Modelling of underground coal gasification process using CFD methods

• Autorzy: Wachowicz J. , Łączny J. M. , Iwaszenko S. , Janoszek T. , Cempa-Balewicz M.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amsc-2015-0043

Warianty tytułu

PL

Modelowanie procesu podziemnego zgazowania węgla kamiennego z zastosowaniem metod CFD

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The results of model studies involving numerical simulation of underground coal gasification process are presented. For the purpose of the study, the software of computational fluid dynamics (CFD) was selected for simulation of underground coal gasification. Based on the review of the literature, it was decided that ANSYS-Fluent will be used as software for the performance of model studies. The ANSYS-Fluent software was used for numerical calculations in order to identify the distribution of changes In the concentration of syngas components as a function of duration of coal gasification process. The nature of the calculations was predictive. A geometric model has been developed based on construction data of the georeactor used during the researches in Experimental Mine “Barbara” and Coal Mine “Wieczorek” and it was prepared by generating a numerical grid. Data concerning the georeactor power supply method and the parameters maintained during the process used to define the numerical model. Some part of data was supplemented based on the literature sources. The main assumption was to base the simulation of the georeactor operation on a mathematical models describing reactive fluid flow. Components of the process gas and the gasification agent move along the gasification channel and simulate physicochemical phenomena associated with the transfer of mass and energy as well as chemical reactions (together with the energy effect). Chemical reactions of the gasification process are based on a kinetic equation which determines the course of a particular type of equation of chemical coal gasification. The interaction of gas with the surrounding coal layer has also been described as a part of the model. The description concerned the transport of thermal energy. The coal seam and the mass rock are treated as a homogeneous body. Modelling studies assumed the coal gasification process is carried out with the participation of separately oxygen and air as a gasification agent, under the specific conditions of the georeactor operations within the time interval of 100 hours and 305 hours. The results of the numerical solution have been compared with the results of experimental results under in-situ conditions.

PL

Zaprezentowano wyniki badań modelowych polegających na numerycznej symulacji procesu podziemnego zgazowania węgla. Dla potrzeb realizowanej pracy dokonano wyboru oprogramowania wykorzystywanego do symulacji procesu podziemnego zgazowania węgla. Na podstawie przeglądu literatury zdecydowano, że oprogramowaniem, za pomocą, którego będą realizowane badania modelowe, będzie oprogramowanie informatyczne ANSYS-Fluent. Za jego pomocą przeprowadzano obliczenia numeryczne z zamiarem zidentyfikowania rozkładu zmian stężenia składników gazu procesowego w funkcji czasu trwania procesu zgazowania węgla. Przeprowadzone obliczenia miały charakter predykcji. W oparciu o dane konstrukcyjne georeaktora stosowanego podczas badań na KD Barbara oraz KWK Wieczorek, opracowano model geometryczny oraz wykonano jego dyskretyzację poprzez wygenerowanie odpowiedniej siatki numerycznej w oparciu, o którą wykonywane są obliczenia. Dane dotyczące sposobu zasilania georeaktora oraz parametrów utrzymywanych podczas procesu wykorzystano do definiowania modelu numerycznego. Część danych została uzupełniona w oparciu o źródła literaturowe. Głównym przyjętym założeniem było oparcie symulacji pracy georeaktora o modele opisujące reaktywny przepływ płynu. Składniki gazu procesowego oraz czynnik zgazowujący przemieszczają się wzdłuż kanału zgazowującego symulując zjawiska fizykochemiczne związane z transportem masy i energii oraz zachodzące reakcje chemiczne (wraz z efektem energetycznym). Chemizm procesu zgazowania oparto o równanie kinetyczne, które determinuje przebieg danego typu równania chemicznego zgazowania węgla. W ramach modelu opisano też interakcję gazu z otaczającą warstwą węgla. Opis ten dotyczył transportu energii cieplnej. Warstwę węgla oraz warstwy geologiczne otaczające georeaktor traktuje się jako ciało jednorodne. Badania modelowe zakładały prowadzenie procesu zgazowania calizny węglowej przy udziale, osobno tlenu i powietrza, jako czynnika zgazowującego, w warunkach ustalonych pracy georeaktora w przedziale czasu 100 godzin i 305 godzin. Uzyskane wyniki rozwiązania numerycznego zestawiono z wynikami badań eksperymentalnych w warunkach in-situ.

Słowa kluczowe

EN

coal gasification; computational fluid dynamics CFD; modelling; experiment

PL

zgazowanie węgla; numeryczna mechanika płynów; modelowanie; eksperyment

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, no. 3
• Strony: 663--676
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Wachowicz J.

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

autor

Łączny J. M.

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

autor

Iwaszenko S.

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

autor

Janoszek T.

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

autor

Cempa-Balewicz M.

• Central Mining Institute, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, Poland

Bibliografia

• [1] ANSYS FLUENT 12.0 Release Notes. ANSYS, Inc. 2009-03-02.
• [2] Białecka B., 2008. Podziemne zgazowanie węgla. Podstawy procesu decyzyjnego. Wydawnictwo GIG, Katowice (In Polish).
• [3] Cempa-Balewicz M., Łączny J.M., Smoliński A., Iwaszenko S., 2013. Equilibrium model of steam gasification of coal. Journal of Sustainable Mining, nr 2, vol. 12, p. 21-27.
• [4] Chmielniak T., Sciążko M., 2008. Zgazowanie węgla. [W:] Czysta energia, produkty chemiczne i paliwa z węgla – ocena potencjału rozwojowego. Praca zbiorowa pod redakcją T. Borowieckiego, J. Kijeńskiego, J. Machnikowskiego i M. Ściążko. Zabrze, Wydaw. Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla (In Polish).
• [5] Chmura K., 1968. Thermal conductivity of rocks and coal of the Upper Silesian Carboniferous. Praca habilitacyjna. Politechnika Śląska, Zeszyty Naukowe nr 190, Gliwice (In Polish).
• [6] Clean Coal Technologies, 2010. Załącznik nr 2 do Zielonej Księgi Narodowego Programu Redukcji Emisji Gazów Cieplarnianych. Społeczna Rada Narodowego Programu Redukcji Emisji, Opracowanie grupy roboczej ds. Czystych Technologii Węglowych. Warszawa (In Polish).
• [7] Golec T., Ilmurzyńska J., 2008. Modelling of gasification processes. [In:] Clean energy, chemical products and fuel from coal – evaluation of the development potential. Praca zbiorowa pod redakcją T. Borowieckiego, J. Kijeńskiego, J. Machnikowskiego i M. Ściążko. Zabrze, Wydaw. Instytutu Chemicznej Przeróbki Węgla. (In Polish).
• [8] Nurzyńska K., Janoszek T., & Iwaszenko S., 2014. Modeling Test of Cavity Growth During Underground Coal Gasification Process Using CFD Method. [In:] Proceedings of 2014 International Conference on Information Science, Electronics and Electrical Engineering. Sapporo, Hokkaido, Japan.
• [9] Perkins G., 2005. Mathematical modelling of underground coal gasification. PhD thesis. The University of New South Wales.
• [10] Rauk J., 91981. Characteristics of underground coal gasification process. Koks, Smoła, Gaz, nr 3, p. 78-82 (In Polish).
• [11] Sarraf Shirazi A., Mmbaga J., Gupta R., 2011. Modelling cavity growth during underground coal gasification. [In:] Proceedings of the 2011 COMSOL Conference (p. 1-5). Boston, USA.
• [12] Seifi M., Chen Z., Abedi J., 2011. Numerical simulation of underground coal gasification using the CRIP method. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 89(6), 1528-1535.
• [13] Smoliński A., 2010. Unconventional methods of using coal to receive hydrogen rich gas. Główny Instytut Górnictwa, Katowice (In Polish).
• [14] Społeczna Rada Narodowego Programu Redukcji Emisji, 2010. Czyste technologie węglowe. Załącznik nr 2 do ZielonejKsięgi Narodowego Programu Redukcji Emisji Gazów Cieplarnianych. Warszawa (In Polish).
• [15] Tomeczek J., 1991. Gasification. Skrypty Uczelniane Politechniki Śląskiej. Gliwice (In Polish).
• [16] Wachowicz J., Janoszek T., Iwaszenko S., 2010. Model tests of the coal gasification process. Arch. Min. Sci., Vol. 55, No 2, p. 249-262.
• [17] Wachowicz J., Łączny M., Iwaszenko S., Janoszek T., Cempa-Balewicz M., 2013. Zastosowanie pakietu FLUENT do symulacji procesu podziemnego zgazowania węgla – koncepcja metody. Przegląd Górniczy, 69 (In Polish).
• [18] Watanabe H., Otaka M., 2006. Numerical simulation of coal gasification in entrained flow coal gasifier. Fuel, 85, 1935-1943.
• [19] Wiatowski M., Stańczyk K., Świądrowski J., Kapusta K., Cybulski K., Krause E., Grabowski J., Rogut J., Howaniec N., Smoliński A., 2012. Semi-technical underground coal gasification (UCG) using the shaft method in Experimental Mine “Barbara”. Fuel (99).
• [20] Vikram S., 2012. CFD Analysis of Coal and Heavy Oil Gasification for Syngas Production. Ph D. thesis, Aalborg University.
• [21] Urych B., 2014. Determination of kinetic parameters of coal pyrolysis to simulate the process of underground coal gasification (UCG). Journal of Sustainable Mining, 13(1), 3-9.
• [22] Younger P.L., 2011. Hydrogeological and geomechanical aspects of underground coal gasification and its direct couplingto carbon capture and storage. Mine Water Environ, 30, p. 127-140.
• [23] Żogała A., 2014. Critical Analysis of Underground Coal Gasification Models. Part II: Kinetic and Computational Fluid Dynamics Models. Journal of Sustainable Mining, 13(1), 29-37.