Erlangen, Nürnberg, Universiẗat, Diss., 2003. / Dateien im PDF-Format.

Zugl.: Wien, Techn. Universiẗat, Diss., 2007.

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2008

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2009

Zugl.: Erlangen, Nürnberg, Univ., Diss., 2009

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2008

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Simulationsansätze angewandt um die Hydrodynamik in einem neu entwickelten Wirbelschichtvergaser zu untersuchen. Die Ansätze umfassen a) entdimensionalisierter Ähnlichkeitskennzahlen und empirischer Gleichungen, b) 1D Simulationen mittels ASPEN Plus®, c) 3D CFD Simulationen mittels Ansys Fluent® zur detaillierten Abbildung der zu erwartenden Hydrodynamik. Vor- und Nachteile der jeweiligen Ansätze sowie Klassen von ermittelbaren Simulationsdaten werden diskutiert. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Identifizierung geeigneter Experimente aus der Literatur, auf Basis von Ähnlichkeitskennzahlen, um die Simulationen zu validieren. Die Vergasersimulationen zeigen, dass sich erwartungsgemäß ein aus hydrodynamischer Sicht gestufter Prozess ausbildet. Die entstehenden Zonen lassen sich als Festbett, blasenbildende Wirbelschicht, Jet-Wirbelschicht mit Rezirkulationszelle und strähnenbildende, zirkulierende Wirbelschicht identifizieren und entsprechen demnach dem Verfahrensanspruch.

Die Arbeit zeigt wichtige Nutzungswege von fester Biomasse in Form von Holzhackschnitzel (HHS). Einleitend wird das Potenzial und der derzeitige Stand dargestellt. Es werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften mit dem Schwerpunkt Wassergehalt in bezug auf die energetische Nutzung der HHS behandelt. Kerne der Nutzungswege bilden dabei die Vergasung im Gleichstromvergaser und die Co-Verbrennung in der Zirkulierenden Wirbelschicht. Mit Hilfe eines Versuchsvergasers werden die Auswirkungen von HHS-Eigenschaften auf den Betrieb untersucht. Der Modellvergaser IGEL bietet durch seine Konstruktion die Möglichkeit, innere Vorgänge zu beleuchten und Messungen in verschiedenen Vergaserebenen durchzuführen. Die Auswirkungen von verschiedenen Brennstoffchargen mit unterschiedlichem Wassergehalt führten zu Änderungen in der Gaszusammensetzung. Eigene Untersuchungen ermittelten einen Grenzwassergehalt, mit dem der Vergaser noch betrieben werden kann. Die Experimente an der Pilotanlage mit zirkulierender atmosphärischer Wirbelschicht befass-ten sich mit der wichtigen Frage, ob und welches NOx-Minderungspotenzial beim Einsatz von Biomasse vorliegt. Die mathematische Modellierung verdeutlicht die Nutzbarkeit von Simulationsprogrammen bei der Untersuchung von Einflüssen der Co-Verbrennung auf die NOx-Bildung. Hier wurden die Gesichtspunkte der Luftzahl, der Luftstufung, des Wassergehaltes, das Mischungsverhältnis und die Brennstoffstufung betrachtet. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung führt zu dem Ergebnis, dass Anlagen zur reinen Stromerzeugung mit Biomasse nur nahe der gesetzlichen Höchstleistung von 20 MWel zur Einspeisevergütung von wirtschaftlich betrieben werden können. Die ökologisch und ökonomisch günstigste Variante stellt die Co-Verbrennung in vorhandenen Anlagen dar. Die Kalkulationen zu den in Deutschland benötigten 20-MWel-Anlagen verdeutlichen, dass bei den gegenwärtig geplanten Heizkraftwerken das Potenzial an HHS schnell aufgebraucht ist.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Simulationsansätze angewandt um die Hydrodynamik in einem neu entwickelten Wirbelschichtvergaser zu untersuchen. Die Ansätze umfassen a) entdimensionalisierter Ähnlichkeitskennzahlen und empirischer Gleichungen, b) 1D Simulationen mittels ASPEN Plus®, c) 3D CFD Simulationen mittels Ansys Fluent® zur detaillierten Abbildung der zu erwartenden Hydrodynamik. Vor- und Nachteile der jeweiligen Ansätze sowie Klassen von ermittelbaren Simulationsdaten werden diskutiert. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Identifizierung geeigneter Experimente aus der Literatur, auf Basis von Ähnlichkeitskennzahlen, um die Simulationen zu validieren. Die Vergasersimulationen zeigen, dass sich erwartungsgemäß ein aus hydrodynamischer Sicht gestufter Prozess ausbildet. Die entstehenden Zonen lassen sich als Festbett, blasenbildende Wirbelschicht, Jet-Wirbelschicht mit Rezirkulationszelle und strähnenbildende, zirkulierende Wirbelschicht identifizieren und entsprechen demnach dem Verfahrensanspruch.:1 INTRODUCTION 1 1.1 Market Situation 1 1.2 Objective Work 3 1.3 Structure of this Work 4 2 FUNDAMENTAL CONSIDERATIONS 5 2.1 Fundamentals of Gasification and Gasifiers 5 2.1.1 Counter-Current Fixed-Bed Gasifiers 7 2.1.2 Fluidized-Bed Gasifiers 9 2.1.3 Entrained-Flow Gasifiers 10 2.1.4 Technology Development Trends 11 2.1.5 Conclusion 12 2.2 Fundamentals of Fluidized-Bed Systems 13 2.2.1 Particle Characterization 13 2.2.2 Types of Fluidized Beds and Key Parameters 15 2.2.3 Fast-Fluidized Beds 18 2.2.4 Jetting-Fluidized Beds 19 2.2.5 Spouted Beds 24 2.2.6 Conclusion 27 3 APPROACHES TO ASSESS FLUIDIZED BEDS 28 3.1 Empirical Simulation 28 3.1.1 Nondimensional groups 28 3.1.2 Conclusion 36 3.2 Simulation with ASPEN Plus® 36 3.3 CFD Simulation 38 3.3.1 Modelling Approaches for Numerical Simulation of Fluidized Beds 38 3.3.2 Two Fluid Model (TFM) 40 3.3.3 Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) 44 3.3.4 Conclusion 46 4 COORVED GASIFICATION CONCEPT 48 4.1 Concept of Staged Conversion 48 4.1.1 Drawbacks of Conventional Fluidized-Bed Gasifiers 48 4.1.2 Basic Concept COORVED Gasifier 49 4.1.3 COORVED – Fixed-Bed Zone 49 4.1.4 COORVED – Bubbling-Bed Zone 50 4.1.5 COORVED – Jetting-Bed Zone 50 4.1.6 COORVED – Fast-Bed Zone 51 4.1.7 Conclusion 51 4.2 Test Facility and Reactor Design 52 4.3 Cold Flow Test Unit 53 4.4 Reference Cases 54 4.4.1 Solids Characterization 54 4.4.2 Gas Phase Properties 54 5 COORVED REACTOR IN FLOW REGIME DIAGRAMS 56 5.1 Reh Diagram for the Reference Case 56 5.2 Reh Diagram for Experimental Campaigns and CFD Case 57 5.3 Regime Diagrams for the Jetting-Bed Zone 60 5.4 Conclusion 61 6 CFD SIMULATION OF COORVED REACTOR 62 6.1 Verification of Multiphase CFD Setup 62 6.1.1 Parallelization 64 6.1.2 Pressure Drop and Minimum Fluidization Velocity 65 6.1.3 Conclusion 67 6.2 Grid Study 68 6.2.1 Pressure Drop 69 6.2.2 Voidage Profiles 69 6.2.3 Velocity Profiles 71 6.2.4 Conclusion 72 6.3 Validation Experiment Bubbling Bed and Fast Bed 72 6.3.1 Experimental Setup Holland 73 6.3.2 Simulation Setup 75 6.3.3 Results 77 6.3.4 Conclusion 84 6.4 Validation Experiment Jetting Bed 85 6.4.1 Experimental Setup 85 6.4.2 Simulation Setup 87 6.4.3 Results 88 6.4.4 Conclusion 95 6.5 CFD Simulation COORVED 96 6.5.1 Computational Grid 97 6.5.2 Cold Flow, Single Phase Jet 97 6.5.3 CFD setup 99 6.5.4 Results 99 6.5.5 Conclusion 103 7 ASPEN PLUS® SIMULATION OF THE COORVED GASIFIER 105 7.1 Validation Experiment Bubbling Bed and Fast Bed 105 7.2 COORVED Simulation 107 7.3 Conclusion 108 8 SUMMARY 109 9 OUTLOOK 114 9.1 Modeling Tools 114 9.2 COORVED Development 114 10 APPENDIX 115 11 REFERENCES 120