Numerical Modelling of Grate Combustion
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Předkládaná práce je zaměřena na numerické modelování spalování tuhých paliv na roštu metodami výpočtové dynamiky tekutin (CFD). Jelikož výsledky CFD simulací roštového spalování závisí na kvalitě vstupních dat, která zahrnují i údaje o teplotě, hmotnostním toku a chemickém složení spalin vystupujících z lože, pozornost je věnována především procesům, probíhajícím v loži během spalování na roštu. Velká část práce je věnována vývoji spolehlivého modelu spalování v sypaných ložích, jelikož může napomoci zkvalitnit výsledky simulací i rozšířit znalosti principů spalování tuhých paliv v sypaných ložích. V rámci práce byl vyvinut jednorozměrný nestacionární model spalování v experimentálním reaktoru a implementován do počítačového programu GRATECAL 1.3 včetně grafického uživatelského rozhraní. Zvláštní důraz byl kladen na konzervativnost modelu. Proto byla vyvinuta metoda pro kontrolu hmotnostní a energetické bilance systému a následně aplikována v řadě studií, v rámci nichž byly odhaleny některé chyby týkající se definic zdrojových členů, které byly převzaty z literatury a opraveny. Pomocí modelu byla provedena analýza šíření čela sušení a reakce hoření koksu po výšce lože pšeničné slámy. Na základě výsledků těchto analýz bylo doporučeno zahrnout i modelování změny porozity částic paliva, aby šířka reakční zóny byla predikována korektně v případě, že je uvažována změna porozity celého lože. Rovněž vyvinutá bilanční metoda byla použita k analýze vlivu kritérií konvergence na hmotnostní a energetickou nerovnováhu simulovaného systému. Bylo zjištěno, že škálovaná rezidua rovnic všech veličin by měla poklesnout aspoň na hodnotu $10^{-6}$, aby bylo dosaženo nízké hmotnostní a energetické nerovnováhy a tudíž uspokojivě přesných výsledků ze simulací v loži. Druhá část práce je věnována vývoji a implementaci knihovny uživatelem definovaných funkcí pro komerční CFD nástroj ANSYS FLUENT, které slouží k propojení modelu lože s modelem komory reálné spalovací jednotky, aby byla umožněna dynamická změna okrajových podmínek na vstupu do komory v závislosti na výstupech ze simulací v loži. Vytvořené rozhraní pro propojení těchto dvou modelů je dostatečně obecné pro aplikaci na širokou škálu modelů roštových kotlů. Popsané výsledky přispívají k lepšímu porozumění numerickému modelování spalování na roštu, a to zejména ve fázi sestavování numerického modelu a nastavení parametrů řešiče pro kontrolu konvergence.
The present work is focused on numerical modelling of grate combustion of solid fuels by means of computational fluid dynamics (CFD) methods. Since CFD results from simulations of grate combustion depend on the quality of input data including information on temperature, mass flux and chemical composition of flue gas leaving a fuel bed, the attention is turned to modelling of processes, that take place within the fuel bed on a grate. A great part of the work is devoted to development of a reliable numerical model of packed-bed combustion as it may help improve both results from simulations and knowledge of principles of solid fuel combustion in fixed or moving beds. A one-dimensional transient numerical model of combustion in an experimental reactor is developed and implemented into a computer program called GRATECAL 1.3 with a grapical user interface. A special emphasis is put on the conservativeness property of the model. Therefore, a method for control of mass and energy balance over the system is developed and applied to a series of case studies, which have revealed certain errors in definitions of mass source terms, so that data adopted from literature have been reconciled. The model is used for analysis of propagation of drying and char combustion reaction fronts in a bed of wheat straw particles. It is suggested to include modelling of particle internal porosity change in order to obtain correct reaction zone thickness, if porosity of the bed is allowed to change during combustion. The balance-based method is also used to analyse effects of convergence criteria on mass and energy imbalance of the modelled system. It is found that all the scaled residuals must drop to as low as $10^{-6}$ or lower in order to obtain sufficiently accurate results from in-bed simulations in terms of mass and energy conservation within the packed bed. The second part of the work is devoted to development of a library of user-defined functions for the commercial CFD software ANSYS FLUENT for coupling the bed model with a freeboard model of a real combustion unit in order to specify the boundary conditions indirectly using results from in-bed simulations. The created interface is general enough to be used for a wide range of models of grate furnaces. The presented results contribute to better understanding of numerical modelling of grate combustion, especially in the setup of a numerical model and parameters of solver for the control of the convergence.
The present work is focused on numerical modelling of grate combustion of solid fuels by means of computational fluid dynamics (CFD) methods. Since CFD results from simulations of grate combustion depend on the quality of input data including information on temperature, mass flux and chemical composition of flue gas leaving a fuel bed, the attention is turned to modelling of processes, that take place within the fuel bed on a grate. A great part of the work is devoted to development of a reliable numerical model of packed-bed combustion as it may help improve both results from simulations and knowledge of principles of solid fuel combustion in fixed or moving beds. A one-dimensional transient numerical model of combustion in an experimental reactor is developed and implemented into a computer program called GRATECAL 1.3 with a grapical user interface. A special emphasis is put on the conservativeness property of the model. Therefore, a method for control of mass and energy balance over the system is developed and applied to a series of case studies, which have revealed certain errors in definitions of mass source terms, so that data adopted from literature have been reconciled. The model is used for analysis of propagation of drying and char combustion reaction fronts in a bed of wheat straw particles. It is suggested to include modelling of particle internal porosity change in order to obtain correct reaction zone thickness, if porosity of the bed is allowed to change during combustion. The balance-based method is also used to analyse effects of convergence criteria on mass and energy imbalance of the modelled system. It is found that all the scaled residuals must drop to as low as $10^{-6}$ or lower in order to obtain sufficiently accurate results from in-bed simulations in terms of mass and energy conservation within the packed bed. The second part of the work is devoted to development of a library of user-defined functions for the commercial CFD software ANSYS FLUENT for coupling the bed model with a freeboard model of a real combustion unit in order to specify the boundary conditions indirectly using results from in-bed simulations. The created interface is general enough to be used for a wide range of models of grate furnaces. The presented results contribute to better understanding of numerical modelling of grate combustion, especially in the setup of a numerical model and parameters of solver for the control of the convergence.
Description
Keywords
výpočtová dynamika tekutin, roštové spalování, tuhá paliva, model sypaného lože, škálovaná rezidua, hmotnostní a energetická bilance, propojené modely, uživatelem definovaná funkce, Computational Fluid Dynamics, numerical modelling, grate combustion, solid fuels, packed-bed model, scaled residuals, mass and energy balance, coupled models, user defined function
Citation
JUŘENA, T. Numerical Modelling of Grate Combustion [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2012.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc. (předseda)
prof. Ing. Dr. Jiří Klemeš, DSc., Dr.h.c. (člen)
prof. Ing. Rudolf Žitný, CSc. (člen)
prof. Ing. Petr Stehlík, CSc., dr. h. c. (člen)
doc. Ing. Ladislav Bébar, CSc. (člen)
Ing. Miloslav Odstrčil, CSc. (člen)
RNDr. Petr Žaloudík, CSc. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Jegla, Ph.D. (člen)
Ing. Vladimír Ucekaj, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2012-11-02
Defence
DDP je zaměřena na modelování spalování pevného paliva, zvláště biomasy a odpadu na roštu. Výsledky získané při řešení DDP jsou přínosem pro řešení problému spalování a přesnému popisu děje umožňující na př. řešení přívodu vzduchu.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení