Biyokütle yakıtlı dolaşımlı tip bir akışkan yataklı buhar kazanında çok fazlı akışın ve yanmanın sayısal incelenmesi
Numerical investigation of multiphase flow and combustion in a biomass fuelled circulating fluidized bed steam boiler
Yazar: AHMET KEÇECİ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN TOPAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Marmara Bölgesindeki orman atıklarından türetilmiş biyokütle yakıtlı bir dolaşımlı akışkan yataklı buhar kazanı hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile incelenmiştir. MFiX paket programı kullanılarak yapılan çalışmada, Particle-in-Cell (parsel içinde partikül) modeli kullanılmıştır. Dolaşımın, çarpma separatörü olarak çalışan U-kirişler ile sağlandığı yatak için sayısal çözüm sınır şartları, psüdo-yanma sınır şartları ile tanımlanmıştır. Psüdo-yanma modeli için yakıtın özelliklerine bağlı, 850°C için yanma gazı hesapları analitik olarak yapılmıştır. Mevcut hali ile çalışmakta olan buhar kazanının geometrisi kullanılarak gaz-katı hidrodinamik yapı incelenmiştir. İncelenen kazanın gerçek sorunları ve simülasyon sonuçları incelenerek, var olan veya olası problemler tespit edilmiştir. Tespit edilen sorunlar için yapılan öneriler, tekrar sayısal olarak çözülmüş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Yapılan incelemeler sonucunda biyokütle yanması için önemli bir yere sahip olan ikincil hava besleme nozullarının akış yönünün su duvarları ve sirkülasyonla ilgili sorunlara yol açtığı görülmüştür. Ortalama gaz hızlarının 8 m/s üstüne nadir çıktığı duvar bölgelerinde, ikincil hava beslemesi sebebiyle gaz hızlarının 10 m/s üzerine çıktığı bölgeler gözlemlenmiştir. Aynı bölgede katı hızlarının da yükselmesi ile su duvarlarının zarar gördüğü ve sirkülasyonun yeterli olmadığı belirlenmiştir. Yatay konumdaki ikincil hava nozullarının 20° aşağı yönlü çevrilmesi ile duvar bölgesindeki gaz ve katı hızlarının düştüğü, katıların yukarı yükseldiği ve dolaşımın daha iyi sağlandığı gözlemlenmiştir. İkincil hava besleme açılarının değiştirilmesi ile katı miktarı yoğun faz bölgesinde küçük bir oranda değişiklik gösterirken (-%3,77), nozullar üstü seyreltik faz bölgesinde daha büyük artış (+%202,69) göstermiştir. Ayrıca yatak içi katı partikül dolaşımını sağlamak için iç duvar eklenerek yapılan çözümün, U-kiriş bölgesindeki partikül birikmesinin sisteme geri dönüş problemini giderdiği görülmüştür. Çözüm süresinin düşürülmesi için yapılan ayrıklaştırma şeması çalışmasında literatürde kullanılan van Leer ve Superbee şemalarının hibrit kompozisyon ile kullanılmasının sadece Superbee'ye kıyasla %55,11, sadece van Leer'e kıyasla %21,03 daha hızlı çözüme ulaştığı belirlenmiştir. Yürütülen çalışmalar ile modelleme maliyeti düşürücü yaklaşımlar kullanılarak endüstriyel ölçekli bir buhar kazanının modellenmesi için MFiX-PIC kullanımının uygun olduğu anlaşılmıştır.

Abstract:
In this study, a circulating fluidized bed steam boiler with biomass fuel derived from forest wastes in the Marmara Region was investigated by the computational fluid dynamics method. Particle-in-Cell method was used in the study using the MFiX software. The boundary conditions of the numerical solution for the bed, in which the circulation is provided by the u-beams working as the impact separator, are defined by the pseudo-combustion boundary conditions. For the pseudo-combustion model, the combustion gas calculations were made analytically for 850°C, depending on the characteristics of the fuel. The gas-solid hydrodynamic structure was investigated by using the geometry of the steam boiler operating in its current state. Existing or potential problems were determined by examining the real problems and simulation results of the investigated boiler. The suggestions for the identified problems were solved numerically again and the results were compared. As a result of the investigations, it has been seen that the flow direction of the secondary air supply nozzles, which have a crucial point for biomass combustion, causes problems with water walls and circulation. In the wall regions where the average gas velocities rarely exceed 8 m/s, the gas velocities exceed 10 m/s due to the secondary air supply, were observed. It was determined that the water walls were damaged and the circulation was not sufficient with the increase in solid velocities in the same region. It has been observed that the gas and solid velocities in the wall region decrease, the solids rise upwards and the circulation is provided better by turning the horizontally positioned secondary air nozzles downwards by 20°. By changing the secondary air supply angles, the number of solids showed a slight change (-3.77%) in the dilute phase region, while it increased more (+202.69%) in the upper nozzle dense phase region. In addition, it has been observed that the solution made by placing an inner wall to ensure the circulation of solid particles in the bed eliminates the problem of particle accumulation in the U-beam area that returns to the system. In the spatial discretization scheme study conducted to reduce the solution time, it was determined that the use of van Leer and Superbee schemes used in the literature with hybrid composition reached 55.11% faster result compared to Superbee alone, and 21.03% faster than only van Leer. It has been evaluated that the use of MFiX-PIC is appropriate for modelling an industrial-scale steam boiler by using modelling cost-reducing approaches with the studies understood.