Numerical analysis and experimental validation of fluidized bed gasification systems with low-rank coal fuels

Abstract

Bu tez çalışmasında, düşük kalorili kömürlerin akışkan yatak sistemlerindeki gazlaştırma karakteristiklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda, bir akışkan yatak gazlaştırma sistemi sayısal ve deneysel yöntemlerle incelenmiş ve bu teknolojinin endüstriyel ölçekte uygulaması araştırılmıştır. Çalışmada öncelikle, referans alınan kömür numunelerinin laboratuvar ölçekli bir kabarcıklı akışkan yatak gazlaştırma sistemindeki davranışları değerlendirilmiştir. Kullanılan deneysel yöntemlerle birlikte gazlaştırma prosesi sonucu çıkan sentetik gazın bileşenleri, alt ısıl değeri ve prosesin termal verimi farklı hava yakıt oranları için elde edilmiştir. Gazlaştırma prosesi öncesinde kömür numunelerine uygulanan yıkama ve kurutma işlemlerinin etkisi de bu çalışma kapsamında değerlendirilmiştir. Ayrıca, elde edilen deneysel veriler Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemiyle doğrulanmıştır. Yapılan sayısal analizlerde, hem kimyasal reaksiyon, ısı ve kütle geçişinin ihmal edildiği soğuk akış yaklaşımıyla, hem de reaktif termal çözümlemeler ile birlikte, deneysel yöntemlerle tespiti çok zor olan akışkan yataktaki parçacık davranışı incelenmiş, ayrık fazın hareketi ve akış alanına etkisi değerlendirilmiştir. Sonrasında, gazlaştırma reaksiyonları, devolatilizasyon ve enerji denklemlerinin uygulanması sonucunda gazlaştırma prosesinin verimlilik değerleri elde edilmiş, elde edilen bulgular deneysel sonuçlarla karşılaştırmalı olarak irdelenmiştir. Aynı kömür numuneleri referans alınarak endüstriyel ölçekli bir dolaşımlı akışkan sistemi tasarlanmış, bu sistemin işletme parametreleri belirlenmiştir. Son adımda ise tasarlanan endüstriyel ölçekli dolaşımlı akışkan yatak sisteminde termal verime ve karbon dönüşüm hızına doğrudan etki eden bir büyüklük olan katı sirkülasyon hızını etkileyen parametreler HAD yöntemleri ile incelenmiştir. Yüzeysel hız, hava fazlalık katsayısı ve basınç düşüşü gibi değişkenler ile birlikte akışkan yatak prosesi incelenerek endüstriyel ölçekli sistemlerin tasarımında gerekli parametrelerin belirlenmesi hedeflenmiştir.In this thesis study, it was aimed to investigate the gasification characteristics of low-rank coals in fluidized bed systems. Within this scope, a fluidized bed gasification system was examined by numerical and experimental methods and the industrial-scale application of this technology was also evaluated. Initially, the gasification behavior of the reference coal samples in a laboratory-scale bubbling fluidized bed system was evaluated in the study. The composition of the synthetic gas resulting from the gasification process and thermal efficiency are obtained for different air-fuel ratios via experimental methods used. The effect of cleaning and drying processes applied to the coal samples before the gasification process was also evaluated within the scope of this study. Also, the experimental data are verified by using Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. The behavior of the particles in the fluidized bed, which is very difficult to obtain by experimental methods, was examined with both reactive thermal analyses and cold flow analyses - in which chemical reaction, heat and mass transfer are neglected. The motion of the discrete phase and its effects on the flow field are evaluated. Moreover, the thermal efficiency of the gasification process was obtained as a result of the application of chemical reactions, devolatilization models and energy equations. The numerical results are also examined in comparison with the experimental results. An industrial-scale circulating fluidized bed system was designed and its operational conditions are determined by considering the same coal samples. Finally, the solid circulation rate of this industrial-scale circulating fluidized bed system is investigated by CFD methods, which is a deterministic parameter for thermal efficiency and carbon conversion rate in the gasification process. It was aimed to determine optimum values of the parameters such as superficial velocity, excess air coefficient, carbon conversion rate, and pressure drop in the design of industrial-scale systems by examining the fluidized bed gasification process.