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3D Modelling and Simulation of Reactive Fluidized Beds for Conversion of Biomass with Discrete Element Method

Alobaid , Falah :
3D Modelling and Simulation of Reactive Fluidized Beds for Conversion of Biomass with Discrete Element Method.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: 3D Modelling and Simulation of Reactive Fluidized Beds for Conversion of Biomass with Discrete Element Method
Language: English
Abstract:

The use of biomass as a CO2–neutral renewable energy source gains more importance due to the decreasing resources of fossil fuels and their impact on the global warming. The thermochemical conversion of biomass in fluidized beds offers an economic and sustainable contribution to the global energy supply. Although the fluidized bed has reached a commercial status since many decades ago, its hydrodynamic behaviour is not completely understood. The availability of detail experimental information from real facilities is extremely difficult because the lack of accessibility, the measurement costs and the associated inevitable reduction in production. The numerical simulation provides an effective complement to the costly measurements. This requires besides the calculation of a gas-solid flow, an accurate description of particle–particle/wall collisions. Furthermore, kinetic models for pyrolysis, homogenous reactions, heterogeneous reactions and the related heat and mass transfer processes should be considered. Basically, there are two different methods for the representation of the gas–solid flow, viz. Euler–Euler and Euler–Lagrange models. The solid phase is treated as a continuum in the Euler–Euler model, while each particle trajectory is determined in the Euler–Lagrange model. In the Euler–Euler approach, the single particle-particle or particle-wall collision can be considered using additional assumptions. In the Euler–Lagrange approach, the particle-particle/wall collisions can be stochastically modeled or deterministically detected. The aim of this study is to develop a 3D program for the numerical simulation of biomass conversion in fluidized beds. The particle–particle/wall and gas–solid interactions are modeled by tracking all individual particles. For this purpose, the deterministic Euler–Lagrange/discrete element method (DEM) is applied and further developed. The fluid–particle interaction is studied using a new procedure, known as the offset method. The proposed method is highly precise in determining the interaction values, thus improving the simulation accuracy up to an order of magnitude. In this work, an additional grid, so-called particle grid, in which the physical values of solid phase is computed, is introduced. The suggested procedure allows the variation of the fluid grid resolution independent of the particle size and consequently improves the calculation accuracy. The collision detection between particle–particle/wall is performed with the aid of the particle search grid method. The use of the particle search grid method enhances the efficiency of collision detection between collision partners. The improved Euler–Lagrange/DEM model is validated towards the measurements obtained from a cold quasi–2D fluidized bed. The results suggest that the extended Euler–Lagrange/DEM model can predict accurately the motion of particles and the gas bubble expansion in the bed. The received results from the DEM model are also compared with other numerical approaches, namely the Euler-Euler and stochastic Euler–Lagrange models. Compared to measurements, the results show that the Euler–Euler model underestimates the bubble sizes and the bed expansions, while the stochastic Euler–Lagrange model reaches faster the maximum bed expansions. The efficiency and accuracy of the Euler–Lagrange/DEM model is investigated in detail. Parameter studies are carried out, in which stiffness coefficient, fluid time step and processor number are varied for different particle numbers and diameters. The obtained results are compared with the measurements in order to derive the optimum parameters for Euler–Lagrange/DEM simulations. The results suggest that the application of higher stiffness coefficients (more than 10^5 N/m) improves the simulation accuracy slightly, however, the average computing time increases exponentially. For time intervals larger than five milliseconds, the results show that the average computation time is independent of applied fluid time step, while the simulation accuracy decreases extremely by increasing the size of fluid time step. The use of fluid time steps smaller than five milliseconds leads to negligible improvements in the simulation accuracy, but to exponential rise in the average computing time. The parallel calculation accelerates the Euler–Lagrange/DEM simulation if the critical number of domain decomposition is not reached. Exceeding this number, the performance is not anymore proportional to the number of processors and the computational time increases again. The critical number of domain decomposition depends on particle numbers. An increase in solid contents results in a shift of critical decomposition number to higher numbers of CPUs. The local concentrations of solid and gaseous species, the local gas and particle temperatures, the local heat release and heat transfer rates can also be calculated with the developed program. In combination with the simulation of the gas–solid flow, it is possible to model the biomass conversion in the fluidized bed. Three series of warm simulations in a quasi–2D fluidized bed model are performed, viz. combustion with fuel gas without and with inert sand particles as well as combustion with solid fuel (a mixture of inert sand and pine wood particles). The received results realise the coupling of the Euler–Lagrange/DEM model with chemical reaction mechanism. The extended Euler–Lagrange/DEM model under the consideration of thermochemical reaction model is able to simulate, by the same token, the conversion of other solid fuels such as coal in fluidized beds.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Verwendung von Biomasse als CO2-neutraler, erneuerbarer Energieträger gewinnt aufgrund der abnehmenden Ressourcen an fossilen Brennstoffen, deren Auswirkungen auf die globale Erwärmung, zunehmend an Bedeutung. Die thermochemische Umwandlung von Biomasse in Wirbelschichten ermöglicht einen effizienten, wirtschaftlichen und nachhaltigen Beitrag zur weltweiten Energiebereitstellung. Obwohl die Wirbelschichttechnologie seit vielen Jahrzehnten kommerziell eingesetzt wird, ist das hydrodynamische Verhalten bisher noch nicht vollständig verstanden. Die experimentelle Datengewinnung gestaltet sich aufgrund der beschränkten Zugänglichkeit zum Reaktor, Kosten der Messung und dem damit verbundenen Rückgang der Produktion als sehr schwierig. Die numerische Simulation bietet eine leistungsstarke Ergänzung zu kostenintensiven Experimenten. Dies erfordert neben der Berechnung der Gas-Feststoff-Strömung eine genaue Beschreibung der Partikel-Partikel- und Partikel-Wand-Kollisionen. Darüber hinaus müssen kinetische Modelle für die Trocknung, Pyrolyse, Koksoxidation und Gasphasenreaktionen sowie die damit verbundenen Wärme- und Stoffübertragungsvorgänge betrachtet werden. Grundsätzlich gibt es zwei verschiedene Ansätze zur Darstellung von Gas-Feststoff-Strömungen, nämlich Euler-Euler und Euler-Lagrange-Modelle. Im Euler-Euler-Modell wird der Feststoff als Kontinuum behandelt, während im Gegensatz dazu im Euler-Lagrange-Modell jede Partikeltrajektorie direkt berechnet wird. Einzelne Partikel-Partikel/Wand-Kollisionen können bei der Euler-Euler Beschreibung lediglich durch zusätzliche Modellannahmen berücksichtigt werden. Beim Euler-Lagrange-Ansatz können Partikel-Partikel/Wand-Kollisionen entweder auf stochastischem Wege modelliert oder deterministisch detektiert werden. Das Ziel dieser Studie ist ein 3D-Programm für die numerische Simulation der Biomasseumwandlung in Wirbelschichten zu entwickeln. Das Programm soll die Flugbahnen der Partikel sowie die Gasströmung in der Wirbelschicht berechnen. Die Partikel-Partikel/Wand- sowie Fluid-Partikel-Interaktionen sollen durch die Betrachtung sämtlicher Einzelpartikel bestimmt werden. Hierfür wird die deterministisch Euler-Lagrange/Diskrete-Elemente-Methode (DEM) eingesetzt und weiterentwickelt. Die Fluid-Feststoff-Wechselwirkung wird mit Hilfe eines neuen Verfahrens, der sogenannten Offset-Methode, untersucht. Das vorgeschlagene Verfahren ist sehr präzise in der Bestimmung der Wechselwirkungsgrößen. Somit wird die Simulationsgenauigkeit um ca. eine Größenordnung verbessert. In dieser Arbeit wird ein zusätzliches Gitter -das sogenannte Partikelgitter- in dem die physikalischen Werte des Feststoffs berechnet werden, eingeführt. Die Partikelgittermethode ermöglicht es die Auflösung des Fluidgitters unabhängig von der Partikelgröße zu variieren. Dadurch wird die Simulationsgenauigkeit erheblich verbessert. Die Kollisionsdetektion zwischen Partikel-Partikel/Wand erfolgt mit der Suchgittermethode, welche die Effizienz der Kollisionserkennung optimiert. Die Simulationsergebnisse des entwickelten Euler-Lagrange/DEM Modells sind anhand von selbst durchgeführten Experimenten an einer kalten quasi 2D-Wirbelschicht-Versuchsanlage validiert worden. Die Ergebnisse legen nahe, dass das erweiterte Euler-Lagrange/DEM Modell die Feststoffverteilung sowie die Gasblasenexpansion im Wirbelschichtbett genau vorhersagen kann. Die erhaltenen Ergebnisse des DEM-Modells sind auch mit anderen numerischen Ansätzen, nämlich dem Euler-Euler- und dem stochastischen Euler-Lagrange-Modell, verglichen worden. Die Ergebnisse zeigen im Vergleich zum Experiment, dass das Euler-Euler-Modell die Betthöhe und die Gasblasengröße unterschätzt, während das stochastische Euler-Lagrange-Modell schneller die maximale Bettexpansion erreicht. Die Effizienz und Genauigkeit des erweiterten Euler-Lagrange/DEM-Modells wird im Detail analysiert. Es wurden Parameterstudien durchgeführt, in denen der Steifigkeitskoeffizient, die Fluid-Zeitschrittweite und die Prozessoranzahl für verschiedene Feststoffbeladungen und Durchmesser variiert wurden. Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit den Messungen verglichen, um daraus die optimalen Parameter für Euler-Lagrange/DEM-Simulationen herzuleiten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Anwendung der höheren Steifigkeitskoeffizienten (mehr als 10^5 N/m) die Genauigkeit der Simulation leicht verbessert, jedoch erhöht sich dabei die durchschnittliche Rechenzeit exponentiell. Für Zeitintervalle größer als fünf Millisekunden zeigt sich, dass die durchschnittliche Rechenzeit unabhängig von der verwendeten Fluid-Zeitschrittweite ist, allerdings die Genauigkeit der Simulation durch die Vergrößerung der Fluid-Zeitschrittweite extrem abnimmt. Fluidzeitschrittweiten kleiner als fünf Millisekunden führen zu geringfügigen Verbesserungen in der Simulationsgenauigkeit, bei gleichzeitig exponentiellem Anstieg in der durchschnittlichen Rechenzeit. Die parallele Berechnung beschleunigt die Euler-Lagrange/DEM-Simulation, solange die kritische Anzahl von Domainzerlegungen nicht erreicht wird. Wird diese kritische Zahl überschritten, ist die Leistung nicht mehr proportional zu der Anzahl der CPUs und die Rechenzeit nimmt mit der Anzahl der Prozessoren wieder zu. Die kritische Anzahl der Domainzerlegungen hängt von den Partikelanzahl ab. Eine Erhöhung des Feststoffgehalts resultiert in einer Verschiebung der kritischen Zahl hin zu einer höheren Anzahl an CPUs. Mit dem entwickelten Programm können auch die lokalen Konzentrationen der festen bzw. gasförmigen Stoffe, die lokalen Gas- und Partikeltemperaturen sowie die lokalen Wärme-freisetzungs- bzw. Wärmeübertragungsraten berechnet werden. In Kombination mit der Simulation der Gas-Feststoff-Strömung ist es möglich, die Umwandlung von Biomasse in der Wirbelschicht zu modellieren. Drei Reihen von warmen Simulationen wurden in einem quasi 2D-Wirbelschicht Modell durchgeführt, nämlich die Verbrennung mit Brenngas ohne und mit inerten Sandpartikeln sowie die Verbrennung mit festem Brennstoff (eine Mischung aus inerten Sandpartikeln und Kiefernholz). Hierdurch realisieren die erhaltenen Ergebnisse die Kopplung zwischen Euler-Lagrange/DEM und den chemischen Reaktionsmechanismen. Der entwickelte Quellcode ist in der Lage die Umwandlung von anderen festen Brennstoffen in Wirbelschichten, wie z.B. Kohle numerisch zu beschreiben.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Renewable energies, Biomass, Fluidized bed, Multiple-phase flow, Computational fluid dynamics, Discrete element method
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
erneuerbare Energien, Biomasse, Wirbelschicht, Mehrphasenströmungen, Numerische Strömungsmechanik, Diskrete-Elemente-MethodeGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institut für Energiesysteme und Energietechnik (EST)
Date Deposited: 30 Aug 2013 13:03
Last Modified: 30 Aug 2013 13:03
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-35790
Referees: Epple, Prof. Dr. Bernd and Sadiki, Prof. Dr. Amsini and Rinderknecht, Prof. Dr. Stephan and Klingauf, Prof. Dr. Uwe and Abele , Prof. Dr. Eberhard
Refereed: 17 July 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3579
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