ZASTOSOWANIE OBLICZENIOWEJ MECHANIKI PŁYNÓW W WIELOWARIANTOWEJ ANALIZIE HOMOGENICZNEGO SPALANIA PRODUKTÓW ZGAZOWANIA BIOMASY

Z uwagi na konieczność dywersyfikacji źródeł energii, pod koniec ubiegłego stulecia uwaga producentów kotłów zwróciła się ku technologiom opartym na odnawialnych surowcach energetycznych. Dużą popularność zyskała biomasa pochodzenia roślinnego, obecnie coraz częściej stosowana do produkcji ciepła w energetyce rozproszonej. Na terenach wiejskich stosowanie kotłów wsadowych zasilanych słomą niesie za sobą znaczne korzyści ekonomiczne. Jednostki te są także przyjazne środowisku, przy czym z uwagi na dużą zawartość części lotnych w paliwie i intensywność jego zgazowania w komorze spalania, proces musi być prowadzony przy zapewnieniu odpowiedniej konstrukcji systemu podawania powietrza, a także przy zastosowaniu dedykowanego algorytmu sterującego w/w systemem. Niniejszy artykuł opisuje analizę CFD kotła wsadowego o mocy 100 kW, zasilanego słomą w postaci prostopadłościennych balotów. Konstrukcja analizowanej jednostki grzewczej została opracowana na podstawie wyników prac eksperymentalnych i numerycznych przeprowadzonych na kotle wsadowym o standardowej konstrukcji. Do budowy modelu numerycznego i przeprowadzenia obliczeń wykorzystano moduły pakietu ANSYS Workbench 15. Dyskretyzację domeny ciągłej przeprowadzono narzędziem ANSYS Meshing. Do obliczeń modelu zastosowano solver ANSYS Fluent. Chemizm procesu spalania opisano za pomocą zredukowanych mechanizmów reakcji. Zaprezentowane wyniki dotyczące rozkładu temperatury, koncentracji substratów i produktów reakcji chemicznych oraz turbulentności ich strumieni w komorze wtórnej zostały omówione pod kątem kolejnych planowanych zmian, m.in. w zakresie sposobu doprowadzania powietrza.

Pełny tekst (pdf)

[1] B. Sørensen: Renewable Energy Its physics, engineering, use, environmental impacts, economy and planning aspects, Academic Press, San Diego 2000.

[2] Rosendahl, Biomass combustion science, technology and engineering, Woodhead Publishing, Cambridge 2013.

[3] S. van Loo, J. Coppejan, The handbook of biomass combustion and co-firing, EARTHSCAN, London 2008.

[4] G.M. Joselin Herbert, A. Unni Krishnan, Quantifying environmental performance of biomass energy, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 59, 2016, pp. 292-308.

[5] L. Chaoqun, T. Jiyuan, Y. Guan-Heng, Computational Fluid Dynamics. A practical Approach, Butterworth-Heinemann, Oxford 2013.

[6] Z. Jaworski, Numeryczna Mechanika Płynów w Inżynierii Chemicznej i Procesowej, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2005.

[7] P. Basu, Biomass gasification and pyrolysis practical design, Academic Press, Boston 2013.

[8] T.B. Johansson, H. Kelly, A.K.N. Reddy, R.H. Williams, Renewable Energy Sources for Fuels and Electricity, Island Press, Waszyngton 1993.

[9] S. Kruczek, Kotły: Konstrukcje i obliczenia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2001.

[10] Q. Xue, T. J. Heindel, R. O. Fox, A CFD model for biomass fast pyrolysisin in fluidized-bed reactors, Chemical Engineering Science, vo.66, 2011, pp. 2440-2452.

[11] J. Blondeau, H. Jeanmart, Biomass pyrolysis in pulverized-fuel boilers: Derivation of apparent kinetic parameters for inclusion in CFD codes, Proceedings of the Combustion Institute, vol.33, 2011, pp. 1787-1794.

[12] M.A. Gómez, J. Porteiro, D. Patiňo, J.L. Miguez, Fast-solving thermally thick model of biomass particles embedded in a CFD code for the simulation of fixed bed burners, Energy Conversion and Management, vol. 105, 2015, pp. 30-44.

[13] R. Baczyński, R. Weber, A. Szlęk, Innovative design solution for small-scale domestic boilers: Combustion improvements using a CFD-based mathematical model, Journal of the Energy Institute, vol.88, 2015, pp. 53-63.

[14] J. Chaney, H. Liu, L. Li, An overview of CFD modelling of small-scale fixed-bed biomass pellet boilers with preliminary results from simplified approach.

[15] J. Collazo, J. Porteiro, J.L. Miguez, E. Granada, M.A. Gómez, Numerical Simulation of a small-scale biomass boiler, Energy Conversion and Management, vol. 64, 2012, pp. 87-96.

[16] M. Miltner, A. Makaruk, M. Harasek, A. Friedl, Computational fluid dynamic simulation of a solid biomass combustor: modelling approaches, Clean Technologies in Environmental Policy, vol. 10, 2008, pp. 165-174.

[17] Pliki pomocy ANSYS Workbench 15.