Mit Hilfe eines variabel einsetzbaren Reaktornetzwerkmodells (RNM) wird in der vorliegenden Dissertation der Prozess der Vergasung von Brennstoffmischungen in der Fließbildsimulation beschrieben. Neben der Untersuchung von gestuften Prozessketten zur Veredelung von kohlenstoffhaltigen Energieträgern ist damit auch die differenzierte Analyse von Effekten während der Vergasung von binären und ternären Brennstoffmischungen möglich. Die Erstellung sowie Validierung des RNM wird anhand des PEFR-Vergasers, des SFGT-Vergasers und des Hybridwandvergaser vorgenommen. Die anschließende Analyse der Vergasung von Brennstoffmischungen zeigt, dass in ihren Eigenschaften sehr heterogene Brenn¬stoffmischungen Synergieeffekte bei der Vergasung hervorrufen. Diese sind in der Literatur schon oft beschrieben worden, eine systematische Analyse wird jedoch erst in der vorliegenden Dissertation durchgeführt. / Within this document the modeling and simulation of fuel blend gasification is investigated based on a variably applicable Reduced Order Model (ROM) developed for the flowsheet simulation of entrained-flow gasification reactors and processes. On one hand this enables the investigation of cascaded solid fuel conversion technologies and on the other hand effects during gasification of binary and ternary fuel blends are describable. The development as well as the validation of the ROM has been carried out for the SFGT gasifier, the PEFR gasifier and the hybrid-wall gasifier. The subsequent analysis of binary and ternary fuel blend gasification shows that fuel blends with very heterogeneous component properties induce synergy effects which have been reported in various peer review publications.

Die vorliegende Habilitationsschrift stellt den erreichten Stand der CFD-basierten Modellierung ein- und mehrphasiger Hochtemperaturprozesse dar. Die hierzu vorgelegten Arbeiten umfassen die Hochdruck-Partialoxidation von Erdgas, die Vergasung fester Einsatzstoffe in einem endothermen Flugstromreaktor und in einem mehrstufigen Wirbelschichtprozess sowie die Synthesegasaufbereitung in einem neuen Quenchreaktor. Der Forschungsschwerpunkt reicht dabei von der Entwicklung neuer Korrelationen zur Beschreibung der Strömungskräfte und des Wärmeübergangs basierend auf partikelaufgelösten Rechenmodellen über die Modellierung der thermochemischen Konversion reaktiver Einzelpartikel bis hin zur Berechnung und Optimierung unterschiedlicher Hochtemperaturreaktoren. / This habilitation thesis discusses the state of the art for the CFD modeling of single-phase and multi-phase high-temperature processes. The presented publications comprise the high-pressure partial oxidation of natural gas, the gasification of solid fuels in entrained-flow gasifiers and multi-stage fluidized-bed gasifier as well as the syngas treatment in a new quench reactor. The scientific approach covers the development of new correlations for flow forces and heat transfer based on particle-resolved numerical models, the modeling of the thermochemical conversion of reactive single particles, and the calculation and optimization of different high-temperature processes.

Mit Hilfe eines variabel einsetzbaren Reaktornetzwerkmodells (RNM) wird in der vorliegenden Dissertation der Prozess der Vergasung von Brennstoffmischungen in der Fließbildsimulation beschrieben. Neben der Untersuchung von gestuften Prozessketten zur Veredelung von kohlenstoffhaltigen Energieträgern ist damit auch die differenzierte Analyse von Effekten während der Vergasung von binären und ternären Brennstoffmischungen möglich. Die Erstellung sowie Validierung des RNM wird anhand des PEFR-Vergasers, des SFGT-Vergasers und des Hybridwandvergaser vorgenommen. Die anschließende Analyse der Vergasung von Brennstoffmischungen zeigt, dass in ihren Eigenschaften sehr heterogene Brenn¬stoffmischungen Synergieeffekte bei der Vergasung hervorrufen. Diese sind in der Literatur schon oft beschrieben worden, eine systematische Analyse wird jedoch erst in der vorliegenden Dissertation durchgeführt.:Nomenklatur XIV 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 VERGASUNG 3 2.1.1 Vergasungsreaktionen 3 2.1.2 Vergasungskennzahlen 4 2.1.3 Modellierung der Vergasung 6 2.2 CO-VERGASUNG 8 2.2.1 Brennstoffe 8 2.2.2 Großtechnische Anwendung 8 2.2.3 Experimentelle Arbeiten 10 2.2.4 Modellierung und Simulation 13 2.2.5 Synergieeffekte 13 2.3 STOFFGEFÜHRTE PROZESSKETTE 15 2.4 BRENNSTOFFAUSWAHL UND BRENNSTOFFEIGENSCHAFTEN 16 2.5 ABLEITUNG DER AUFGABENSTELLUNG UND METHODIK 19 3 Entwicklung des Reaktornetzwerkmodells 22 3.1 MODELLIERUNGSUMGEBUNG 23 3.2 THERMODYNAMISCHE ZUSTANDSGLEICHUNG 23 3.3 STOFFDATENBANK 24 3.4 STRÖMUNGSBEDINGUNGEN IM FLUGSTROMREAKTOR 25 3.4.1 Zonenmodell 25 3.4.2 Verweilzeitverhalten 29 3.5 PARTIKELMODELL 31 3.6 MODELLIERUNG DER REAKTORZONEN 35 3.6.1 Nahbrennerzone (Zone I) 35 3.6.2 Jetzone (Zone II) 36 3.6.3 Rezirkulationszone (Zone III) 41 3.6.4 Auslaufzone (Zone IV) 41 3.6.5 Wasserquench (Zone V) 41 3.7 REGELMECHANISMEN 42 3.7.1 Regelung der Aschefließtemperatur 42 3.7.2 Regelung des Kohlenstoffumsatzgrades 46 3.7.3 Regelung der maximalen Reaktoraustrittstemperatur 47 3.7.4 Kombinierte Regelung 47 3.8 LÖSUNGSALGORITHMEN UND KONVERGENZVERHALTEN 48 4 Validierung des Reaktornetzwerkmodells 51 4.1 REAKTORNETZWERKMODELL PEFR-VERGASER 51 4.1.1 Aufbau des PEFR-RNM 51 4.1.2 Validierung des PEFR-RNM 54 4.2 REAKTORNETZWERKMODELL SFGT-VERGASER 61 4.2.1 Aufbau des SFGT-RNM 61 4.2.2 Validierung des SFGT-RNM 62 4.3 REAKTORNETZWERKMODELL HYBRIDWANDVERGASER 74 4.3.1 Beschreibung der Technologie Hybridwandvergaser 74 4.3.2 Aufbau des Hybridwandvergaser-RNM 75 4.3.3 Validierung des Hybridwandvergaser-RNM 78 5 RNM-Analyse der Vergasung von Brennstoffmischungen 85 5.1 VORÜBERLEGUNGEN 85 5.1.1 Festlegung der Randbedingungen 85 5.1.2 Thermische Vergaserleistung 86 5.1.3 Simulationsdauer und Automatisierung 87 5.2 AUSWERTUNG DER RNM-ANALYSE VON BRENNSTOFFMISCHUNGEN 89 5.2.1 RNM-Analyse BSM-BRP (binär) im SFGT-Vergaser 89 5.2.2 RNM-Analyse BSM-BRP (ternär) im SFGT-Vergaser 95 5.2.3 RNM-Analyse BSM-ibi (binär) im SFGT-Vergaser 100 5.2.4 RNM-Analyse BSM-ibi (ternär) im SFGT-Vergaser 102 5.3 DISKUSSION DER ERGEBNISSE AUS RNM-ANALYSE 106 5.4 BSM-DIAGRAMME FÜR VERGASERBETRIEB 109 5.4.1 BSM-Diagramme für SFGT-Vergaser 109 5.4.2 BSM-Diagramme für Hybridwandvergaser 112 6 Zusammenfassung und Ausblick 117 Literatur 121 Abbildungsverzeichnis 133 Tabellenverzeichnis 141 Anhang 145 / Within this document the modeling and simulation of fuel blend gasification is investigated based on a variably applicable Reduced Order Model (ROM) developed for the flowsheet simulation of entrained-flow gasification reactors and processes. On one hand this enables the investigation of cascaded solid fuel conversion technologies and on the other hand effects during gasification of binary and ternary fuel blends are describable. The development as well as the validation of the ROM has been carried out for the SFGT gasifier, the PEFR gasifier and the hybrid-wall gasifier. The subsequent analysis of binary and ternary fuel blend gasification shows that fuel blends with very heterogeneous component properties induce synergy effects which have been reported in various peer review publications.:Nomenklatur XIV 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 3 2.1 VERGASUNG 3 2.1.1 Vergasungsreaktionen 3 2.1.2 Vergasungskennzahlen 4 2.1.3 Modellierung der Vergasung 6 2.2 CO-VERGASUNG 8 2.2.1 Brennstoffe 8 2.2.2 Großtechnische Anwendung 8 2.2.3 Experimentelle Arbeiten 10 2.2.4 Modellierung und Simulation 13 2.2.5 Synergieeffekte 13 2.3 STOFFGEFÜHRTE PROZESSKETTE 15 2.4 BRENNSTOFFAUSWAHL UND BRENNSTOFFEIGENSCHAFTEN 16 2.5 ABLEITUNG DER AUFGABENSTELLUNG UND METHODIK 19 3 Entwicklung des Reaktornetzwerkmodells 22 3.1 MODELLIERUNGSUMGEBUNG 23 3.2 THERMODYNAMISCHE ZUSTANDSGLEICHUNG 23 3.3 STOFFDATENBANK 24 3.4 STRÖMUNGSBEDINGUNGEN IM FLUGSTROMREAKTOR 25 3.4.1 Zonenmodell 25 3.4.2 Verweilzeitverhalten 29 3.5 PARTIKELMODELL 31 3.6 MODELLIERUNG DER REAKTORZONEN 35 3.6.1 Nahbrennerzone (Zone I) 35 3.6.2 Jetzone (Zone II) 36 3.6.3 Rezirkulationszone (Zone III) 41 3.6.4 Auslaufzone (Zone IV) 41 3.6.5 Wasserquench (Zone V) 41 3.7 REGELMECHANISMEN 42 3.7.1 Regelung der Aschefließtemperatur 42 3.7.2 Regelung des Kohlenstoffumsatzgrades 46 3.7.3 Regelung der maximalen Reaktoraustrittstemperatur 47 3.7.4 Kombinierte Regelung 47 3.8 LÖSUNGSALGORITHMEN UND KONVERGENZVERHALTEN 48 4 Validierung des Reaktornetzwerkmodells 51 4.1 REAKTORNETZWERKMODELL PEFR-VERGASER 51 4.1.1 Aufbau des PEFR-RNM 51 4.1.2 Validierung des PEFR-RNM 54 4.2 REAKTORNETZWERKMODELL SFGT-VERGASER 61 4.2.1 Aufbau des SFGT-RNM 61 4.2.2 Validierung des SFGT-RNM 62 4.3 REAKTORNETZWERKMODELL HYBRIDWANDVERGASER 74 4.3.1 Beschreibung der Technologie Hybridwandvergaser 74 4.3.2 Aufbau des Hybridwandvergaser-RNM 75 4.3.3 Validierung des Hybridwandvergaser-RNM 78 5 RNM-Analyse der Vergasung von Brennstoffmischungen 85 5.1 VORÜBERLEGUNGEN 85 5.1.1 Festlegung der Randbedingungen 85 5.1.2 Thermische Vergaserleistung 86 5.1.3 Simulationsdauer und Automatisierung 87 5.2 AUSWERTUNG DER RNM-ANALYSE VON BRENNSTOFFMISCHUNGEN 89 5.2.1 RNM-Analyse BSM-BRP (binär) im SFGT-Vergaser 89 5.2.2 RNM-Analyse BSM-BRP (ternär) im SFGT-Vergaser 95 5.2.3 RNM-Analyse BSM-ibi (binär) im SFGT-Vergaser 100 5.2.4 RNM-Analyse BSM-ibi (ternär) im SFGT-Vergaser 102 5.3 DISKUSSION DER ERGEBNISSE AUS RNM-ANALYSE 106 5.4 BSM-DIAGRAMME FÜR VERGASERBETRIEB 109 5.4.1 BSM-Diagramme für SFGT-Vergaser 109 5.4.2 BSM-Diagramme für Hybridwandvergaser 112 6 Zusammenfassung und Ausblick 117 Literatur 121 Abbildungsverzeichnis 133 Tabellenverzeichnis 141 Anhang 145

Die vorliegende Habilitationsschrift stellt den erreichten Stand der CFD-basierten Modellierung ein- und mehrphasiger Hochtemperaturprozesse dar. Die hierzu vorgelegten Arbeiten umfassen die Hochdruck-Partialoxidation von Erdgas, die Vergasung fester Einsatzstoffe in einem endothermen Flugstromreaktor und in einem mehrstufigen Wirbelschichtprozess sowie die Synthesegasaufbereitung in einem neuen Quenchreaktor. Der Forschungsschwerpunkt reicht dabei von der Entwicklung neuer Korrelationen zur Beschreibung der Strömungskräfte und des Wärmeübergangs basierend auf partikelaufgelösten Rechenmodellen über die Modellierung der thermochemischen Konversion reaktiver Einzelpartikel bis hin zur Berechnung und Optimierung unterschiedlicher Hochtemperaturreaktoren. / This habilitation thesis discusses the state of the art for the CFD modeling of single-phase and multi-phase high-temperature processes. The presented publications comprise the high-pressure partial oxidation of natural gas, the gasification of solid fuels in entrained-flow gasifiers and multi-stage fluidized-bed gasifier as well as the syngas treatment in a new quench reactor. The scientific approach covers the development of new correlations for flow forces and heat transfer based on particle-resolved numerical models, the modeling of the thermochemical conversion of reactive single particles, and the calculation and optimization of different high-temperature processes.

The design and optimization of entrained flow gasifiers is conducted more and more via computational fluid dynamics (CFD). A detailed resolution of single coal particles within such simulations is nowadays not possible due to computational limitations. Therefore the coal particle conversion is often represented by simple 0-D models. For an optimization of such 0-D models a precise understanding of the physical processes at the boundary layer and within the particle is necessary. In real gasifiers the particles experience Reynolds numbers up to 10000. However in the literature the conversion of coal particles is mainly regarded under quiescent conditions. Therefore an analysis of the conversion of single particles is needed. Thereto the computational fluid dynamics can be used. For the detailed analysis of single reacting particles under flow conditions a CFD model is presented. Practice-oriented parameters as well as features of the CFD model result from CFD simulations of a Siemens 200MWentrained flow gasifier. The CFD model is validated against an analytical model as well as two experimental data-sets taken from the literature. In all cases good agreement between the CFD and the analytics/experiments is shown. The numerical model is used to study single moving solid particles under combustion conditions. The analyzed parameters are namely the Reynolds number, the ambient temperature, the particle size, the operating pressure, the particle shape, the coal type and the composition of the gas. It is shown that for a wide range of the analyzed parameter range no complete flame exists around moving particles. This is in contrast to observations made by other authors for particles in quiescent atmospheres. For high operating pressures, low Reynolds numbers, large particle diameters and high ambient temperatures a flame exists in the wake of the particle. The impact of such a flame on the conversion of the particle is low. For high steam concentrations in the gas a flame appears, which interacts with the particle and influences its conversion. Furthermore the impact of the Stefan-flow on the boundary layer of the particle is studied. It is demonstrated that the Stefan-flow can reduce the drag coefficient and the Nusselt number for several orders of magnitude. On basis of the CFD results two new correlations are presented for the drag coefficient and the Nusselt number. The comparison between the correlations and the CFD shows a significant improvement of the new correlations in comparison to archived correlations. The CFD-model is further used to study moving single porous particles under gasifying conditions. Therefore a 2-D axis-symmetric system of non-touching tori as well as a complex 3-D geometry based on the an inverted settlement of monodisperse spheres is utilized. With these geometries the influence of the Reynolds number, the ambient temperature, the porosity, the intrinsic surface and the size of the radiating surface is analyzed. The studies show, that the influence of the flow on the particle conversion is moderate. In particular the impact of the flow on the intrinsic transport and conversion processes is mainly negligible. The size of the radiating surface has a similar impact on the conversion as the flow in the regarded parameter range. On basis of the CFD calculations two 0-D models for the combustion and gasification of moving particles are presented. These models can reproduce the results predicted by the CFD sufficiently for a wide parameter range.

The design and optimization of entrained flow gasifiers is conducted more and more via computational fluid dynamics (CFD). A detailed resolution of single coal particles within such simulations is nowadays not possible due to computational limitations. Therefore the coal particle conversion is often represented by simple 0-D models. For an optimization of such 0-D models a precise understanding of the physical processes at the boundary layer and within the particle is necessary. In real gasifiers the particles experience Reynolds numbers up to 10000. However in the literature the conversion of coal particles is mainly regarded under quiescent conditions. Therefore an analysis of the conversion of single particles is needed. Thereto the computational fluid dynamics can be used. For the detailed analysis of single reacting particles under flow conditions a CFD model is presented. Practice-oriented parameters as well as features of the CFD model result from CFD simulations of a Siemens 200MWentrained flow gasifier. The CFD model is validated against an analytical model as well as two experimental data-sets taken from the literature. In all cases good agreement between the CFD and the analytics/experiments is shown. The numerical model is used to study single moving solid particles under combustion conditions. The analyzed parameters are namely the Reynolds number, the ambient temperature, the particle size, the operating pressure, the particle shape, the coal type and the composition of the gas. It is shown that for a wide range of the analyzed parameter range no complete flame exists around moving particles. This is in contrast to observations made by other authors for particles in quiescent atmospheres. For high operating pressures, low Reynolds numbers, large particle diameters and high ambient temperatures a flame exists in the wake of the particle. The impact of such a flame on the conversion of the particle is low. For high steam concentrations in the gas a flame appears, which interacts with the particle and influences its conversion. Furthermore the impact of the Stefan-flow on the boundary layer of the particle is studied. It is demonstrated that the Stefan-flow can reduce the drag coefficient and the Nusselt number for several orders of magnitude. On basis of the CFD results two new correlations are presented for the drag coefficient and the Nusselt number. The comparison between the correlations and the CFD shows a significant improvement of the new correlations in comparison to archived correlations. The CFD-model is further used to study moving single porous particles under gasifying conditions. Therefore a 2-D axis-symmetric system of non-touching tori as well as a complex 3-D geometry based on the an inverted settlement of monodisperse spheres is utilized. With these geometries the influence of the Reynolds number, the ambient temperature, the porosity, the intrinsic surface and the size of the radiating surface is analyzed. The studies show, that the influence of the flow on the particle conversion is moderate. In particular the impact of the flow on the intrinsic transport and conversion processes is mainly negligible. The size of the radiating surface has a similar impact on the conversion as the flow in the regarded parameter range. On basis of the CFD calculations two 0-D models for the combustion and gasification of moving particles are presented. These models can reproduce the results predicted by the CFD sufficiently for a wide parameter range.:List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .XIII Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIX 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.1 State of the Art in Carbon Conversion Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Combustion of Solid Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Gasification of Porous Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.2 Classification of the Present Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 1.3 Overview of the Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2 Basic Theory and Model Formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 Geometry and Length Scales of Coal Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 2.2 Conditions in a Siemens Like 200 MW Entrained Flow Gasifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.1 Velocity Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 2.2.2 Temperature Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.3 Particle Volume Fraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19 2.3 Time Scales of the Physical Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Basic Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 2.5 Conservation Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.6 Gas Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 2.7 Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.8 Numerics and Solution Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 2.9 Mesh and Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 3 CFD-based Oxidation Modeling of a Non-Porous Carbon Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 3.1 Chemical Reaction System for Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 3.1.1 Heterogeneous Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 3.1.2 Homogeneous Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 3.1.3 Comparison of the Semi-Global vs. Reduced Reaction Mechanisms for the Gas Phase . .41 3.2 Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 3.2.1 Validation Against an Analytical Solution of the Two-Film Model . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 3.2.2 Validation Against Experiments I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.2.3 Validation Against Experiments II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 3.3 Influence of Ambient Temperature and Reynolds Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 3.4 Influence of Heterogeneous Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.5 Influence of Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 3.6 Influence of Operating Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66 3.7 Influence of Particle Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 3.8 The influence of Particle Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.9 Impact of Stefan Flow on the Boundary Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.9.1 Impact of Stefan Flow on the Drag Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 3.9.2 Impact of Stefan Flow on the Nusselt and Sherwood Number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 3.10 Single-Film Sub-Model vs. CFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4 CFD-based Numerical Modeling of Partial Oxidation of a Porous Carbon Particle . . . . . . . . . .99 4.1 Chemical Reaction System for Gasification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.1.1 Heterogeneous Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100 4.1.2 Homogeneous Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.2 Two-Dimensional Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.2.1 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.2.2 Influence of Reynolds Number and Ambient Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 4.2.3 Influence of Porosity and Internal Surface . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.3 Comparative Three-Dimensional Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 4.3.1 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .126 4.3.2 Results of the 3-D Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.4 Extended Sub-Model for Gasification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138 5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .141 5.1 Summary of This Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141 5.2 Recommendations for Future Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145 6 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.1 Appendix I: Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 6.2 Appendix II: Two-Film Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.3 Appendix III: Sub-Model for the Combustion of Solid Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 6.4 Appendix IV: Sub-Model for the Gasification of Porous Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161