Entrained Flow Gasification - Conversion of Liquid and Suspension Fuels in the Burner Near Field

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, die Interaktion der Teilprozesse in der Flammenzone eines Flugstromvergasers für flüssige und suspensionsförmige Einsatzstoffe auf Grundlage detaillierter experimenteller Daten und validierter Modellrechnungen umfassend zu beschreiben.
In Flugstromvergasern werden feste, flüssige oder suspensionsförmige Einsatzstoffe durch partielle Oxidation zu Synthesegas (CO und H2) umgesetzt. Dabei bildet sich eine unterstöchiometrische Sprayflamme in einer Umgebung aus heißem Synthesegas. Die ausgebildete Flammenstruktur unterscheidet sich dabei grundlegend von einer Sprayflamme unter Verbrennungsbedingungen. ... mehrDer Brenner bestimmt die Mischung der Reaktanden, das Temperaturfeld und die Eigenschaften des Brennstoffsprays und definiert somit die Randbedingungen für die Umsetzung des Brennstoffs im Reaktor. Trotz der Relevanz dieser Vorgänge für die Effizienz des Gesamtprozesses ist die Wechselwirkung zwischen den brennerspezifischen Parametern, der Flammenstruktur und der Brennstoffumsetzung im Flugstromvergaser nur unzureichend untersucht. Dies gilt insbesondere für Suspensionsbrennstoffe. Forschungslücken bezüglich experimenteller Daten und geeigneter Modelle zur Beschreibung der Flammenzone im Flugstromvergaser wurden im Rahmen dieser Arbeit identifiziert.
Eine Brennerkonfiguration (zentraler Flüssigkeitsstrahl mit Gaszugabe über einen umgebenden Ringspalt) wurde als Referenzkonzept für diese Arbeit ausgewählt. Ein System zur Messung der laserinduzierten Fluoreszenz von OH-Radikalen und Brennstofftracern wurde an einem bei Atmosphärendruck betriebenen Flugstromvergaser installiert. Die damit gewonnenen Messdaten wurden durch Spraymessungen mittels PDA und invasiven Temperaturmessungen ergänzt. Verschiedene flüssige und suspensionsförmige Modellbrennstoffe wurden in den Experimenten eingesetzt. Ein in Vorarbeiten entwickeltes 2-Phasen Freistrahlmodell wurde im Rahmen dieser Arbeit im Hinblick auf ein verbessertes Reaktionsmodell, die Beschreibung eines variablen Spraywinkels und die Beschreibung von Suspensionstropfen erweitert und validiert. Das vereinfachte Modellkonzept ermöglicht die unabhängige Variation verschiedener Prozessparameter zur Charakterisierung ihrer Auswirkung auf die Flamme sowie den einfachen Austausch von Teilprozessmodellen zur Bewertung ihrer Anwendbarkeit auf die Flammenzone. Das Modell wurde zur Interpretation experimenteller Ergebnisse und für Sensitivitätsstudien bezüglich Prozessparametern und Tropfenmodellen eingesetzt.
Im Flammenbereich wurden eine Kernzone, eine Oxidationszone und eine Vergasungszone identifiziert. Die Flamme in Flugstromvergaser kann aufgefasst werden als eine von einem Brennstoffspray überlagerte turbulente inverse Diffusionsflamme eines oxidierenden Gasstrahls in einer heißen Synthesegasumgebung. Die Einmischung von Synthesegas in den Strahl sowie die Brennstoffverdampfung stellen die dominierenden Teilprozesse dar. Der Einfluss von Gasimpulsstrom, Tropfengröße und Spraywinkel auf die Flammenlänge- und Form sowie die Brennstoffumsetzung innerhalb der Flamme wurde im Rahmen der Arbeit quantitativ beschrieben. Zwei unterschiedliche Flammenformen (geschlossene Flamme und Hohlkegelflamme) wurden identifiziert. In Abhängigkeit der Prozessbedingungen verdampft ein signifikanter Teil des flüssigen Brennstoffs außerhalb der Flamme in der Vergasungszone. Dies kann im technischen Prozess zur Bildung unerwünschter Nebenprodukte wie Ruß und Cenosphären beitragen. Die Flammenstruktur beim Einsatz von Suspensionsbrennstoffen unterscheidet sich nicht prinzipiell von der Flammenstruktur bei Flüssigbrennstoffen. Unter den untersuchten Bedingungen wird der größte Teil des festen Brennstoffs nach der Flamme in der Vergasungszone aus den Tropfen freigesetzt. Die Wahl des zur Simulation verwendeten Tropfenumsetzungsmodells zeigt einen entscheidenden Einfluss auf die Vorhersage der Flamme.
Das 2-Phasen Freistrahlmodell ist in der Lage, die im Experiment beobachteten Abhängigkeiten für flüssige und suspensionsförmige Brennstoffe im untersuchten Parameterbereich korrekt vorherzusagen. Das Modell trägt somit zu einem tieferen Verständnis der Prozesse in der Flammenzone von Flugstromvergasern bei. Das Modell ermöglicht die einfache Durchführung von Sensitivitätsstudien und den Vergleich von Teilprozessmodellen und ist daher geeignet, die weitere Entwicklung von CFD-Modellen und Brennerdüsen für die Flugstromvergasung zu unterstützen.

The present work attempts a comprehensive assessment of the interaction of sub-processes in the flame zone of an Entrained Flow Gasifier (EFG) for liquid and suspension fuels based on detailed experimental data and validated model calculations.
EFG convert liquid, solid or suspension feedstocks into syngas (CO and H2) by partial oxidation. In the EFG process, a fuel rich spray flame is stabilized within a hot syngas environment, featuring a reaction zone structure different from typical combustion conditions. The burner controls reactand mixing and temperature field and determines spray properties, providing the boundary conditions for conversion of the fuel. ... mehrDespite the relevance for process efficiency, the relation between burner related parameters, flame structure and fuel conversion in EFG is not well explored. This is especially true for suspension fuels. Major gaps in literature concerning experimental data and suitable models of the EFG flame zone were identified.
One EFG burner concept (central liquid jet surrounded by an annular oxidizer stream) is selected as reference configuration for this work. A system for measurement of OH-LIF and Fuel-Tracer-LIF was installed at an atmospheric pressure EFG plant, complemented by PDA and invasive temperature measurements. Different liquid and suspension surrogate fuels were applied. A previously developed 2-Phase Free Jet Model (2-Ph-FJM) was extended and validated with respect to an improved reaction model, the description of a variable spray angle and suspension droplets. This simplified model allows to independently analyze the impact of selected process parameters on the flame and enables the simple exchange of sub-process models in order to evaluate their applicability to the EFG flame. The model was used to interpret experimental results and to conduct sensitivity studies on process parameters and droplet conversion models.
In the EFG flame, a core zone, an oxidation zone and a gasification zone were identified. The liquid fuel EFG flame can be regarded as a turbulent inverse diffusion flame of an oxidizer jet reacting with syngas from the surrounding atmosphere, which is superimposed by a fuel spray. Syngas entrainment and fuel evaporation are the dominant sub-processes. The impact of gas momentum flow, droplet size and spray angle on flame length, flame shape and fuel conversion within the flame were described quantitatively. Two different flame shapes (closed and hollow cone) were identified. A significant portion of liquid fuel evaporates outside the flame, depending on process conditions. This may cause the formation of unwanted by-products like soot or cenospheres in a technical process. When suspension fuels are applied, the reaction zone structure does not fundamentally differ from liquid fuels. Under the investigated conditions, most solid fuel was released from droplets after the flame. The choice of the droplet conversion sub-model shows critical influence on the prediction of the flame.
The 2-Ph-FJM shows the capability to reproduce the experimentally observed trends for liquid and suspension fuels in the investigated range of operating conditions and input parameters, improving process understanding of the EFG flame zone. The model provides a framework to evaluate sub-process models and conduct parameter sensitivity studies, making it suitable to assist the further development of more complex CFD models and EFG burners.