Akışkan yataklı gazlaştıma işleminin hesaplamalı olarak modellenmesi ve araştırılması

Abstract

Gazlaştırma işlemi ile karbon bazlı katı maddelerden enerji üretimi gittikçe artan bir araştırma konusu haline gelmiştir. Katı malzemelerden gaz üretimi fiziksel ve kimyasal olayların bir araya geldiği çok karmaşık bir olgudur. Ayrıca, gazlaştırma işlemi çok miktarda parametre içerdiği için deneysel bir çalışma ile her parametrenin ölçümlerini yapmak oldukça zordur. Bu nedenle üretilen sentetik gazının verimliliğini en üst düzeye çıkarmak ve yeni bir gazlaştırıcı tasarlamak ve proses parametrelerini optimize etmek için gelişmiş bir modelleme yaklaşımına ihtiyaç bulunmaktadır. Öncelikle tez çalışmasından gazlşatırma hidrodinamiği incelenmiştir. Daha sora, iki boyutlu (2-D) bir gazlaştırma sistemi ANSYS-FLUENT ticari kodu kullanılarak simüle edilmiştir. İşlemin piroliz ve sabit karbon yanma kimyasal reaksiyonlarının kimyasal kinetiklerini UDF kullanılarak modellenmiştir. Diğer bir adımda bu karmaşık problemi çözmek, araştırmak ve optimize etmek için üç boyutlu (3-D) basit, doğru, ve kapsamlı bir CFD modeli geliştirilmiştir. Sonraki aşamalarda, LES türbülans modeli, DDPM modelleri ve yeni alt modellerin gelişimi ile gazlaştırma problemine yeni bir çözüm modeli sunulmuştur. Geliştirilen bu modelleme çalışmaları için ağdan bağımsızlık çalışması ve model doğrulaması yapıldıktan sonra sistemin verimliliği hesaplanmıştır. RANS tabanlı türbülans modellerinden Standart k-ɛ modeli en uygun yaklaşım olarak şeçilmiştir. Gazlaştırıcı tasarım parametreleri RSM kullanılarak optimize edilmiştir. LES türbülans modellerinden WALE modelinin incelenenler arasında en uygun model olduğu kabul edilmiştir. DDPM modelinin sonuçlarının da oldukça tutarlı olduğu görülmüştür. Gazlaştırıcı nın yatay ile 45o açı yapması durumunda çıkan ürün gazı bilişenlerinin daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Katı parçacık gözenekliliğinin ise verimi azalttığı yönünde sonuca ulaşılmıştır.

Energy production from carbon-based solid materials by gasification has become an essential research subject. Gas production from solid materials is a very complex phenomenon where physical and chemical events come together. Besides, since the gasification process involves many parameters, it is challenging to measure each parameter with an experimental study. Therefore, an advanced modeling approach is needed to maximize the produced synthetic gas's efficiency, design a new gasifier, and optimize process parameters. Firstly, the hydrodynamics of gasification has been studied. Next, a two-dimensional (2-D) gasification system was simulated using the commercial code ANSYS-FLUENT. The chemical kinetics of the devolatilization and char combustion chemical reactions of the process was modeled using the UDF. In another step, a simple, accurate, and comprehensive three-dimensional (3-D) CFD model has been developed to solve, research, and optimize this complex problem. In the following stages, the development of the LES turbulence model, DDPM models, and a new solution model to the gasification problem is presented. After the mesh independence study and model validation, the system's efficiency was calculated. The standard k-ɛ model among the RANS-based turbulence models was chosen as the most appropriate approach. Gasifier design parameters have been optimized using the RSM. The WALE model has been accepted as the most suitable model among those LES models examined. DDPM model’s results are also quite consistent. When the gasifier makes an angle of 45o with the horizontal, the product gas components are increased. Solid particle porosity decreases the efficiency.