Numerical investigations of models for use in computational fluid dynamics simulations of pulverized coal flames with emphasis on thermal decomposition and combustion stages

Abstract

Bu tez çalışması, pulverize kömür yanması sürecinde ortaya çıkan farklı fizyokimyasal adımlar için geliştirilen matematiksel modellerin geniş bir kapsamda incelenmesini amaçlamaktadır. Matematiksel modeller, metan pilot alev destekli eksenel yönlü bir pulverize kömür jet alevinin ve metan pilot alev destekli girdaplı oksijence zenginleştirilmiş pulverize kömür alevinin, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) kullanılarak nümerik simülasyonlarıyla doğrulanmıştır. Başlangıçta kimyasal reaksiyonların olmadığı soğuk akış simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Bu karşılaştırmalı çalışma, parçacık (ayrık) faza ait akış hareketlerinin tahmininde çeşitli türbülans modellerinin uygulanmasının, nümerik sonuçlar üzerinde ki etkisinin incelenmesini mümkün kılmıştır. Reaksiyon içeren durumda, uçucu gazların devolatilizasyonu (salınımı) ve gaz fazında yanmasının modellenmesi irdelenerek analizler yapılmıştır. Uçucu gazlar, toplam (global) reaksiyon mekanizmasıyla tepkimeye giren tek bir gaz molekülü olarak ya da çok basamaklı kimyasal kinetiğin dikkate alındığı bir reaksiyon mekanizmasıyla tepkimeye katılan çeşitli gazlar ihtiva eden bir karışım olarak tanımlanmıştır. Literatürde yer alan devolatilizasyon modellerinin incelemesi ve karşılaştırması yapılmıştır. Kömür parçacıklarının ısınma hızının, uçucu madde salınımı başlangıç sıcaklığı ve nihai uçucu madde miktarı üzerinde etkisi incelenmiştir. Seçilen devolatilizasyon modelleri, HAD simülasyonlarında uygulanarak, sonuçlar analiz edilmiştir. Bu metodoloji iki farklı alev içinde uygulanmıştır. Kömür yanmasına ait çeşitli matematiksel alt modellerin uygulanmasıyla elde edilen sonuçlar analiz edilerek, modellerin noksanlıklarının da açığa çıkarılması amaçlanmıştır.This dissertation study aims to carry out comprehensive evaluation of the mathematical models developed for different physio-chemical steps that occur in the process of pulverized coal combustion. The models are validated by simulating a methane assisted pulverized coal axial jet flame and a methane assisted swirling oxy-coal flame by Computational Fluid Dynamics (CFD). Initially, cold flow simulations in the absence of chemical-reactions, are carried out. This comparative study made it possible to verify the performance of applying various turbulence closure models in prediction of the discrete (particle) phase flow field variables. Under reactive conditions, the emphasis has been given to modeling of the phenomena of devolatilization and combustion of the released gaseous species. The volatile gases are either defined as hypothetical single molecular gas that participates in a global-reaction mechanism, or defined as multi-species mixture participating in multi-step reaction mechanism with consideration of the chemical kinetic rates. Devolatilization models available in the literature are reviewed and evaluated. The effect of the particle heating rate on the onset of devolatilization and on final volatile yield is discussed. Selected devolatilization models are investigated with respect to their implementation in the CFD simulations. The established methodology has been tested in both pulverized coal flames. The predictions resulted from implementation of different mathematical sub-models are analyzed and assessment has been made in an attempt to address the shortcomings of the models.