Μελέτη και μοντελοποίηση διεργασιών πολυφασικών ροών με εφαρμογή στις ρευστεποιημένες κλίνες για την δέσμευση ρυπαντών

Abstract

Scope of the present thesis is to develop efficient in terms of computational cost and accurate Computational Fluid Dynamics (CFD) models for the simulation of Circulating Fluidized Beds (CFBs) in order to facilitate with emissions reduction. Therefore, the hydrodynamics as well as combustion and pollutants formation mechanisms are examined for CFB combustion. Moreover, the decarbonization of the energy production industry through the novel Calcium looping CO2 capture process is investigated. Initially, proper simulation of fluidized bed hydrodynamics is investigated. For the simulation of the sub – grid particulate structures an advanced drag scheme is formulated on the notion of the Energy Minimization Multi – Scale (EMMS) theory. The 3 – D model is validated against experimental data, in a simulation of the isothermal flow inside the riser of a 1.2 MWth CFB combustor. The combusting flow inside the aforementioned riser is also simulated, using the isothermal model as a platform that combustion and pollutants formation mechanisms are integrated. The results of the model were found to be in good agreement with experimental data for major species (O2 and CO2) and mean bed temperature. Except for the simulation of the combusting flow inside the CFB unit, the NOx / N2O formation and destruction mechanisms are numerically investigated through a novel decoupled 3 – D model. Five species are tracked, i.e. NOx, N2O, CO, CNO and HCN, and the respective reaction kinetics are retrieved from literature. The result of the model agreed well with the experimental data. Therefore, this computational effective model can be used for minimization of large scale CFB NOx / N2O emissions. In this work the flow inside a carbonator reactor is investigated. Initially the hydrodynamics of a small scale CFB cold model carbonator are simulated in a full – loop simulation using the validated EMMS drag scheme and a new stress model for the recirculation system. A new stress model is formulated for this plastic regime, based on the Pitman-Schaeffer-Gray-Stiles yield criterion, and applied in the recirculation system region. The developed model for the full loop simulation of the carbonator succeeded in reproducing highly accurate results. The pressure distribution along the loop is predicted with a mean error less than 10%, while the error in the recirculation flux is less than 2%. The carbonation reaction is also investigated through the simulation of a 10 kWth CFB carbonator.

Ο σκοπός αυτής της διατριβής είναι η ανάπτυξη τριδιάστατων υπολογιστικών μοντέλων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής για τη μοντελοποίηση ρευστοποιμένων κλινών ανακυκλοφορίας με σκοπό την εφαρμογή τους για τη μείωση των εκπομπών. Υπό αυτό το πρίσμα μελετήθηκε η υδροδυναμική καθώς και η καύση ορυκτών καυσίμων σε τέτοιες μονάδες. Επιπροσθέτως, μελετήθηκε και η δέσμευση του CO2 μέσω της τεχνολογίας κύκλων ενανθράκωσης/ασβεστοποίησης. Αρχικά, διερευνήθηκε η ορθή μοντελοποίηση της υδροδυναμικής των μονάδων ρευστοποιημένης κλίνης. Για τη μοντελοποίηση των υποπλεγματικών σωματιδιακών δομών μεσο–κλίμακας αναπτύχθηκε ένα εξελιγμένο μοντέλο Ελαχιστοποίησης Ενέργειας Πολλαπλών–Κλιμάκων (EMMS). Το τριδιάστατο μοντέλο επαληθεύτηκε μέσω πειραματικών δεδομένων για την ισοθερμοκρασιακή ροή εντός του αγωγού ανόδου μιας μονάδας ρευστοποιημένης κλίνης ανακυκλοφορίας καύσης 1.2 MWth CFB. Επίσης, σε αυτή τη διατριβή μοντελοποιήθηκε η καύση λιγνίτη στην προαναφερθείσα μονάδα. Οι μηχανισμοί της καύσης και τις μεταφοράς θερμότητας όπως και βασικές χημικές αντιδράσεις ενσωματώθηκαν στο υδροδυναμικό μοντέλο. Τα αποτελέσματα του μοντέλου επέδειξαν καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα για τη συγκέντρωση του O2 και του CO2 και για τη μέση θερμοκρασία λειτουργίας της κλίνης. Εκτός από τη μοντελοποίηση της καύσης στη ρευστοποιημένη κλίνη μοντελοποιήθηκαν και οι εκπομπές NOx/N2O μέσω κατάλληλου 3-D απεπλεγμένου μοντέλου. Πέντε στοιχεία μοντελοποιήθηκαν, NOx, N2O, CO, CNO και HCN, και οι αντίστοιχοι ρυθμοί των αντιδράσεων βρέθηκαν από τη βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα του επέδειξε καλή συμφωνία με τις πειραματικές μετρήσεις για τα NOx/N2O. Ως εκ τούτου, αυτό το επαληθευμένο μοντέλο με το μικρό υπολογιστικό κόστος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ελαχιστοποίηση των εκπομπών αυτών των αερίων από μεγάλης κλίμακας εγκαταστάσεις. Σε αυτή τη διατριβή διερευνήθηκε η ροή εντός του ενανθρακωτή. Αρχικά η υδροδυναμική ενός κρύου μοντέλου μοντελοποιήθηκε λαμβάνοντας υπ’ όψη το σύστημα ανακυκλοφορίας και εφαρμόζοντας το μοντέλο οπισθέλκουσας EMMS και ένα νέο μοντέλο για την κοκκώδη συνεκτικότητα που εφαρμόστηκε στο σύστημα ανακυκλοφορίας. Τα αποτελέσματα του μοντέλου για την μοντελοποίηση της υδροδυναμικής του ενανθρακωτή αποδείχτηκαν μεγάλης ακρίβειας. Η κατανομή της πίεσης προλέχθηκε με μέσο σφάλμα μικρότερο του 10%, ενώ το σφάλμα στην ανακυκλοφορία είναι μικρότερο του 2%. Η αντίδραση ενανθράκωσης διερευνήθηκε μέσω της μοντελοποίησης ενός αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης ενανθράκωσης 10 kWth.