TU Darmstadt / ULB / TUprints

Towards Predictive Simulations of Low-Emission Reactive Solid Fuel Systems

Nicolai, Hendrik (2022):
Towards Predictive Simulations of Low-Emission Reactive Solid Fuel Systems. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00021079,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Towards Predictive Simulations of Low-Emission Reactive Solid Fuel Systems
Language: English
Abstract:

The increasing worldwide energy demand presents a strong contrast to the required CO2 reduction to limit global warming. Although renewable energy sources are developing rapidly, fossil solid fuels are expected to still play an essential role in worldwide electricity production in the foreseeable future. Therefore, the decarbonization of the power sector presents a major task for reducing industrial emissions. For this purpose, carbon capture, utilization and storage is considered a key technology for carbon-neutral power generation. Among the possible carbon capture procedures, the oxy-fuel process is one promising technology for rapid CO2 cutbacks. In the oxy-fuel process, the nitrogen fraction of air is substituted by the much more chemically reactive and radiation-absorbing molecules CO2, resulting in significant changes in the combustion characteristics. One major advantage of oxy-fuel processes is that flue gases consist almost entirely of CO2 facilitating its utilization and storage. To exploit the high potential of retrofitting existing plants for applying the oxy-fuel process, comprehensive simulation tools that can accurately predict such systems are required. Considering the combustion part of the oxy-fuel process, three main modeling pillars can be identified: 1) turbulent mixing and heat transfer, 2) turbulent chemistry interactions, and 3) solid fuel kinetics. Due to the strong coupling of all these processes, the weakest model determines the overall error. Hence, all three modeling pillars must be addressed adequately to contribute to an efficient and predictive holistic model for simulating pulverized solid fuel combustion in air and oxy-fuel conditions. In this work, Large-Eddy Simulation with a detailed chemical description of the gas phase using flamelet-based chemistry tables accounts for the first two pillars. With respect to solid fuel kinetics, besides state-of-the-art coal conversion models, a recently developed seamless multi-step mechanism is used to describe the particle conversion. A series of different configurations with increasing size and complexity are investigated to validate the developed modeling strategies. First, investigations of particle groups in a laminar flow reactor enable detailed analyses of the ignition and combustion process. Subsequently, at the laboratory burner scale, investigations focus on flame stabilization in complex turbulent flows. Finally, in a pilot-scale burner, the investigation of the overall conversion process is carried out. This step-wise increase of complexity allows for a seamless validation of models under practical relevant conditions. Furthermore, the validated numerical simulations are used to gain new insights into the complex coupled phenomena occurring during solid fuel combustion in an oxy-fuel atmosphere.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Der weltweit steigende Energiebedarf steht im starken Kontrast zu der erforderlichen CO2-Reduzierung zur Begrenzung der globalen Erwärmung. Obwohl erneuerbare Energiequellen sich rasant entwickeln, werden feste fossile Brennstoffe in absehbarer Zukunft weiterhin von Wichtigkeit sein. Daher spielt die Dekarbonisierung des Energiesektors eine wichtige Rolle bei der Verringerung der Industrieemissionen. Hierfür ist die Kohlenstoffabscheidung und -speicherung eine Schlüsseltechnologie. Unter den möglichen Verfahren zur Kohlenstoffabscheidung stellt das Oxyfuel-Verfahren eine der aussichtsreichen Technologien für schnelle CO2-Einsparungen dar. Beim Oxyfuel-Verfahren wird der Stickstoffanteil der Luft durch CO2 ersetzt, was zu erheblichen Veränderungen der Verbrennungseigenschaften führt. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass die Abgase fast vollständig aus CO2 bestehen, was dessen Nutzung und Speicherung erleichtert. Um das große Potenzial der Nachrüstung bestehender Anlagen für das Oxyfuel-Verfahrens zu nutzen, sind detaillierte Simluations-Werkzeuge erforderlich, die eine genaue Vorhersage solcher Systeme ermöglichen. Betrachtet man den Verbrennungteil des Oxy-Fuel-Prozesses, so lassen sich drei Hauptsäulen für die Modellierung identifizieren: 1) Turbulente Mischung und Wärmeübertragung, 2) Turbulenz Chemie Interaktion und 3) Kinetik des festen Brennstoffes. Aufgrund der starken Kopplung aller Prozesse wird der Gesamtfehler durch das schwächste Modell bestimmt. Daher müssen alle drei Modellierungssäulen angemessen berücksichtigt werden, um zu einem effizienten und prädiktiven ganzheitlichen Modell für die Verbrennung fester Brennstoffe beizutragen. In dieser Arbeit werden die ersten beiden Säulen durch die Large-Eddy-Simulation, gekoppelt mit einer detaillierten Beschreibungen der Gasphasen Chemie mittels eines Flamelet-basierten Modells, abgedeckt. In Bezug auf die Brennstoffkinetik wird neben Standardmodellen insbesondere eine kürzlich entwickelte nahtlose mehrstufigen Kinetik zur Beschreibung der Partikelumwandlung verwendet. Eine Reihe verschiedener Konfigurationen mit zunehmender Größe und Komplexität werden untersucht, um die entwickelten Modellierungsstrategien zu validieren. Als erster Schritt ermöglicht die Untersuchung von einzelnen Partikeln und Partikelgruppen in einem Reaktor mit laminarer Strömung detaillierte Analysen des Zündungs- und Verbrennungsprozesses. Anschließend konzentrieren sich die Untersuchungen an einem Brenner im Labormaßstab auf die Flammenstabilisierung in komplexen, turbulenten Strömungen. Abschließend wird am Pilotbrenner der gesamte Umwandlungsprozess untersucht. Diese schrittweise Erhöhung der Komplexität ermöglicht eine nahtlose Validierung der Modelle unter praxisrelevanten Bedingungen. Darüber hinaus werden die validierten Simulationen genutzt, um neue Einblicke in die komplexen gekoppelten Phänomene zu gewinnen, die bei der Verbrennung fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre auftreten.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 192 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 16 May 2022 12:50
Last Modified: 16 May 2022 12:50
DOI: 10.26083/tuprints-00021079
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-210797
Referees: Janicka, Prof. Dr. Johannes ; Vervisch, Prof. Dr. Luc ; Hasse, Prof. Dr. Christian
Date of oral examination: 16 November 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21079
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