Analysis of a pressurized oxy-combustion bubbling fluidized bed system using biomass fuel

Abstract

Bu çalışmada laboratuvar ölçekli kabarcıklı akışkan yatak rejiminde çalışan basınçlı bir oksi-yanma reaktöründe gelişen akış alanı ve farklı yakıtların yanma özellikleri sayısal olarak modellenmiştir. Sayısal sonuçlar, bir TÜBİTAK 1003 proje kapsamında TÜBİTAK MAM'da kurulan bir basınçlı oksi-yanma reaktöründen elde edilen deneysel veriler ile doğrulanmıştır. Numerik çalışmalar, parçacıklı akış analizlerinde sıklıkla kullanılan Barracuda Virtual Reaktör 17.4 yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Sayısal çalışmalar kapsamında ilk olarak soğuk akış çalışmaları yapılmıştır. Ayrıca, soğuk akış şartlarında sürtünme modelinin de etkisini incelemek amacıyla sistem modellenmiş ve deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Sayısal çalışmalarda sistemin akış özellikleri radyal ve eksenel partikül hacim oranları ve basınç dağılımı gibi parametrelerle incelenmiştr. Atmosferik basınç şartlarında çalışan Oksi-Yanma reaktöründe oluşan parçacıklı akışın minimum akışkanlaşma hızını hesaplamak için deneyler yapılmıştır. Reaktif analiz çalışmaları kapsamında kullanılacak yakıtların Termogravimetrik (TGA) analizleri yapılarak oksi-yanma koşullarında tutuşma, yanmanın bitiş ve maksimum sıcaklığı gibi karakteristik özellikleri belirlenmiştir. Diğer yandan, basınçlı akışkan yatak sisteminin reaktif akış analizleri; hava ile yanma, değişken oksijen konsantrasyonlarında oksi-yanma ortamlarında ve 1 ve 5 bar basınç şartları altında deneylerle incelenmiş ve deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada ayrıca reaktör içi sıcaklık dağılımları ve atık gaz emisyonları (SO2, NOx, CO2, CO) da ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Biyokömür ve biyokütlenin belli oranlarda kömürle harmanlanması sonucu elde edilen yakıt karışımının basınçlı oksi-yanma şartlarında yanma özelliklerine ait literatürde sınırlı sayıda çalışma vardır. Bu tez çalışmasında farklı oranlarda harmanlanmış biyokömür/ kömür ve biyokütle/ kömür karışımları kullanılarak basınçlı kabarcıklı akışkan yatakta sayısal analiz çalışmaları yapılmış ve sonuçlar deneysel verilerle doğrulanmıştır.

In this study, the flow area and the combustion properties of different fuels in a pressurized oxy-combustion reactor operating in a laboratory scale bubbling fluidized bed regime were numerically modelled. The numerical results have been verified by experimental data obtained from a pressurized oxy-combustion reactor installed at TUBITAK MAM premises as part of a TUBITAK 1003 project. Numerical studies were performed with Barracuda Virtual Reactor 17.4 software, which is frequently used in particulate flow analysis.Within the scope of numerical studies, cold flow studies were first performed. In addition, the system has been modelled and compared with experimental data in order to examine the effect of the drag model in cold flow conditions. In numerical studies, the flow properties of the system have been investigated with parameters such as radial and axial particle volume fractions and pressure distribution. Experiments have been carried out to calculate the minimum fluidization velocity of the particulate flow formed in the oxy-combustion reactor operating under atmospheric pressure conditions. Within the scope of reactive analysis studies, thermogravimetric (TGA) analyses of the fuels to be used were performed and their characteristics such as ignition, end and maximum temperature of the combustion under oxy-combustion conditions were determined. On the other hand, reactive flow analysis of pressurized fluidized bed system; Combustion with air, oxy-combustion environments with varying oxygen concentrations and under 1 and 5 bar pressure conditions have been studied by experiments and compared with experimental data. In this study, temperature distributions and waste gas emissions (SO2, NOx, CO2, CO) in the reactor were also examined in detail.There are limited studies in the literature on the combustion properties of the fuel mixture obtained by blending biocoal and biomass with coal in certain proportions under pressurized oxy-combustion conditions. In this thesis study, numerical analysis studies were carried out in a pressurized bubbling fluid bed using biochar / coal and biomass / coal mixtures blended in different proportions and the results were confirmed by experimental data.