title: Modeling of solid fuel conversion processes for CFD applications
Creators: name: Mancini, Marco
Publisher: name: MyCoRe Community
Year: 2020
Subjects: subject: Feststoffe
subject: Turbulente Strömungsmechanik
subject: Modellierung
subject: solid fuels
subject: CFD
subject: modeling
subject: 621

description: The utilization of fossil fuels in industrial processes is not only reduced to
the eld of combustion but is extended to other various technologies in which
biomass or wastes are converted into more easily usable gases.
The massive use of computers in today's engineering requires 
exible but
accurate tools for calculating important quantities (for example the conversion
level or the thermal eciency of specic reactors. Numerical simulations
based on Computational Fluid Dynamic (CFD) software are the fundamental
step towards such a tool since improvements in energy eciency, fuel 
exibility
and capital eectiveness of modern solid fuel boilers as well as gasiers,
increasingly rely on CFD modeling. The accuracy of CFD calculations is often
limited by the lack of knowledge of fundamental conversion rate parameters
since the need for eciency improvements is pushing the technologies
towards higher temperatures and higher pressures, where measurements and
modeling reach their limit of validity and accuracy.
The primary objective of this work is then to explain and demonstrate
how the CFD tool can be helpful in predicting solid fuel conversion for industrial
applications with emphasis on high temperatures and high pressures
processes. Attention will be given to the theory and the modeling needed for
the description of the conversion of the solid. Since solid fuels are complex
and heterogeneous, there is no single theory able to explain and predict all
aspects of the complex thermo-chemical changes involved.
In many situations, we must, therefore, rely on measurements to generate
the parameters needed to feed the model. The correct mathematical analysis
of those experiments is of fundamental importance for the further CFD
calculation. It will be shown that CFD can help the analysis also of this
preparatory step.
Finally, it will be demonstrated that a high level of knowledge (and accuracy)
is still nowadays a challenge for modeling. Detailed chemistry and
high-performance computing are required, but also turbulence modeling must
be improved. More sophisticated models and more advanced approaches can
now be used since computer technology is so developed that memory, speed
1
2
and parallelization are easily obtainable. Following the advance in computing
power, models can be rened in such details that they can be of use also
in the interpretation of measured data.
A well-established procedure in fuel characterization and solid fuels modeling
at the Institute for Energy Process Engineering and Fuel Technology
of The Clausthal University of Technology is based on the synergy between
experiments and theory, in which both methods provide a substantial contribution
to achieving the highest level of the description. The chapters of
this book show examples and contain detailed information concerning the
above-introduced methodology.
description: Die Nutzung fossiler Brennstoe in industriellen Prozessen beschrankt sich
nicht nur auf den Bereich der Verbrennung, sondern erstreckt sich auch auf
andere verschiedene Technologien, bei denen Biomasse oder Abfalle in leichter
verwertbare Gase umgewandelt werden.
Der massive Einsatz von Computern in der heutigen Technik erfordert

exible, aber genaue Werkzeuge zur Berechnung wichtiger Groen (z. B. die
Umwandlung eines Einsatzstoes oder den thermischen Wirkungsgrad bestimmter
Reaktoren). Numerische Simulationen mit Hilfe von CFD-Software
(Computational Fluid Dynamic) sind der grundlegende Schritt in Richtung
eines solchen Werkzeugs, da Verbesserungen der Energieezienz, der Brennsto

exibilitat und der Kapitalezienz moderner Anlagen (sowohl Kessel
als auch Vergaser) sich zunehmend aus der CFD-Modellierung ergeben. Die
Genauigkeit von CFD-Berechnungen wird oft durch die mangelnde Kenntnis
grundlegender Umwandlungsgeschwindigkeitsparameter beschrankt. Der Bedarf
an Ezienzverbesserungen treibt die Technologien in Richtung hoherer
Temperaturen und hoherer Drucke, bei denen Messungen und Modellierungen
an ihre Gultigkeits- und Genauigkeitsgrenzen stoen.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist es dann zu erklaren und zu demonstrieren,
wie das CFD-Tool funktioniert und bei der Vorhersage der Umwandlung fester
Brennstoe fur industrielle Anwendungen hilfreich sein kann, wobei der
Schwerpunkt auf Prozesse mit hohen Temperaturen und hohen Drucken liegt.
Es wird auf die Theorie und die Modellierung geachtet, die fur die Beschreibung
der Umwandlung des Feststoes erforderlich ist. Da feste Brennstoe
komplex und heterogen sind, gibt es nicht nur eine einzige Theorie, die
alle Aspekte der komplexen thermochemischen Veranderungen erklaren und
vorhersagen kann.
In vielen Situationen mussen zur Versorgung des Modells daher Parameter
aus Messungen benutzt werden. Die korrekte mathematische Analyse
dieser Experimente ist fur die weitere CFD-Berechnung von grundlegender
Bedeutung. Es wird gezeigt, dass CFD auch die Analyse dieses Schritts
unterstutzen kann.