A study on coal combustion: Experiments and modelling

Abstract

Kömür yanması, hem ısı transferi ve akışkanlar mekaniği olaylarının hem de reaksiyon kinetiğinin göz önünde bulundurulması gereken çok ölçekli, çok fazlı ve çok bileşenli bir süreçtir. Çalışmanın amacı, linyit özelliklerinin ve kaynağının yanma kinetiği üzerindeki etkilerinin farklı ısıtma hızlarında incelenmesidir. Farklı bölgelerden üç Türk linyiti (Soma linyiti, Tunçbilek linyiti, Afşin-Elbistan linyiti) ve bir Alman linyiti (Rhenish linyiti) kullanılmıştır. Bu linyitlerin yanma özellikleri deneysel ve sayısal olarak incelenmiştir. Deneyler, izotermal olmayan koşullarda (5, 10, 15, 20 ºC/ dakika) kullanılan termogravimetrik analizör (TGA) ve yüksek sıcaklık(1000 ºC) ve yüksek ısıtma oranına (~ 104 ºC / s) sahip düşey borulu fırın (DBF) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın sayısal analiz kısmı, DBF'nin hesaplamalı akışkan dinamik analizini ve yakıt partikülünün kinetik PoliMi model analizini içerir. TGA deneyleri, yakıtların sahip olduğu uçucu maddenin sabit karbona oranının yakıtın tutuşma sürelerine etki ettiğini göstermektedir. Ayrıca, TGA deneyleriyle elde edilen maksimum reaksiyon hızları, kullanılan yakıtların sahip oldukları kül miktarlarıyla ters orantılıdır. Yüksek ısıtma hızı DBF deneyleri, TGA deneyleri ile benzer yanma davranışlarını göstermektedir. DBF deneylerine göre RL tüm yakıtlar arasında en yüksek reaktiviteye (RL: 7.8 saniye-1) sahiptir (AEL: 5.3, SL: 4.7, TL: 2.9 saniye-1). Deneysel verilerle karşılaştırıldığında, PoliMi modeli yüksek sıcaklıkta elde edilen uçucu madde miktarları üzerine % 5-7 hata ile yakın tahminlerde bulunmuştur, oysa ucucuların salınım hızları olduğundan yüksek hesaplanmıştır. Ancak, PoliMi modelin char oksidasyon hızları üzerine yaptığı tahminleri deneysel verilerle uyumludur.

Coal combustion involves multi-scale, multi-phase and multi-component aspects, in a process where both transport phenomena and reaction kinetics must be considered. The aim of the work is to investigate how the lignite characteristics and origin affect the combustion kinetics at different heating rates. Three Turkish lignites from different regions (Soma lignite, Tunçbilek lignite, Afşin-Elbistan lignite) and one German lignite (Rhenish lignite) were used. Combustion characteristics of these lignites are investigated experimentally and numerically. Experiments are conducted using a high temperature (1000ºC) and high heating rate (~104 ºC/s) drop tube furnace (DTF), alongwith a thermogravimetric analyzer (TGA) at non-isothermal conditions (5, 10, 15, 20 ºC/min). The numerical part of the study includes the computational fluid dynamic analysis of DTF and the predictive multi-step kinetic PoliMi model analysis of the fuel particle. TGA experiments show that the ratio of volatile matter over fixed carbonhas an effect on the ignition times. Moreover, maximum reaction rates obtained by TGA experiments are inversely proportional to the ash contents of the fuels used. High heating rate DTF experiments shows similar combustion behaviors with TGA experiments. According to DTF experiments, RL has highest reactivity (RL: 7.8 s-1) among all fuels (AEL: 5.3, SL: 4.7, TL: 2.9 s-1). In comparison to experimental data, PoliMi model predictions on high temperature volatile yields are satisfactory with 5-7 % errors whereas devolatilization rates are overpredicted. However, PoliMi model predictions on char oxidation rates are in agreement with the experimental data.