Modelling and Simulation of Solid Fuel Particle Conversion

Der Klimawandel stellt nach wie vor eine der größten Herausforderungen für die Umwelt dar, die hauptsächlich auf den von Menschen verursachten Ausstoß von Treibhausgasemissionen zurückzuführen ist. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe, insbesondere Kohle, ist eine der Hauptquellen für den Ausstoß dieser Emissionen. Trotz der negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit wird Kohle in großem Umfang zur Deckung des wachsenden Energiebedarfs, vor allem in Entwicklungsländern, eingesetzt. Die gängigsten Ansätze zur Verringerung der Treibhausgasemissionen sind die Verbesserung des Kohleverbrennungsprozesses und der Einsatz von alternativen festen Brennstoffen. ... mehrAlternative feste Brennstoffe wie Biomasse und Eisen sind vielversprechende Optionen, da diese kohlenstoffarm/kohlenstofffrei verbrennen und in die bestehende Infrastruktur von Kohlekraftwerken integriert werden können. Dennoch ist ein detailliertes Verständnis des Verbrennungsprozesses von festen Brennstoffen unabdingbar für Optimierungsansätze. In diesem Zusammenhang spielen numerische Werkzeuge wie die numerische Strömungsmechanik (CFD) eine wichtige Rolle, da sie wertvolle Erkenntnisse zur Verbesserung der Effizienz und Nachhaltigkeit von Verbrennungssystemen liefern können.
In der CFD werden reaktive turbulente Gas-Feststoff-Mehrphasensysteme in der Regel mit dem Euler-Lagrange-Ansatz (EL) modelliert. Dieser bietet einen guten Kompromiss aus Berechnungseffizienz und Berechnungsgenauigkeit. In diesem Ansatz wird die Gasphase typischerweise als Kontinuum betrachtet, während die Feststoffpartikel als diskrete Lagrange-Punktpartikel angenommen und somit ihre Grenzschichten explizit modelliert werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den EL-Ansatz für verschiedene Arten von Feststoffpartikeln neu zu bewerten. Die Studie beginnt mit der Bewertung des Anwendungsbereiches des EL-Ansatzes für die Verbrennung von Biomasse durch den Vergleich mit aufwändigeren, aber genaueren grenzschichtaufgelösten Simulationen. Diese Bewertung dient dazu, den Gültigkeitsbereich des EL-Ansatzes zu identifizieren und empfiehlt die Anwendung von Coarse-Graining-Strategien für Szenarien, die außerhalb dieses Bereichs liegen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird ein komplexerer Fall aufgesetzt, der die Wechselwirkungen zwischen Turbulenz, Chemie und Feststoffpartikeln anhand der Kohleverbrennung untersucht. Hierbei wird ein mehrphasiger Tabellierungsansatz verwendet, der mit einer Large-Eddy-Simulation gekoppelt ist. Die gute Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den experimentellen Messungen bestätigt die Gültigkeit des Ansatzes. Im letzten Teil der Dissertation wird der EL-Ansatz auf Eisenpartikel erweitert. Dabei wird die erstmalige Untersuchung der Zündung und Verbrennung von Eisenpartikelwolken in schergetriebener Turbulenz vorgestellt. Diese Simulationen werden mithilfe der direkten numerischen Simulation der Trägerphase durchgeführt und liefern erste Einblicke in das Zusammenspiel zwischen Turbulenz und Zünd- und Verbrennungsverhalten sowohl monodisperser als auch polydisperser Eisenpartikelwolken.
In diesem Zusammenhang werden in dieser Dissertation die numerischen Methoden zur Simulation verschiedener Arten von pulverisierten Festbrennstoffen untersucht. Ziel ist es, Erkenntnisse zu gewinnen, die die Optimierung von Verbrennungssystemen unterstützen und dazu beitragen, eine saubere, effizientere und nachhaltigere Energienutzung voranzutreiben.

Climate change remains a critical environmental challenge, primarily driven by greenhouse gas emissions from human activities. Fossil fuel combustion, particularly coal, remains a major source of these emissions. Despite its negative impact on the environment and human health, coal remains widely used to meet growing energy demands, mainly in developing nations. Common strategies to mitigate the emissions include the improvement of the coal combustion process and adopting alternative solid fuels. Low- to zero-carbon fuels such as biomass and iron are promising options, because they can be integrated into existing coal power plant infrastructure. ... mehrHowever, a detailed understanding of the solid fuel combustion process remains crucial. In this regard, numerical tools like computational fluid dynamics (CFD) play an important role by providing valuable insights into combustion systems.
In CFD, reactive turbulent gas-solid multiphase systems are typically modelled using the Euler-Lagrange (EL) approach, which offers a good trade-off between computational efficiency and accuracy. In this framework, the gas phase is treated as a continuum, while solid particles are represented as discrete Lagrangian point-particles, with explicitly modelled boundary layers. The objective of this work is to re-evaluate the EL framework for different types of solid fuel particles. The study begins by evaluating the applicability of the EL approach for biomass combustion through comparison with more costly but more accurate boundary layer-resolved simulations. This assessment identifies the validity range of the EL model and recommends coarse-graining strategies for scenarios that fall outside this range. Building on these insights, a more complex case involving turbulence-chemistry- particle interactions is explored for coal. Here, a multiphase flamelet/progress variable model is coupled with a Large Eddy Simulation and the good agreement with experimental measurements confirms the accuracy of the approach. The final part of this thesis extends the EL framework to iron, presenting a first-of-its-kind investigation into the ignition and combustion of iron particle clouds under shear-driven turbulence. These simulations were conducted using carrier-phase direct numerical simulation and provided initial insights into the interplay between turbulence and the ignition and combustion behaviour of both monodisperse and polydisperse iron particle clouds.
In this context, this thesis investigates the numerical models for different types of pulverised solid fuels. The aim is to give insights that support the optimisation of combustion systems and contribute to a cleaner, more efficient and more sustainable energy future.