Laboratuvar ölçekli yeraltında kömür gazlaştırma reaktörünün hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile yapay gaz üretiminin analizi
Computational fluid dynamics analysis of syngas production from an ex-situ underground coal gasification reactor
Yazar: ENGİN DENİZ CANBAZ
Danışman: PROF. DR. MESUT GÜR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Homojen gaz reaksiyonları = Homogeneous gas reactions ; Isı geçişi = Heat transfer ; Katı-gaz reaksiyonları = Solid-gas reactions ; Kimyasal reaksiyon = Chemical reaction ; Kütle aktarımı = Mass transfer ; Linyit kömürü = Lignite coal ; Piroliz reaksiyonu = Pyrolysis reaction ; Sayısal akışkanlar dinamiği = Computational fluids dynamic ; Yer altı kömür gazlaştırması = Underground coal gasification ; Çok reaksiyonlu sistem = Multiple reaction system

Özet:
Yeraltında kömür gazlaştırma işlemi, kömür cevherinden, geleneksel madencilik yöntemlerinden farklı bir şekilde, yanıcı gaz elde edilerek faydalanılmasını sağlayan bir teknolojidir. Bu yöntemde, yeraltındaki kömür damarına sondaj yapılarak, sırasıyla, besleme kuyusu ve üretim kuyusu olarak isimlendirilen iki adet kuyu açılmaktadır. Besleme kuyusudan gazlaştırma ajanı olarak adlandırılan hava, saf oksijen, su buharı, karbondioksit veya bunların karışımından olan gazlar gönderilmektedir. Beslenen gazlar yeraltındaki kömür ile yanma ve gazlaşma tepkimelerine girerek kömürden ikincil bir yakıt elde edilmesini sağlamaktadır. Yapay gaz olarak adlandırılan bu ikincil yakıt ise üretim kuyusundan toplanarak yüzeye çıkartılır. Üretilen yapay gazın içeriğinde büyük oranda CO2, CO, H2 ve CH4 görülmektedir ve bu içerik sayesinde enerji ve hammadde kaynağı olarak çeşitli endüstriyel işlemlerde kullanılmaktadır.
Yeraltında kömür gazlaştırma işlemi özellikle madenciliği ekonomik olmayan kömür yatakları için gelecek vaat etmektedir. Ancak YKG işlemi kontrolü zor ve çıktıları zamana bağlı olarak değişen bir süreçtir. Ayrıca işlem çıktıları kömür ve kömür yatağının özelliklerine göre büyük oranda değişmektedir. YKG işlemindeki bu değişkenliğin, çıktıların tahminini zorlaştırdığı açıktır. Süreç tahminini kolaylaştırmak için pilot denemeler ve saha deneyleri yapılmaktadır. Ancak bu deneme çalışmaları pilot ölçekli tesis kurulumu gerektirdiği için oldukça maliyetlidir. Saha deneyleri yerine son yıllarda laboratuvar ölçekli YKG deney tesisatları kurularak düşük maliyetlerle çeşitli kömürlerin YKG işlemine ve işlem parametrelerine etkisi ölçülebilmektedir.
Tüm bu deneysel çalışmaların yanında YKG işlemi için matematiksel model geliştirme çalışmaları da yürütülmektedir. Matematik modeller sayesinde deneysel çalışmalarla da elde edilmesi mümkün olmayan veriler elde edilebilmektedir. Bunun yanında farklı işletme parametreleri de daha hızlı ve az maliyetle test edilebilmektedir. Bu tez kapsamında yeraltında kömür gazlaştırma işlemi için süreç sırasında görülen kinetik reaksiyonları kullanan 2 boyutlu, zamana bağlı matematik model geliştirilmiş ve hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile matematik modelin çözümü elde edilmiştir.
YKG işleminin gerçekleştiği kömür bloğu gözenekli olarak modellenmiş ve kömür içerisinde gerçekleşen kuruma, piroliz, homojen ve heterojen reaksiyonlar model içerisinde yer almıştır. Kömürün gözeneklilik değeri, kömürün nem, kül, uçucu ve sabit karbon içeriğine bağlı olarak değişken ele alınmıştır. Böylece, reaksiyonlar neticesinde gerçekleşen kömür tükenimi modellenmiştir. Bu kömür tükenimi sırasında aynı zamanda kömür içindeki oyuk (kavite) oluşumu da modellenmiştir. Kömür bloğunun yanında gazlaştırma ajanları ve yapay gaz akışının gerçekleştiği gazlaştırma kanalı modele dahil edilmiştir. Gözenekli ortam olarak kabul edilen kömür bloğunda ve gazlaştırma kanalında momentum, kütle korunumu ve enerji korunumu denklemleri yardımıyla momentum, ısı ve kütle transferi hesaplanmıştır. Gazlaştırma kanalı ve kömür bloğu içinde gerçekleşen türbülanslı akış etkileri ise k-ε modeli ile hesaplanmıştır.
Hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemini kullanan ANSYS Fluent paket programı kullanılarak modelin sayısal çözümü sağlanmıştır. Sayısal çözüm çalışması için kullanılan geometri olarak, İTÜ Makina Fakültesinde, TÜBİTAK projesi kapsamında kurulan laboratuvar ölçekli YKG tesisatının reaktörü kullanılmıştır. Matematik model çözümünün doğrulanması, yine aynı deney tesisatında gerçekleştirilen bir deneysel çalışma ile yapılmıştır. Bu deneysel çalışmada Malkara-Pirinççeşme/Tekirdağ bölgesi linyit örneği ile oksijen ve su buharı kullanarak gazlaştırma işlemi yapılmıştır. Numerik sonuçların deneysel çalışmalar ile doğrulanmasında sonra YKG işleminde görülen oyuk (kavite) gelişimi, sıcaklık, kimyasal bileşen dağılımı sonuçları verilmiştir.

Abstract:
Underground coal gasification is an emerging technnology that utilizes coal reserves in a different way compared to conventional mining techniques. In this technique, a secondary fuel, syngas is produced from the coal via combustion and gasification processes. Two wells are drilled into underground coal seam and named as supply well and production well. The supply well is used to supply oxygen, air, steam, carbon dioxide or their mixture, which are also named as gasification agents, into the coal seam. The objective of the production well is to collect the product gas, syngas. The product gas is composition of, mainly, CO2, CO, H2 ve CH4 and utilized in many industrial processes and power generation.
UCG is a promising technology, especcially, for economically unfeasible coal reserves. However, UCG is a very complex process, includes multiphysics and it is not an easy task to predict its outcomes. UCG pilot trials have been done in many coal sites around the World in order to monitor and measure how a specific coal reserve reacts to UCG technology. In recent years, laboratory scale ex-situ gasification experiments have been conducted to avoid the high costs of the site tests. In the lab. scale experiments coal blocks are used as the coal samples and gasification reactors are used to simulate underground conditions. Thanks to the UCG experimental setups, the effects of coal content and process parameters on syngas production and optimal process parameters can be identified without the site tests.
Also mathematical models for UCG are developed to understand the physical and chemical phenomena of UCG. Detailed information about UCG, which can not be obtained experimental studies, can be obtained with the help of mathematical models. In addition, different UCG process parameters can be experimented and simulated using mathematical models at almost no cost. 
In this study, a mathematical model, that is two-dimensional, time-dependent and based on kinetic reaction rates, is developed and computational fluid dynamics technique is used to obtaion numerical results for UCG. The model includes six different chemical species (O2, CO2, CO, H2O, H2 and N2), three homogeneous reactions (carbon monoxide combustion, hydrogen combustion and water-gas shift reaction), three heterogeneous reactions (fixed carbon combustion, water gasification, carbon dioxide gasification) and two important coal process, drying and pyrolysis. Methane component (CH4) is neglected because the methane percentage in the produced syngas is at relatively low levels (less than 5%) when UCG is operated at atmospheric pressure condition.
Gasified coal block is modelled as porous medium which is assumed in thermal equilibrium and, as a result, heat transfer in gas and solid phases are governed by one conservation equation. Momentum conservation equation that includes porous media resistance is used to obtain velocity field inside the coal block. Momentum resistance created by the porous media is modelled with Darcy equation which assumes pressure drop due to porous media is linearly related with velocity. Mass conservation equations for chemical species are also used to predict mass transfer of each specie.
Essential coal process such as drying, pyrolysis, homogeneous and heterogeneous reactions, which are occurring in the coal block, are included via kinetic reaction rate expressions. For homogeneous reactions, laminar finite rate/eddy dissipation reaction model is used. This model uses the laminar finite rate and Arrhenius expression to calculate the reaction rate to start the reaction. After the reaction starts, it is assumed that turbulence controls the reaction rate due to turbulent mixing effect. Eddy dissipation model is used to calculate the turbulence controlled reaction rate. Eddy dissipation model uses turbulent kinetic energy and turbulent energy dissipation rate quantities to predict turbulent mixing effect. The heterogeneous reactions are modelled with first order finite-rate reaction rates using related Arrhenius expressions and constants. Drying and pyrolysis processes are assumed as chemical reactions and single step reaction equations are used with appropriate Arrhenius constants.
Heterogeneous reaction and drying & pyrolysis processes are assumed to occur in porous region and change the physical properties of the region. In reality, moisture, volatiles, fixed carbon and ash are the content of the porous-coal region and they change over time as reactions and processes progress. In the model, porosity value of the porous region is taken into account as variable as the moisture, volatile and fixed carbon content of the coal-porous region. As a result, coal consumption due to the reactions is modelled and because of the variation of porosity, cavity formation inside the coal block is simulated.
Turbulence is an important phenomenon for underground coal gasification. Because of large density and temperature gradients, turbulent double diffusive natural occurs inside the void zone (cavity). Turbulent double diffusive natural convection, which is dominant mechanism in the UCG, can be described as combined buoyancy forces that acts on the flow field. It dominates the flow when Grashof number is larger than 1010, Reynolds number is larger than 104 and Gr/Re2 is much larger than 1. Turbulent flow in cavity is modelled with k-ε turbulence model which is based on gradient transport assumption and turbulent kinetic energy (k) and turbulent energy dissipation rate (ε) quantities are used to calculate turbulent mixing properties such as diffusion coefficients and turbulent controlled reaction rates.
Two-dimensional geometry is based on an ex-situ UCG reactor which is part of a laboratory scale UCG experimental setup. The experimental setup was built in faculty of mechanical engineering of Istanbul Technical University with the support of TÜBİTAK (The Scientific and Technological Research Council of Turkey). The setup has the capacity to measure the temperature levels inside the coal block and specify the syngas composition. The syngas flow rate and composition is measured after raw-syngas (which contains water, solid particles and tar) is cleaned and cooled. After the specification of composition, the produced syngas is burned using a flare to reduce the environmental risks. The UCG reactor of the experimental setup has inner dimensions of 70×40×180 cm and outer dimensions of 65×101×207 cm. The reactor has inlet and outlet sections at the bottom part of the place where the coal block is positioned. Similarly, the geometry used for numerical analysis has dimensions of 35×180 cm for coal block and gasification channel beneath the coal which has thickness of 5 cm.
Also, results obtained from the mathematical model compared and validated with the results of an experimental study that is conducted on the same UCG experimental setup. In the experimental study, lignite sample from the mining site in Malkara-Pirinççeşme/Tekirdağ is gasified with the supply of oxygen and steam. Thermophysical properties and coal approximate analysis results of the Malkara-Pirinççeşme/Tekirdağ lignite are used in the mathematical model.
ANSYS Fluent, which is based on CFD methods, is used to solve the mathematical model. SIMPLE algorithm is used to couple pressure and velocity field and second order discretization method is used to discretize convective terms in the governing equations. Numerical results show great agreement with the produced syngas composition that is measured at the end of the ecperimental UCG setup. Especially, hydrogen content of the syngas is predicted very well for both oxygen gasification and water gasification stages. After the validation of the numerical results, the other results that are showing the predicted cavity formation, temperature field, distribution of species inside the geometry are given. These results show great agreement with the UCG process described in the literature and validates some assumptions made for UCG process. Temperature and species' distribution show different reaction zones within the coal block as expected. Oxygen fed into the block is consumed mostly at the inlet due to homogeneous combustion reactions and hydrogen and carbonmonoxide content of syngas is mainly produced via heterogeneous gasification reactions.