Zastosowanie obliczeniowej mechaniki płynów w wielowariantowej analizie homogenicznego spalania produktów zgazowania biomasy

• Autorzy: Szubel M. , Papka M. , Filipowicz M.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rb.2017.204

Warianty tytułu

EN

Application of the computational fluid dynamics in variant analysis of homogeneous combustion of products of biomass gasification

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

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.

EN

Due to necessity of diversification of energy sources, at the end of the last century manufacturers paid attention to technologies based on renewable energy sources, which have not been fully developed. Significant popularity has been gained by plant-based biomass, including wastes from agricultural production as well as energy crops. Modern approach assumes intensification biomass usage in distributed heat production. In rural areas, which are characterized by high availability of solid biofuels, application of batch biomass - fired boilers gives significant economical profits. Moreover, such units are environmental friendly, although combustion has to be carried out using appropriate air feeding system as well as according to dedicated control algorithm. Studies in range of optimization of operation of small scale biomass - fired heating units are conducted on Faculty of Energy and Fuels in AGH University of Science and Technology in Krakow. The paper presents the CFD numerical analysis of the 100 kW straw - fired batch boiler. Construction of the heating unit has been designed based on results of the studies carried out using standard design of the batch boiler. Numerical model has been developed based on the ANSYS Workbench 15 software. Computations have been performed by ANSYS Fluent solver.

Słowa kluczowe

PL

spalanie; biomasa; kotły; modelowanie; CFD

EN

combustion; biomass; boilers; modeling; CFD

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury / Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture
• Rocznik: 2017
• Tom: z. 64, nr 4/I
• Strony: 177--184
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Szubel M.

• AGH w Krakowie, Wydział Energetyki i Paliw, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków; tel. [phone]

autor

Papka M.

• AGH w Krakowie, Wydział Energetyki i Paliw, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

autor

Filipowicz M.

• AGH w Krakowie, Wydział Energetyki i Paliw, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków; tel. [phone]

Bibliografia

• [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.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018)