1. Introduction
Developing alternative and clean energy sources has become increasingly urgent because of environmental concerns. Biomass, because of its abundant supply and low life-cycle carbon emissions, is an important renewable energy source. Fast pyrolysis, a thermochemical process that decomposes low-energy density organic materials in the absence of oxygen, is a promising approach to converting raw biomass into high-energy density bio-oil and combustible gases [1]. Because of this attractive feature, biomass fast pyrolysis has received great attention from both industry and the scientific community [2]. However, because of the complex nature of biomass fast pyrolysis in chemical reactors, current technologies for converting biomass to bio-oil via fast pyrolysis still face many challenges. The multiphase flow in the biomass fast pyrolyzer is highly complex, and it is rather difficult to optimize the reactor operating conditions for desirable product yields [3]. In addition, because of the multiscale nature of the biomass feedstock, the performance of a reactor depends significantly on the geometrical characteristics of the biomass particles [4].
Computational fluid dynamics (CFD) simulations, in which conservation laws and equations are employed to describe the complicated multiphase fluid dynamics and chemical reactions, has helped develop understanding of the complex multiphase flows and biomass fast pyrolysis process [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21] and [22]. Compared with experimental approaches [23], [24] and [25], CFD can effectively provide detailed information on the processes occurring in the reactor. Considerable costs and time can be saved by use of CFD for reactor design, optimization, and scaling up. Moreover, CFD has the advantage of being useful in exploring detailed processes occurring in harsh reactor environments that have posed great challenges to researchers.
For biomass fast pyrolysis simulation, CFD has been applied mainly to the fluidized-bed reactor because of the simple geometry and widespread applications of this reactor [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35] and [36]. Fluidized beds can provide excellent gas–solid mixing and heat transfer. Because of the simple geometry, temperature control and operation of fluidized beds are more straightforward than for other types of reactors. Therefore, in the research discussed in this paper, we continued our previous studies [37], [38] and [39] on CFD simulation of biomass fast pyrolysis in a bubbling fluidized-bed reactor and conducted further analyses of the simulation results to characterize the pyrolysis product yields.
The auger reactor, a novel type of reactor, has attracted much interest for biomass fast pyrolysis application [40] and [41]. Auger reactors can be operated continuously with little or no carrier gas. Along with the rotation of one or multiple screw conveyors in the reactor, materials of different phases are mixed to enhance heat transfer among solids, gases, and the reactor wall. The resulting biochar particles are mechanically transported toward the reactor exit by the rotating screw to empty the reactor such that subsequent biomass particles can be fed and pyrolyzed. Because of the rather complex geometry and motion of the screw, the numerical analysis of biomass fast pyrolysis in auger reactors is very rare in the literature. It appears that there has been no report on multi-dimensional CFD simulation of biomass fast pyrolysis in auger reactors using comprehensive numerical models. Nonetheless, CFD simulation is highly important for the design and optimization of auger reactors to achieve effective biomass fast pyrolysis, since it is very costly to conduct comprehensive experiments. Therefore, in this paper, numerical models are introduced for simulating a laboratory-scale auger reactor using CFD.
In this work, a multi-fluid model (MFM) was employed to simulate the multiphase fluid dynamics and a multi-component multi-step reaction kinetics mechanism was applied to describe the biomass fast pyrolysis reactions. The rotation of the screw in the auger reactor was simulated based on the concept of a rotating reference frame. The numerical results were compared with experimental data, and the effects of operating conditions were quantified.
Results (
Thai) 1:
[Copy]Copied!
1. บทนำพัฒนาแหล่งพลังงาน สะอาดทางเลือกได้กลายเป็นเร่งด่วนมากเนื่องจากความกังวลด้านสิ่งแวดล้อม ชีวมวล เป็นปริมาณมากและปล่อยก๊าซเรือนกระจกต่ำวงจร เป็นแหล่งพลังงานทดแทนที่สำคัญ ชีวภาพอย่างรวดเร็ว กระบวนการ thermochemical ที่ decomposes วัสดุอินทรีย์พลังงานต่ำความหนาแน่นของออกซิเจน เป็นวิธีการกำหนดการการแปลงวัตถุดิบชีวมวลเป็นความหนาแน่น high-energy ก๊าซติดไฟและน้ำมันชีวภาพ [1] เนื่องจากคุณลักษณะนี้น่าสนใจ ชีวมวลชีวภาพอย่างรวดเร็วได้รับความสนใจมากจากอุตสาหกรรมและชุมชนทางวิทยาศาสตร์ [2] อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก มีลักษณะซับซ้อนของชีวมวลชีวภาพอย่างรวดเร็วในเตาปฏิกรณ์เคมี เทคโนโลยีปัจจุบันสำหรับการแปลงชีวมวลเป็นน้ำมันชีวภาพทางชีวภาพได้อย่างรวดเร็วยังคงเผชิญความท้าทายมาก ขั้นตอนการ multiphase ใน pyrolyzer อย่างรวดเร็วของชีวมวลมีความซับซ้อนสูง และค่อนข้างยากเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพระบบปฏิบัติการเงื่อนไขสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการอัตราผลตอบแทน [3] นอกจากนี้ เนื่องจากธรรมชาติของวัตถุดิบชีวมวล multiscale ประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์แบบนั้นมากลักษณะ geometrical ของอนุภาคชีวมวล [4]จำลองการคำนวณพลศาสตร์ของไหล (CFD) ในอนุรักษ์ซึ่งกฎหมายและสมการเป็นลูกจ้างเพื่ออธิบายพลศาสตร์ multiphase ซับซ้อนและปฏิกิริยาเคมี ได้ช่วยพัฒนาความเข้าใจในขั้นตอน multiphase ที่ซับซ้อนและชีวมวลชีวภาพรวดเร็วกระบวนการ [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21] [22] และ เปรียบเทียบกับวิธีทดลอง [23], [24] [25], CFD สามารถได้อย่างมีประสิทธิภาพให้ข้อมูลรายละเอียดในกระบวนการเกิดขึ้นในระบบ ต้นทุนมากและเวลาที่สามารถบันทึก โดยใช้ CFD การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ เพิ่มประสิทธิภาพ ปรับค่า นอกจากนี้ CFD มีข้อดีที่เป็นประโยชน์ในการสำรวจรายละเอียดกระบวนการที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมรุนแรงเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอึ้งดีท้าทายนักวิจัยสำหรับการจำลองแบบชีวมวลชีวภาพอย่างรวดเร็ว CFD ได้ถูกใช้อย่างแพร่หลาย และใช้ส่วนใหญ่เป็นเครื่องปฏิกรณ์เบด fluidized เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตอย่างนี้เครื่องปฏิกรณ์ [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35] [36] และ Fluidized เตียงสามารถให้ก๊าซของแข็งผสมดีและถ่ายเทความร้อน เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตอย่างง่าย การควบคุมอุณหภูมิและการทำงานของเตียง fluidized ได้มากตรงไปตรงมามากกว่าชนิดอื่น ๆ ของเตาปฏิกรณ์ ดังนั้น ในการวิจัยที่กล่าวถึงในเอกสารนี้ เราต่อของเราก่อนหน้านี้ศึกษา [37], [38] [39] การจำลอง CFD ในของชีวมวลชีวภาพอย่างรวดเร็วในเครื่องปฏิกรณ์เบด fluidized ที่ไหลเอื่อย ๆ และวิเคราะห์การดำเนินผลการจำลองการลักษณะผลผลิตผลิตภัณฑ์ชีวภาพเครื่องปฏิกรณ์ชอน ชนิดของเครื่องปฏิกรณ์ นวนิยายมีดึงดูดสนใจมากสำหรับชีวมวลชีวภาพอย่างรวดเร็ว [40] และ [41] เตาปฏิกรณ์ auger สามารถดำเนินอย่างต่อเนื่อง มีน้อย หรือไม่มีผู้ขนส่งก๊าซ พร้อมกับการหมุนของหนึ่ง หรือหลายสกรูลำเลียงในระบบ วัสดุระยะต่าง ๆ ผสมกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนระหว่างของแข็ง ก๊าซ และผนังเครื่องปฏิกรณ์ กลไกอนุภาค biochar ได้ถูกลำเลียงไปออกจากเครื่องปฏิกรณ์ ด้วยสกรูหมุนล้างปล่อยให้ชีวมวลต่อมาอนุภาคสามารถเลี้ยง และ pyrolyzed การวิเคราะห์เชิงตัวเลขของชีวมวลชีวภาพอย่างรวดเร็วในเตาปฏิกรณ์ชอนได้ไม่ยากในวรรณคดีเนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตที่ค่อนข้างซับซ้อนและการเคลื่อนที่ของสกรู ปรากฏว่า ได้มีการรายงานไม่บน 547 การจำลอง CFD ชีวมวลชีวภาพอย่างรวดเร็วในเตาปฏิกรณ์ชอนที่ใช้รูปแบบตัวเลขครอบคลุม กระนั้น จำลอง CFD เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพของเตาปฏิกรณ์ชอนบรรลุชีวภาพชีวมวลที่มีประสิทธิภาพรวดเร็ว เพราะมันจะทำการทดลองที่ครอบคลุม ดังนั้น ในเอกสารนี้ รูปแบบตัวเลขมีการแนะนำสำหรับการจำลองเครื่องปฏิกรณ์ชอนระดับห้องปฏิบัติการโดยใช้ CFDในงานนี้ รูปแบบของเหลวหลาย (MFM) ถูกจ้างเพื่อจำลองพลศาสตร์ multiphase และกลไกจลนพลศาสตร์ปฏิกิริยาหลายขั้นตอนหลายส่วนประกอบที่ใช้อธิบายปฏิกิริยาไพโรไลซิเร็วชีวมวล การหมุนของสกรูในเครื่องปฏิกรณ์ชอนถูกจำลองตามแนวคิดของกรอบอ้างอิงหมุน ผลลัพธ์เป็นตัวเลขเปรียบเทียบกับข้อมูลการทดลอง และผลกระทบของการทำงานถูก quantified
Being translated, please wait..
