Ziel dieses Projekts ist die Simulation und Validierung eines neuen Entwurfs für einen großen industriellen Biomassevergaser. Die Verbesserung zielt darauf ab, den Betrieb einiger Teile des Prozesses zu erleichtern, und erfordert eine entsprechende Änderung des Lufteinführungs- und Bettfluidisierungssystems. Das Berechnungsprojekt umfasst mehrere Phasen, auf die in diesem Eintrag näher eingegangen wird.
Air Distributor Optimisation with CFD Simulation
Zunächst wird eine CFD-Simulationsstudie für den Luftverteiler durchgeführt. Es werden die Druckverluste des Systems und die von jedem Auslass gelieferten Durchflussmengen berechnet. Zu diesem Zweck wird die Geometrie unter Berücksichtigung einer geeigneten Grenzschicht vernetzt und nach der Konfiguration des Modells wird die Berechnung mit Cradle ScFlow durchgeführt. Das folgende Bild zeigt ein Detail des Netzes, das in einer der Zonen des Systems verwendet wird:
Nach einer ersten Analyse werden mögliche Verbesserungen untersucht, um den Fluss gleichmäßiger zu gestalten und den Verbrauch zu verbessern. Diese Vorschläge zielen darauf ab, den Durchfluss durch den Verteiler zu erleichtern, die Kurven zu glätten und dadurch die Sekundärverluste zu verringern. Die folgende Abbildung zeigt ein Vergleichsdiagramm der Durchflussmengen vor und nach dem Optimierungsprozess, aus dem die Verbesserung der Homogenität der Verteilungssektoren ersichtlich ist:
Die CFD-Simulation dieser Fälle ermöglicht einen Vergleich der Effizienz in einem frühen Entwurfsstadium, bevor mit dem Bau der Anlage begonnen wird.
Studie und Kalibrierung anhand eines Labormodells
Die zweite Phase der Studie ist die Kalibrierung der numerischen Widerstandsmodelle zur Darstellung der Fluidisierung.
Ausgangspunkt ist ein Modell, das einem Laborexperiment entspricht, für das Messungen der Fluidisierungshöhen und Mindestgeschwindigkeiten vorliegen. Nachdem die physikalischen Parameter der Partikel und die numerischen Parameter für das Entrainmentmodell kalibriert wurden, wird eine Sensitivitätsstudie zu den Parametern durchgeführt, die im Vergleich zum realen Reaktor variieren.
Einige der berücksichtigten Parameter sind der Behälterdurchmesser, die Betthöhe und die Strömungsgeschwindigkeit. Mit Hilfe von Zwischenmodellen ist es möglich, eine geeignete Methodik für die Arbeit mit dem realen Reaktormodell unter Verwendung von CFD-PIC-Simulationen zu definieren, wobei die Strömungs- und Feststoffpartikel-Entrainment-Phänomene gekoppelt werden.
In dieser Phase wird auch die Strömungsgeschwindigkeit untersucht, die den Luftwiderstand in der Wirbelschicht verursacht, um konstruktionsrelevante Daten zu erhalten, die experimentell nur mit großem Aufwand zu überprüfen wären.
Mehrphasensimulation der Reaktoren
In dieser Phase werden die Kalibrierungsergebnisse verwendet, um den Reaktor in seiner aktuellen Konfiguration und die neuen Designs zu simulieren. Die Simulation des bereits gebauten und in Betrieb befindlichen Modells dient als Validierung des verwendeten Verfahrens.
Sobald die Ergebnisse dieser Studie validiert sind, werden die neuen Entwürfe untersucht. Dabei werden die Phänomene der angemessenen Fluidisierung und der maximalen Betthöhe untersucht. Die erzielten Ergebnisse stärken das Vertrauen in die Änderungsvorschläge.
Die folgenden Videos zeigen Animationen der Ergebnisse einiger Fluidisierungssimulationen in verschiedenen Konfigurationen:
DEM-Simulation des Metallabbausystems
Schließlich wird eine Studie über den Prozess der Extraktion der bei der Biomassevergasung anfallenden unerwünschten Abfälle durchgeführt. Ziel dieser Studie ist es, zu prüfen, ob die Konstruktion der Extraktionsschnecke einen ordnungsgemäßen Betrieb des Vergasers ermöglicht, ohne dass sich Stoffe ansammeln, die die Effizienz beeinträchtigen.
Diese Studie wird mit Hilfe der DEM-Simulation (Diskrete-Elemente-Methode) mit dem Grobkornmodell ohne Fluid-Partikel-Wechselwirkung durchgeführt. Auf diese Weise lässt sich die Effizienz der Berechnung erheblich steigern, während gleichzeitig eine gute Genauigkeit der Ergebnisse gewährleistet ist.
Das folgende Video zeigt ein Beispiel für die Studie in einer bestimmten Konfiguration der im Prozess berücksichtigten Personen:
Diese Studien und ihre anschließende Analyse bilden den Abschluss des Multiphysik-Simulationsteils des Projekts.
Zusätzlich zu den in diesem Eintrag erwähnten Arbeiten hat ICEMM auch eine Analyse der strukturellen Festigkeit der neuen Konstruktion mit Hilfe von Finite-Elemente-Modellen durchgeführt und damit die Übereinstimmung des Reaktors mit den geltenden Vorschriften in diesem Bereich überprüft.
