Dolaşımlı akışkan yatağın hidrodinamik ve ısıl matematik modellemesi
Hydrodynamic and thermal numerical modeling of coal gasification in circulating fluidized bed
Yazar: CEM DOLU
Danışman: PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji = Energy ; Gazlaştırma = Gasification ; Isı akışı = Heat flow ; Linyit kömürü = Lignite coal ; Modelleme = Modelling ; İki fazlı akış = Two phase flow ; İki fazlı sistemler = Two phase systems

Özet:
Doktora tezi kapsamında kömürün hem kabarcıklı (bubbling) hem de dolaşımlı (circulating) akışkan yatakta gazlaştırılması hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ile sayısal olarak çalışılmıştır. Doktora tezinde hesaplamalı akışkanlar dinamiği için ANSYS Fluent 15.0 paket programı kullanılmıştır. Sayısal çalışma için 5 adet Türk linyiti seçilmiştir. Türk linyitlerinin akışkan yatak teknoloji kullanılarak gazlaştırılmasının kapsamlı modellenmesi Türkiye'nin enerji kaynaklarını verimli bir şekilde kullanabilmesine katkı sağlayabilmesi açısından önemlidir. Sayısal modelleme için Eulerian-Eulerian yöntemi kullanılmıştır. Tüm sayısal çalışmalar üç boyutlu ve zamana bağlı yapılmıştır. Türbülans modellerinden k-epsilon ayrık türbülans modeli ve ışınım modellerinden P-1 modeli seçilmiştir. Modellemede kömür, yatak malzemesi ve gaz olmak üzere üç faz bulunmaktadır.
Kömür gazlaştırılmasının modellenmesinde 10 adet reaksiyon kullanılmıştır. Bu reaksiyonlardan 5 tanesi homojen, 5 tanesi heterojen reaksiyon olarak sınıflandırılmaktadır. Homojen reaksiyonlar gaz fazında gerçekleşen reaksiyonlardır. Heterojen reaksiyonlar ise gaz fazı ile katı fazı arasında gerçekleşen reaksiyonlardır. Kullanılan hesaplamalı akışkanlar dinamiği paket programlarından ANSYS Fluent 15.0 homojen reaksiyonları doğrudan heterojen reaksiyonları ise dolaylı modelleyebilmektedir. Heterojen reaksiyonların gazlaştırma modeline dahil edilebilmesini için dışarıdan bir bilgisayar kodunun yazılması gerekmektedir. ANSYS Fluent için yazılan bu koda UDF (User Defined Functions) adı verilmektedir. Doktora tezi kapsamında oluşturulan modelde yer alan heterojen reaksiyonların tanımlanması için UDF yazılmıştır.
Gazlaştırma işleminin modellenmesinde en önemli konulardan biri olan kömürden uçucu maddenin çıkışı için CPD modeli (chemical percolation devolatilization model) seçilmiştir. CPD modeli kapsamlı bir modeldir ve kömürün molekül yapısının uçucu maddenin çıkışına etkisini dikkate almaktadır. CPD modelin kullanılabilmesi için kömürün molekül yapısını ortaya koyan kapsamlı testlerin yapılması ve bu testlerin ardından kömürün molekül yapısına bağlı olan 4 parametrenin elde edilmesi gerekmektedir. Kömürün molekül yapısını ortaya koyan testlerin yapılmasının zor olmasından dolayı gazlaştırma modellemelerinde CPD modeli yoğun bir şekilde kullanılmamakta ve bu nedenden ötürü de genellikle uçucu maddenin çıkışı için daha az kapsamlı modelleme yöntemleri tercih edilmektedir. Fakat uçucu maddenin kömürden çıkışının önem arz etmesinden dolayı CPD model gibi kapsamlı modellerin kullanılması önemli hale gelmektedir. CPD modelinin kömür için yapılan yaklaşık analiz (proximate analysis) ve kesin analiz (ultimate analysis) testlerinin sonuçlarını baz alarak kullanılabilmesi için literatürde yer alan korelasyonlar bulunmaktadır. Bu korelasyonlar sayesinde kömürün moleküler yapısını ortaya koyan test sonuçları yerine daha kolay ulaşılabilir yaklaşık (proximate) ve kesin (ultimate) analiz sonuçları yardımıyla CPD model için gerekli 4 parametre hesaplanabilmekte ve böylece birçok kömür tipi CPD model kullanılarak modellenebilmektedir.

Literatürde yer alan korelasyonlarda, 30 kömür için yapılmış moleküler bazdaki kapsamlı test sonuçları kullanılmıştır. Doktora tezi kapsamında, literatürde CPD model için yer alan korelasyonlar geliştirilmiştir. 
Literatürdeki korelasyonlarda kullanılan kömür verisi sayısı %50 arttırılarak 45 kömüre çıkarılmıştır. Ayrıca literatürde yer alan korelasyonlar dördüncü dereceden denklemleri içerir iken doktora çalışmasında kapsamı geliştirilen korelasyonlar ise sekizinci dereceden denklemleri içermektedir. Literatürde yer alan korelasyonların, dört adet CPD model parametresi için ayrı ayrı hesaplanan regresyon katsayılarının (coefficient of determination, R2) ortalaması 0.79 değerindedir. Buna karşın doktora çalışmasında kapsamı geliştirilen korelasyonların, bu dört parametre için hesaplanan regresyon katsayılarının ortalaması ise 0.987 değerindedir.  
Ayrıca doktora tezinde, korelasyonlarda kullanılan 45 kömürün yaklaşık ve kesin analiz sonuçlarının seçilen 5 Türk linyitinin yaklaşık ve kesin analiz sonuçları ile uyumlu olduğu gösterilmiştir. Böylece literatürde yer alan korelasyonların kapsamı genişletilerek seçilen 5 Türk linyiti için de kullanılabilir hale getirildiği gösterilmiştir. Kapsamı geliştirilen bu korelasyonlar ile seçilen 5 Türk linyitinin yaklaşık ve kesin analiz sonuçlarından yola çıkarak CPD model için gerekli 4 adet parametre hesaplanmıştır. Bu hesaplanan parametreler CPD modelde kullanılarak seçilen 5 Türk linyitindeki uçucu maddenin çıkışı modellenmiştir. 
Doktora tezi kapsamında geliştirilen model üç farklı akışkan yatak geometrisinde olmak üzere toplam 18 deneysel çalışma sonucu ile karşılaştırılmış ve model kapsamlı bir şekilde doğrulanmıştır. Seçilen 3 yatak geometrilerinden ikisi kabarcıklı, diğeri dolaşımlı akışkan yatak geometrisidir. Kabarcıklı akışkan yataklardan birinin yüksekliği 2 metre iken diğerinin yatak yüksekliği 2.81 metredir. Buna ek olarak, dolaşımlı akışkan yatağın yüksekliği 5.46 metredir. Ayrıca doktora kapsamında geliştirilen model literatürde yer alan 7 adet sayısal çalışmada yer alan kabarcıklı akışkan yatak modelleme sonuçları ile de karşılaştırılmıştır. Doktora tezi kapsamında geliştirilen modelin kapsamlı bir şekilde doğrulanmasının ardından hem kabarcıklı akışkan yatak hem de dolaşımlı akışkan yatak geometrilerinde seçilen 5 Türk linyiti kullanılarak parametrik çalışmalar yapılmıştır. Yatak yüksekliğinin, eşdeğerlik oranının (equivalence ratio, ER) ve Su-Buharı/Kömür debisi oranının seçilen 5 Türk linyitinin gazlaştırılmasına etkileri araştırılmış ve yatak çıkışında CO, H2 ve CO2 gazları için elde edilen mol oran değerlerinin değişimi incelenmiştir.
İlk olarak kabarcıklı akışkan yatak için yapılan parametrik çalışmalar ile ilgili açıklama yapılacaktır. Kabarcıklı akışkan yatak geometrisinde seçilen 5 Türk linyitinin gazlaştırılmasında yatak yüksekliğinin, eşdeğerlik oranının ve Su-Buharı/Kömür debisi oranın etkileri parametrik çalışılmıştır. Yatak yüksekliğinin etkisini araştırmak için 13 farklı yatak yüksekliğinde 5 Türk linyiti kullanılarak 65 modelleme yapılmıştır. Yatak yüksekliği en düşük 1.5 metre, en yüksek 12 metre alınmıştır. Yatak yüksekliğine bağlı olarak gazlaştırma sonucu oluşan CO, H2 ve CO2 gazlarının yatak çıkışında elde edilen mol oran değerlerinin değişimi incelenmiştir. Eşdeğerlik oranının (equivalence ratio, ER) etkisini araştırmak için 17 farklı ER değerinde 5 Türk linyiti için toplam 85 modelleme yapılmıştır. Eşdeğerlik oranı için yapılan parametrik çalışmada en düşük ER değeri 0.10 ve en yüksek ER değeri 0.60 olarak alınmıştır. Eşdeğerlik oranının yatağın çıkışında elde edilen CO, H2 ve CO2 gazlarının mol oran değerlerine etkisi araştırılmıştır. Kabarcıklı akışkan yatak geometrisinde son yapılan parametrik çalışmada ise Su-Buharı/Kömür debisi oranının seçilen 5 Türk linyitinin gazlaştırılmasına etkisini araştırmak için 21 farklı Su-Buharı/Kömür debisi oranında toplam 105 modelleme yapılmıştır. Su-Buharı/Kömür debisi oranı için yapılan parametrik çalışmalarda seçilen en düşük oran 0.10 ve en yüksek oran 2.00 olarak belirlenmiştir. Su-Buharı/Kömür debisi oranının yatağın çıkışında CO, H2 ve CO2 gazları için elde edilen mol oran değerlerine etkisi araştırılmıştır. Kabarcıklı akışkan yatak geometrisi kullanılarak yatak yüksekliğinin, eşdeğerlik ve Su-Buharı/Kömür debisi oranlarının seçilen 5 Türk linyitinin gazlaştırılmasına etkisini araştırmak için toplamda 255 modelleme yapılmıştır.
Kabarcıklı akışkan yatak kullanılarak yapılan parametrik çalışmalar sonucu elde edilen bazı önemli sonuçlar şu şekilde özetlenebilir: Kabarcıklı akışkan yatak geometrisinde yatak yüksekliğinin 3 metreden daha fazla olması durumunda yatağın çıkışında CO, H2 ve CO2 gazları için elde edilen mol oran değerlerinin değişiminin az olduğu tespit edilmiştir. Eşdeğerlik oranı (equivalence ratio, ER) için yapılan parametrik çalışmalarda ER değerinin 0.32 olduğu durumda yatağın çıkışında CO, H2 gazları için elde edilen mol oran değerlerinin en yüksek değere ulaştığı buna karşın CO2 gazı için elde edilen mol oran değerinin aynı ER değerinde en düşük değere sahip olduğu görülmüştür. Kabarcıklı akışkan yatak için yapılan son parametrik çalışma olan Su-Buharı/Kömür debisi oranının artması ile yatağın çıkışında H2 ve CO2 gazları için elde edilen mol oran değerlerinin arttığı buna karşın CO gazı için elde edilen mol oran değerinin azaldığı tespit edilmiştir.
Dolaşımlı akışkan yatak geometrisinde de yatak yüksekliğinin, eşdeğerlik oranının (equivalence ratio, ER) ve Su-Buharı/Kömür debisi oranın seçilen 5 Türk linyitinin gazlaştırılmasına etkileri araştırılmıştır. Yatak yüksekliğinin etkisini araştırmak için her bir Türk linyiti için 16 farklı yatak yüksekliğinde toplam 80 modelleme yapılmıştır. Yatak yüksekliği çalışma aralığı en düşük 2 metre, en yüksek 16 metre olarak alınmıştır. Eşdeğerlik oranı için yapılan parametrik çalışmada 17 farklı ER değeri seçilmiş ve seçilen 5 Türk linyiti için toplam 85 modelleme yapılmıştır. Eşdeğerlik oranı çalışma aralığı, kabarcıklı akışkan yatakta yapılan parametrik çalışmalarda olduğu gibi en düşük 0.10 ve en yüksek 0.60 olarak seçilmiştir. Dolaşımlı akışkan yatakta son olarak yapılan parametrik çalışmada ise Su-Buharı/Kömür debisi oranının etkisini araştırmak için 20 durum belirlenmiştir. Seçilen 5 Türk linyiti için 20 farklı Su-Buharı/Kömür debisi oranında toplam 100 modelleme yapılmıştır. Su-Buharı/Kömür debisi oranı için yapılan parametrik çalışmalarda seçilen en düşük oran 0.10 ve en yüksek oran 2.00 olarak belirlenmiştir. Böylece dolaşımlı akışkan yatak geometrisinde yatak yüksekliğinin, eşdeğerlik oranının ve Su-Buharı/Kömür debisi oranının seçilen 5 Türk linyitinin gazlaştırılmasında yatak çıkışında elde edilen CO, H2 ve CO2 gazlarının mol oran değerlerine etkisini araştırmak için toplam 265 modelleme yapılmıştır.
Dolaşımlı akışkan yatak geometrisinde yapılan parametrik çalışmalardan yatak yüksekliğinin artması ile yatağın çıkış ağzında CO ve H2 gazları için elde edilen mol oran değerlerinin arttığı, CO2 gazı için elde edilen mol oran değerinin ise yatak yüksekliği arttıkça azaldığı tespit edilmiştir. Dolaşımlı akışkan yatakta yapılan ikinci parametrik çalışma olan eşdeğerlik oranının (equivalence ratio, ER) 0.1 değerinden 0.32 değerine kadar arttırılması durumunda yatak çıkışında CO ve H2 gazları için elde edilen mol oran değerinin arttığı buna karşın CO2 gazı için elde edilen mol oran değerinin azaldığı tespit edilmiştir. Fakat eşdeğerlik oranının 0.32 değerinden 0.60 değerine doğru arttırıldığında ise tam tersi olarak yatağın çıkışında CO ve H2 gazları için elde edilen mol oran değerlerinin azaldığı buna karşın CO2 gazı için elde edilen mol oran değerinin arttığı görülmüştür. Dolaşımlı akışkan yatak geometrisinde yapılan son parametrik çalışma ise Su-Buharı/Kömür debisi oranının etkisinin araştırıldığı çalışmadır. Su-Buhar/Kömür debisi oranının arttırılması yatağın çıkışında H2 ve CO2 gazları için elde edilen mol oran değerlerinin artmasına buna karşın CO gazı için elde edilen mol oran değerinin azalmasına neden olduğu tespit edilmiştir. 
Sonuç olarak doktora tezinde kömürün gazlaştırılması için kapsamlı bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli geliştirilmiş ve geliştirilen model literatürde yer alan deneysel çalışmalar ile doğrulanmıştır. Bunun ardından gazlaştırma için çok sık kullanılan iki akışkan yatak geometrisi seçilerek kapsamlı parametrik çalışmalar yapılmıştır. Yapılan bu parametrik çalışmalar ile hem kabarcıklı hem de dolaşımlı akışkan yatakta yatak yüksekliğinin, eşdeğerlik oranının (equivalence ratio, ER) ve Su-Buharı/Kömür debisi oranının gazlaştırmaya etkileri araştırılmıştır. Yatak yüksekliğinin, eşdeğerlik oranının ve Su-Buhar/Kömür debisi oranının yatak çıkışında CO, H2 ve CO2 gazları için elde edilen mol oran değerlerine etkileri ortaya konulmuştur. Literatürde yer alan CPD model korelasyonunun veri sayısının ve korelasyon derecesinin arttırılması doktora tezini özgün hale getirmesi açısından önemlidir. Buna ek olarak doktora tezi kapsamında 5 farklı Türk linyiti için kapsamlı parametrik çalışmaların yapılması, bundan sonra yapılacak olan çalışmalara önemli bir katkı sağlaması açısından önemli görülmektedir. Bunlara ek olarak doktora tezinde gazlaştırma için önemli olan iki farklı yatak geometrisi kullanılarak parametrik çalışmaların yapılmış olması yatak tipinin seçilen Türk linyitlerinin gazlaştırılmasına etkisini ortaya koyması açısından önemlidir. Bu yatak geometrileri günümüzde yaygın olarak kullanılan kabarcıklı ve dolaşımlı akışkan yatak geometrileridir. Kabarcıklı ve dolaşımlı akışkan yatağın birbirine göre avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Seçilen 5 Türk linyitinin hem kabarcıklı hem de dolaşımlı akışkan yatakta modellenmesi ve kapsamlı parametrik çalışmaların yapılması doktora tezinin önemli çıkarımlarından biridir. Doktora tezinde hem kabarcıklı hem de dolaşımlı akışkan yatak geometrilerinde 5 Türk linyiti için toplam 520 modelleme yapılmıştır. Bu kapsamlı modelleme sonuçlarının ileriki çalışmalara faydalı olacağı düşünülmektedir.

Abstract:
In the doctoral dissertation, the coal gasification has been numerically studied with using CFD (Computational Fluid Dynamics) calculation in both bubbling and circulating fluidized beds. ANSYS Fluent 15 was used as computational fluid dynamics (CFD) package software in this PhD thesis. Five Turkish lignites were selected for numerical studies. Comprehensive modeling of the gasification of Turkish lignites in fluidized bed technology is important to ensure that Turkey can use energy resources efficiently.
In recent years, noteworthy progress has been accomplished in enhancing the accuracy and stability of numerical techniques and algorithms. Computational fluid dynamics (CFD) has been connected as an imperative design tool in different industrial areas, and the CFD procedures have demonstrated the capacity to provide accurate prediction for some chemical processes. Currently, for CFD simulations of coal gasification, there are basically two sorts of techniques, the Eulerian-Lagrange approach, and the Eulerian-Eulerian approach.
In the Eulerian-Lagrange approach, the gas phase is defined by the Navier-Stokes equations, while the solid phase is treated as a discrete phase. The direction of every molecule is figured by Newton's laws of motion, and the impacts between particles are depicted by the model of soft-sphere or hard-sphere. Other variables such as temperature and gas concentration are calculated by the equations of energy and mass transfer for each particle. Since every molecule in the framework is followed, the precision of simulation results might be enhanced, however in the mean time this approach likewise requires a tremendous measure of computational resources. It won't not be plausible for the simulations of large scale fluidized bed systems that contain a huge number of particles.
When contrasted with the Eulerian-Lagrange approach, the Eulerian-Eulerian approach requires less measure of calculation because the solid phase is treated as a continuum. In this approach, the transport properties of solid phase are predicted by the kinetic theory of granular flow. In the Eulerian-Eulerian approach, the solid phase is treated as a continuum, and the transport properties of solid phase such as the shear viscosity and the bulk viscosity of the solid phase are modeled by the kinetic theory of granular flow.
In the Eulerian-Eulerian approach, both gas and solid phases are treated mathematically as inter-penetrating continua. The fundamental thought is to utilize the  governing equations correlating the progressions of gas–particle flow in each computing unit to describe the properties of gas and solid phase. One does not need to monitor the directions of each solid particle. Thusly, Eulerian-Eulerian approach is one moderate modeling approach which could perform simulation of a pilot or industrial scale gasifier.
The Eulerian-Eulerian method was used for numerical modeling in the doctoral dissertation. All numerical studies were carried out in three-dimensional and unsteady. The k-epsilon dispersed turbulence model was used to model the gaseous phase. In addition, the P-1 radiation model is used to calculate the flux of the radiation and also the P-1 radiation model is computationally cheaper and efficient, which is usually incorporated to the Eulerian-Eulerian multi-fluid flow model. There are three phases in the modeling: Coal, bed material and gas.
Gasification reaction can be classified as homogeneous and heterogeneous chemical reactions. The reaction process that happens in a gas phase is named as homogeneous reaction while that happens between gas and particle phases is named as heterogeneous reaction. In this modeling, homogeneous and heterogeneous chemical reactions were considered. In this model, a total of 10 coal gasification reactions were used, including 5 homogenous and 5 heterogeneous reactions. The computational fluid dynamics package software ANSYS Fluent 15 can directly model homogeneous reactions. In order to be able to include heterogeneous reactions in the gasification model, an external code needs to be written. This code for ANSYS Fluent is called UDF (User Defined Functions). The UDF code was written for heterogeneous reaction modeling with ANSYS Fluent 15 in the PhD thesis.
The devolatilization is one of the critical issue for modeling coal gasification in fluidized bed technology. For this reason, a comprehensive CPD (chemical percolation devolatilization) model was chosen in this study. The chemical percolation devolatilization (CPD) model was improved to predict coal devolatilization yields as a function of time, temperature, pressure, and heating rate using a description of the coal's chemical structure. In addition to that, the CPD model characterizes the chemical and physical processes by considering the coal structure as a simplified lattice or network of chemical bridges that link the aromatic clusters. The CPD is able to accurately foresee volatiles rates, yield and composition in terms of high weight hydrocarbons (tar) and light gases. The model considers data from coal solid state Nuclear Magnetic Resonance (NMR) analysis as input. The Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is very comprehensive test therefore it is not easily available analysis. Since such kinds of data are not easily finding, there are correlations to obtain them from proximate and ultimate analysis of the coal in the literature.
In order to use the CPD model, comprehensive tests (such as NMR) should be carried out which reveal the structure of the coal molecule, and after these tests, 4 parameters related to the coal molecule structure should be obtained. The CPD model is not used extensively in the gasification modeling studies because it is difficult to carry out the tests that reveal the structure of the coal molecule, so less comprehensive modeling methods are preferred. However, the use of comprehensive models such as the CPD model is becoming important because of the volatilization of coal is significant. There are correlations in the literature in order to be able to use the CPD model based on the results of the proximate analysis and ultimate analysis tests for coal. With these correlations, the four parameters required for the CPD model can be calculated with the help of the more accessible proximate and ultimate analysis results instead of the test results (such as NMR) showing the molecular structure of the coal. Thus, many types of coal can be modeled using the CPD model.
The correlations that can be found in the literature were used 30 coal's NMR data to calculate 4 parameters which are necessary for CPD model. The work presented in this thesis, the CPD model correlations that can be found in the literature have been developed with using 45 NMR data of coals. In this manner the CPD model correlations data have been increased the number 45 by 50%. Besides the correlations that can be found in the literature have got fourth order equations but these equations order were upgraded to eight order by increasing coal's NMR data in this PhD thesis.
The coefficient of determination (R2) is the proportion of the variance in the dependent variable that is predictable from the independent variables in statistic. The coefficient of determination (R2) ranges from 0 to 1. The coefficient of determination (R2) is a statistic that will give some information about the goodness of fit of a model. In regression, the (R2) coefficient of determination is a statistical measure of how well the regression line adjacent to the real data points. If the coefficient of determination (R2) is closed to 1, it means that the regression line perfectly fits the data. In the light of this information, the correlations that can be acquired in the literature have got 0.79 mean value of the coefficient of determination (R2) for 4 parameters that are used in CPD model. In spite of that, after developing the correlations in PhD thesis with increasing data of the correlations, the mean value of the coefficient of determination is 0.987 for 4 parameters that are necessary to use CPD model.
The correlations that have been developed in this PhD thesis data are suitable and adaptable for 5 Turkish lignites. Because the results of 45 coals approximate and ultimate analyses used to improve the correlations are consistent with the results of the analysis of 5 selected Turkish lignites. This consistency has been shown in detail in the doctoral dissertation. 

Thus, the scope of the correlations in the literature have been expanded and made available for 5 selected Turkish lignites. With these correlations, which are developed by the scope of the doctorate thesis, 4 parameters required for the CPD model were calculated from the results of the approximate and ultimate analysis of the selected 5 Turkish lignites. With these calculated parameters, the CPD model becomes available for 5 selected Turkish lignites.
The coal gasification model that has been developed in this study verified with 18 experimental results. These experiments have got three different reactor geometry also. By this way, the model was experienced with different reactor geometry. Of the 3 selected reactor bed geometries, two are bubbling and the other is a circulating fluidized bed. The height of one of the bubbling fluidized beds is 2 meters while the bed height of the other is 2.81 meters. In addition, the height of the circulating fluid bed is 5.46 meters. Additionally, the model developed within the scope of the doctorate was compared with the results of bubbling fluidized bed modeling in 7 numerical studies in the literature. Following extensive validation of the model developed in the doctoral dissertation, parametric studies have been carried out using 5 selected Turkish lignites in both bubbling fluidized bed and circulating fluidized bed geometries. The effect of the reactor height, equivalence ratio (ER) and steam to coal ratio on the selected 5 Turkish lignites gasification have been studied. The syngas mole fraction was generated at the exit of the reactor.
Firstly, the parametric studies for the bubbling fluidised bed will be explained. The effects of bed height, equivalence ratio (ER) and Steam/Coal mass ratio on the gasification of 5 selected Turkish lignites in bubbling fluidized bed geometry have been studied parametrically. In the bubbling fluidized bed, totally 13 different reactor heights were investigated to obtain the effect of the reactor height on the selected 5 Turkish lignites gasification. In other words, 65 cases have been created for 5 Turkish lignites at 13 different reactor heights in bubbling fluidized bed. In the parametric study, the minimum and maximum reactor height were chosen 1.5 and 12 meters respectively. The mole fraction composition of the exiting gases like CO, H2 ve CO2 have been obtained with according to the different bubbling fluidized bed reactor heights. A total of 85 case studies were made with using 17 different equivalence ratios (ER) for 5 selected Turkish lignites gasification in the bubbling fluidized bed. By this means, the effect of the equivalence ratio on 5 Turkish lignites gasification in the bubbling fluidized bed has been studied. In the parametric study for the equivalence ratio (ER), the lowest ER value was 0.10 and the highest ER value was 0.60. The effect of the equivalence ratio on the mole fractions of CO, H2 and CO2 gases obtained at bed exit was investigated. The final parametric study that was studied in the bubbling fluidized bed gasification with using 5 selected Turkish lignites is related about Steam/Coal mass ratio effects on the gasification. For this parametric study, a total of 105 cases have been created at 21 different Steam/Coal mass ratios for 5 selected Turkish lignites gasification. The Steam/Coal mass ratio range 0.10-2.00 was chosen for parametric study in the bubbling fluidized bed. These 105 cases were examined and obtained the mole fraction of the CO, H2 and CO2 gases at the exit of the bubbling fluidized bed. A total of 255 cases were constructed using bubbling fluid bed geometry to investigate the effect of bed height, equivalence ratio (ER), and Steam/Coal mass ratio on the gasification of 5 selected Turkish lignites.
Some important results obtained by parametric studies using selected 5 Turkish lignites in the bubbling fluidized bed can be summarized as follows: When the bed height is more than 3 meters in the bubbling fluid bed geometry, it is determined that the change in mole fractions obtained for the CO, H2 and CO2 gases at the exit of the bed is small. In the parametric studies for the equivalence ratio (ER), it is found that when the ER value is 0.32, the molar fractions obtained for CO and H2 gases have the highest value whereas the molar fractions obtained for CO2 gas have the lowest value. The final parametric study on the bubbling fluidized bed, the increase of the Steam/Coal mass ratio, revealed that the mole fractions obtained for the H2 and CO2 gases at the exit of the bed increased whereas the mole fractions obtained for the CO gas decreased.

The effects of bed height, equivalent ratio (ER) and Steam/Coal mass ratio on the gasification of 5 selected Turkish lignites were investigated in the circulating fluid bed geometry too. In order to investigate the effect of bed height, a total of 80 cases were created for each Turkish lignites at 16 different bed heights. The bed height working range was taken as 2 meters minimum and 16 meters maximum. In the parametric study for the equivalence ratio (ER), 17 different ER values were selected and a total of 85 cases were created for the 5 selected Turkish lignites. The equivalence ratio (ER) parametric study interval was chosen as the lowest 0.10 and the highest 0.60, as in the parametric studies which were studied in the bubbling fluidized bed. In the last parametric study in the circulating fluidized bed, 20 different ratios were determined to investigate the effect of the Steam/Coal mass ratio on gasification. For the 5 selected Turkish lignites, a total of 100 cases were created at the 20 different Steam/Coal mass ratios. Thus, the effects of bed height, equivalence ratio (ER) and Steam/Coal mass ratio in the circulating fluidized bed geometry were investigated. A total of 265 case were created to investigate the effects of bed height, equivalence ratio, and Steam/Coal mass ratio on the mole fractions of CO, H2, and CO2 gases obtained at bed exit in the gasification of 5 selected Turkish lignites in the circulating fluidized bed.
It has been found that the molar fraction values obtained for the CO and H2 gases at the outlet of the bed increase with the increase of the bed height from the parametric studies performed in the circulating fluidized bed geometry and the molar fraction value obtained for CO2 gas decreases as the bed height increases. If the equivalence ratio (ER), which is the second parametric study in the circulating fluidized bed, is increased from 0.1 to about 0.32, the mole fractions obtained for the CO and H2 gases at the bed exit are increased, whereas the molar fraction obtained for the CO2 gas is decreased. However, when the equivalence ratio (ER) is increased from 0.32 to 0.60, the mole fractions obtained for the CO and H2 gases at the exit of the bed are decreased while the mole fractions obtained for the CO2 gas are increased. The last parametric study of the circulating fluidized geometry is to investigate the effect of the Steam/Coal mass ratio on the gasification with using 5 selected Turkish lignites. Increasing the Steam/Coal mass ratio has been found to increase the mole fractions obtained for H2 and CO2 gases at the bed exit, while causing a decrease in the mole fraction obtained for CO gas. This result is similar to the result that was obtained in the bubbling fluidized bed.
As a result, a comprehensive computational fluid dynamics (CFD) model was developed for coal gasification in the doctoral dissertation and the developed model was verified by experimental studies in the literature. After that, two fluidized bed geometries (bubbling and circulating) which are frequently used for gasification were selected and extensive parametric studies were carried out. These parametric studies have investigated the effect of reactor height, equivalent ratio (ER) and Steam/Coal mass ratio on gasification in both bubbling and circulating fluidized beds. The effect of bed height, equivalence ratio (ER) and Steam/Coal mass ratio on the mole fractions obtained for the CO, H2 and CO2 gases at the reactor outlet was determined. Increasing the number of data and the degree of correlations of the CPD model correlations in the literature is important in order to make the doctor's thesis unique. In addition, comprehensive parametric studies for 5 different Turkish lignites within the scope of doctorate thesis are important in terms of providing a significant contribution to the work to be done thereafter. Besides, parametric studies using two different reactor bed geometries in the doctoral dissertation are important in terms of showing the effect of bed type on the gasification of selected Turkish lignites. These reactor geometries are the bubbling and circulating fluidized bed geometries that are used commonly nowadays. The bubbling and circulating fluidized beds have advantages and disadvantages relative to each other. The modeling and extensive parametric studies of selected 5 Turkish lignites in both bubbling and circulating fluidized bed geometries are one of the preliminary conclusions of this doctoral thesis. In this doctoral dissertation, 520 cases were created for 5 Turkish lignites in both bubbling and circulating fluidized bed geometries. These comprehensive modeling results are thought to be useful for future studies.