Fundamentals of Reactive Multi Phase Flows in Chemical Looping Combustion

Først ble prediksjonsegenskapene til de mest aksepterte modellene for strømning i fluidiserte senger fastlagt. Det ble da klarlagt at den modne To Fluid Modellen (TFM), med bruk av etablerte lukningslover, kan gi industrielt interessante simuleringsresult ater. Dette gjelder spesielt situasjoner der vi har fluidiserte senger med lav boblefraksjon, store partikkelstørrelser og langsommere reaksjonsrater. Betydelig innsats ble lagt ned for å danne en mer grunnleggende forståelse av gridavhengigheten (grid = beregningsnettverk) ved TFM simuleringer, noe som viste at partiklenes hydrodynamiske relaksasjonstid er en overraskende pålitelig predikator for den cellestørrelsen som kreves for å oppnå gode resultater. Reduksjon av partikkelstørrelse, økt fluidisering shastighet, redusert reaktorbredde og økt reaksjonsrate, førte alle til større kompleksitet i simuleringene, både på grunn av de små beregnings-cellene som da kreves, og som følge av usikkerhet relatert til ulike modellkoeffisienter. For det brede spekter av tilfeller som for overskuelig fremtid vil forbli utenfor rekkevidden for TFM-tilnærmingen, ble fire alternative modelleringsmetodikker undersøkt: 2D simulering, en Lagrange pakke-basert tilnærming, en filtrert Euler-basert tilnærming og en fen omenologisk 1D tilnærming. Det meste av arbeidet ble tilegnet denne relativt nye Lagrange pakke-baserte tilnærmingen. Tilnærmingen ble grundig testet og forbedret ved å inkludere transport av granulær temperatur og påvirkning av den komplette granulære sp enningstensoren på partikkelbevegelsen. Praktisk erfaring ble også oppnådd gjennom de andre tilnærmingene, noe som til slutt åpnet for tabulering av fordeler og ulemper ved disse fremgangsmåtene. Klare anbefalinger for det videre arbeidet ble utformet. Er faringene antyder at det virker lite sannsynlig at vi i nærmeste framtid vi ha tilgjengelig en enkel og allment anvendelig metode for alle typer fluidiseringstilfeller. De som jobber med å simulere fluidiseringsreaktorer bør derfor respektere de forskjell ige styrker og svakheter ved de ulike tilnærmingene for så å kunne velge den mest effektive modelleringstilnærmingen for en gitt applikasjon. En betydelig mengde arbeid ble også dedikert til modellvalidering, både mot publiserte eksperimenter og eksperimenter utført i prosjektet. Selv om en rekke uforklarlige avvik gjenstår, var sammenligninger med eksperimenter med fokus på hydrodynamikk, transport av stoffer og heterogene reaksjoner generelt oppmuntrende. Videre vil den erfaring man tilegnet seg med driften av den nye reaktoren konstruert i dette prosjektet være svært verdifull for fremtidige reaktive valideringsstudier. Det ble også funnet at å utvikle dedikerte eksperimenter var en vesentlig mer effektivt enn forsøkene med å validere model lene mot publiserte eksperimentelle data som ikke var samlet inn for det primære formålet med modellvalidering. Til slutt ble verdifull praktisk erfaring oppnådd med to mulige implementasjoner av reaktiv flerfasestrømningsmodellering for å akselerere utviklingen av CLC: virtuell prototypering av nye prosesskonsepter og prosessoptimalisering. I begge tilfeller ble de grunnleggende fordelene ved en slik simuleringsbasert prosessdesignstrategi funnet å være svært attraktiv. Virtuell prototyping tillot st or kreativ frihet når det gjelder utforming av nye reaktorkonsepter. Statistiske optimeringsmetoder som tidligere var praktisk talt umulig å anvende viste seg nå som svært praktiske.

CLC is a new emerging technology with the potential to reduce the cost of CO2 capture. A novel design, optimum operation and scale-up of the fluidized bed and fast riser reactors in CLC systems significantly depend on fundamental understanding of complex hydrodynamic behaviour in the CLC reactors. CFD holds the greatest potential as a modelling methodology to predict the hydrodynamics and related characteristics of fluidized beds. Numerical modelling of such complex systems is very challenging due to comp lexity of the multiphase flows in the reactors and a substantial number of open questions still exist within the field. This project will develop reactive multiphase CFD models for both the fuel and air reactors of CLC. The granular viscosity, particle-pa rticle collisions, wall interactions, complex turbulence and reaction kinetics of multiphase flows in air and fuel reactors will be extensively investigated in CFD models. The model results will be validated with dedicated experimental work. In particular , advanced experimental techniques will be applied to measure void fractions and velocity profiles inside the 3D beds in reactive conditions (high temperatures, gas mixtures, etc). Axial and radial temperature profiles, gas concentration profiles and inle t/outlet conditions will also be measured for both reactors. In case of any discrepancies between the model and experimental results, 3D discrete hard sphere particle model approach (DPM) will be investigated as a modelling alternative. This type of funda mental knowledge of multiphase reactive fluid dynamic behaviour of the gas-solid flow is essential for advancement of CLC systems through basic research. The project will be conducted at SINTEF Materials and Chemistry, NTNU and Eindhoven University of Tec hnology, The Netherlands.