Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Numerical analysis of thermal and chemical processes in the gasification of biomas

Jakub Korotko

Abstract

Following thesis is the result of eighteen months partnership with established research group at the Department of Physics at the University of Warsaw on issue of biomass gasification and syngas preparation. The demand for energy favors the development of the alternative energy sources. The importance of biomass as a renewable fuel is becoming more noticeable. Increasingly stringent restrictions on pollution lead to the new challenging designs of the biomass gasifiers. Aim of this study is to simulate the processes involved in converting biomass to synthesis gas. The present work is devoted to numerical modelling of biomass gasification with the commercial CFD application Fluent. The conversion of biomass to syngas takes place in gasifiers where four different processes can be distinguished: water evaporation, pyrolysis, gasification and oxidation. By taking advantage of the User Defined Functions (UDF) it is possible to formulate a two-phase model, where these two phases come to interact. The space occupied by biomass is treated as a porous medium. Darcy’s law is applied to calculate the fluid flow through the porous medium. In order to simulate the four above mentioned processes it is necessary to model the heat transfer between solid and gas where heat exchange in the porous medium is modelled as purely convective. The UDF code is constructed with in-built possibility of modelling different types of biomass such as wood, feathers or straw. In this work presented here it focus on the specific type of biomass - namely wood. The calculations are divided into four phases. The first stage of the simulation includes a cold flow through the bed without taking into account thermal and chemical reactions. The next step is thermogravimetry of small wood sample where thermal processes of moisture evaporation and volatile pyrolysis are assumed. The third step in the calculation is simulation of the pyrolysis reactor for the bed of wood pieces. The last stage is calculating the mass loss of charcoal particle in various gas atmospheres, these simulations take into account the chemical reactions. In order to obtain reliable CFD results in this new area, results are validated specifically with performed measurements in laboratories for the research group cooperating with the author of this thesis. These measurements relate to thermogravimetry of small wood specimen and pyrolytic reactor of wood particles in packed bed.
Record ID
WUTd774e750c4244d0cb5433d4605739d94
Diploma type
Master of Science
Author
Jakub Korotko (FPAE/IHE) Jakub Korotko,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Numeryczna analiza procesów cieplnych i chemicznych w zagazowaniu biomasy
Supervisor
Andrzej Teodorczyk (FPAE/IHE) Andrzej Teodorczyk,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)
Study subject / specialization
, Lotnictwo i Kosmonautyka
Language
(en) English
Status
Finished
Defense Date
27-06-2012
Issue date (year)
2012
Pages
81
Internal identifier
MEL; PD-1867
Reviewers
Andrzej Teodorczyk (FPAE/IHE) Andrzej Teodorczyk,, The Institute of Heat Engineering (FPAE/IHE)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Janusz Piechna (FPAE/IAAM) Janusz Piechna,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
BIOMASA, ŹRÓDŁA ENERGII ODNAWIALNEJ, FLUENT PROGRAM
Keywords in English
BIOMAS, SOURCE OF RENEWABLE ENERGY, FLUENT PROGRAM
Abstract in Polish
Niniejsza praca dyplomowa jest wynikiem półtorarocznej współpracy z grupą badawczą utworzoną na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego na temat zgazowania biomasy i otrzymywania syngazu. Zapotrzebowanie na energię sprzyja rozwojowi alternatywnych źródeł energii. Znaczenie biomasy jako odnawialnego paliwa staje się coraz bardziej zauważalne. Coraz ostrzejsze ograniczenia zanieczyszczenia prowadzą do nowych wymagających projektów zgazowarek biomasy. Celem pracy jest zasymulowanie procesów związanych z przetwarzaniem biomasy do syntezowego gazu. W pracy wykorzystano nowoczesne techniki modelowania numerycznego zgazowania biomasy z wykorzystaniem komercyjnego pakietu obliczeniowego CFD Fluent. Konwersja biomasy do gazu syntezowego zachodzi w zgazowarkach, gdzie cztery różne procesy można wyróżnić: parowanie wody, piroliza, gazyfikacja i utlenianie. Wykorzystując kod User Define Function (UDF) możliwe jest sformułowanie dwufazowego modelu, gdzie pomiędzy dwoma fazami zachodzi do interakcji. Miejsce zajmowane przez biomasę jest traktowane jako ośrodek porowaty. Prawo Darcy'ego jest stosowane do obliczania przepływu płynu przez porowate podłoże. W celu obliczenia czterech wyżej wymienionych procesów jest niezbędne modelowanie wymiany ciepła między ciałem stałym a gazem, gdzie wymiana ciepła w ośrodku porowatym jest modelowana zjawiskiem konwekcji. Kod UDF jest zbudowany z wbudowanych możliwości modelowania różnych rodzajów biomasy np. drewna, piór lub słomy. W przedstawianej pracy skupiono się nad konkretnym rodzajem biomasy - drewnem. Obliczenia są podzielone na cztery fazy. Pierwszy etap symulacji obejmuje tylko zimny przepływ przez złoże bez uwzględniania reakcji termicznych i chemicznych. Kolejny etap dotyczy termograwimetrii niewielkiej próbki drewna, gdzie zakłada się procesy termiczne odparowania wilgoci oraz pirolizy części lotnych. Trzecim krokiem obliczeń jest symulacja reaktora pirolitycznego dla złoża kawałków drewna. Ostatnim etapem jest policzenie ubytku masy z kawałka węgla drzewnego w różnych atmosferach gazu, w tych symulacjach uwzględnienia się reakcje chemiczne. W celu uzyskania wiarygodnych wyników CFD w nowej dziedzinie, rozwiązania są potwierdzone ze specjalnie przeprowadzonymi pomiarami laboratoryjnymi dla grupy badawczej współpracującego z autorem tej pracy. Pomiary odnoszą się do termograwimetrii małej próbki drewna oraz pirolitycznego reaktora kawałków drewna w złożu.
File
  • File: 1
    Praca magisterska Jakub Korotko.pdf
Request a WCAG compliant version

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUTd774e750c4244d0cb5433d4605739d94/
URN
urn:pw-repo:WUTd774e750c4244d0cb5433d4605739d94

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page