. Die Abbildung des gasdurchströmten Festbettes erfolgt in einem CFD Programm. Hierzu wird ein Euler'sches Fluid zur Beschreibung der Impuls- und Energiebilanz verwendet. Zur Beschreibung der sich im Verlauf des Festbettes ändernden Kohleeigenschaften und auftretender Quellterme wird eine Lagrange'sche Formulierung mit masselosen Partikeln verwendet. Die Euler'sche und die Lagrange'sche Phase sind über Quellterme gekoppelt. Die Gasphase wird in einem eigenen, örtlich getrennten Modellgebiet berechnet und ebenfalls über Quellterme mit der Feststoffphase gekoppelt. Eine weitere Koppelung erfolgt über die Porosität. Es wurde ein Fragmentierungs- und Korngrößenmodell entwickelt, das auf Basis verschiedener Prozessparameter und empirisch ermittelten Fraktionsanteilsmatrizen die Fragmentierungsrate und damit die aktuelle Korngrößenzusammensetzung an jedem Ort im Modellgebiet berechnet. Die prozessbedingten Einflussgrößen auf die Fragmentierung sind: Feststoffdruck und Scherrate, Trocknungsrate, Pyrolyserate, Vergasungsrate und Aufheizrate. Die Bildung von Staub ohne totalen Bruch einzelner Partikel wurde über ein Teilmodell in Kombination mit der Scherrate innerhalb der Feststoffströmung berücksichtigt. Als Pyrolysemodell wurde ein Ansatz mit parallel laufenden Reaktionen erster Ordnung mit verteilten Aktivierungsenergien ausgewählt und in das Gesamtmodell integriert. Die Berechnung der Zusammensetzung der Flüchtigen Spezies auf Basis der Elementar- und Immediatanalyse erfolgt mit einem Satz von linearen Gleichungen. Die Validierung der Teilmodelle erfolgte anhand einfacher Geometrien. Hierbei hat sich eine gute Übereinstimmung mit den in der Literatur dokumentierten Versuchen gezeigt.<br />

This work focuses on modeling the behavior of coal within a moving bed COREX melter gasifier. Due to the complexity and inhomogeneity of coal it is necessary to investigate the properties of coal before going into detailed modeling. The implementation of the moving coal bed was done within the CFD code. A Eulerian Fluid was used for the momentum- and the energy balance. The distribution of the space- and time dependent properties of coal and its source terms was realized through a Lagrangian Formulation using massless particles. The Eulerian and the Lagrangian formulation are coupled trough source terms. The gas phase is also treated as an Eulerian fluid. It is calculated on a separate grid and coupled with the solid phase by source terms and by the volume fraction. A fragmentation- and particle size distribution model was implemented. It calculates the rate of fragmentation and the particle size distribution out of different chemical and physical processes. These are: solids pressure, strain rate, rate of water evaporation, rate of volatiles evolution, rate of gasification and rate of temperature change. The formation of dust is implemented through a separate sub model and is connected to the local strain rate. For coal devolatilization a model with several independent parallel running first order reactions and distributed activation energy was implemented. The calculation of the volatiles distribution is based on a system of linear equations. All sub models were validated on simple geometries. Good accordance to literature based experiments could be observed.