Large eddy simulation of reactive solid fuel systems using advanced flamelet approaches

The rising global energy demand poses a significant challenge in achieving CO2 reduction targets to mitigate global warming. Despite the ongoing progress in renewable energy technologies, such as hydrogen and iron oxidation/reduction, fossil fuels, particularly coal, continue to dominate the global energy mix. While efforts to transition to cleaner energy sources are expected to reduce coal demand, it is unlikely that coal usage will cease in the near future. Thus, the study of coal combustion and the implementation of effective emission reduction measures remain crucial. In the context of carbon-neutral power generation, carbon capture, utilization, and storage (CCUS) has become a pivotal technology. Additionally, the co-firing of coal with secondary fuel sources like ammonia or biomass shows promise for substantial CO2 emissions reduction.

The primary objective of this work is to advance the comprehension and optimization of single and co-fired coal combustion through the application of sophisticated large eddy simulations (LES) using advanced models for coal combustion. This approach incorporates flamelet-based tabulation strategies within an Euler-Lagrange framework, offering broader applicability beyond coal to encompass also other solid fuels, such as biomass or iron. Studies are conducted on several pulverized coal flame configurations, ranging from laboratory-scale experiments to semi-industrial burner furnaces. Detailed LES and comparisons with experimental data demonstrate improved predictions of combustion characteristics, including temperature distributions and species concentrations.

The investigations on a laboratory-scale coal jet flame highlight the significance of considering experimental artifacts and probing effects during simulation. Substantial deviations of up to 50 % are found in the species concentration results, primarily attributed to the probing effect. In a separate study on the laboratory-scale coal jet flame, an investigation is conducted on the co-firing of coal and ammonia. This study represents one of the pioneering LES carried out on this topic. Initially, a novel reaction mechanism is generated, serving as the foundation for the subsequent flamelet table generation. The simulations show reasonable agreement with experimental data, improving predictions of OH and NH reaction zones when using the novel reaction mechanism.

Another study examines a semi-industrial scale coal furnace equipped with a low-NOx burner, aiming to investigate the combustion characteristics and the processes of NOx formation. The results show an overall good agreement with experimental data. The incorporation of an additional transport equation for NO yields a substantial enhancement in the predictive accuracy of NO concentrations. This is achieved through the comprehensive consideration of NO production and destruction processes by splitting the NO source term into a formation and a rescaled consumption part.

The developed simulation framework shows great promise in investigating cleaner combustion processes, including coal and ammonia or coal and biomass co-firing, and holds potential for future applications in technologies such as iron oxidation and reduction.

Der weltweit steigende Energiebedarf stellt eine bedeutende Herausforderung für die Erreichung der CO2-Reduktionsziele zur Eindämmung der Erderwärmung dar. Trotz bedeutender technologischer Fortschritte im Bereich erneuerbarer Energien wie Wasserstoff sowie Eisenoxidation und -reduktion bleibt der globale Energiemix weiterhin von fossilen Brennstoffen, insbesondere Kohle, dominiert. Eine Transformation hin zu saubereren Energiequellen wird voraussichtlich auch zu einer Verringerung der Nachfrage nach Kohle führen. Dennoch ist es unwahrscheinlich, dass die Nutzung von Kohle in naher Zukunft vollständig eingestellt wird. Infolgedessen kommt der Erforschung der Kohleverbrennung und der Umsetzung effektiver Maßnahmen zur Emissionsreduktion entscheidende Bedeutung zu. Im Kontext der kohlenstoffneutralen Stromerzeugung spielt die Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS) eine zentrale Rolle. Zusätzlich verspricht die Kofeuerung von Kohle mit Additiven wie Ammoniak oder Biomasse eine erhebliche Reduktion der CO2-Emissionen.

Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, das Verständnis und die Optimierung der Verbrennung von Kohle sowohl einzeln als auch in Kofeuerung mit anderen Brennstoffen durch den Einsatz fortschrittlicher Large-Eddy-Simulationen (LES) und moderner Modelle für die Kohleverbrennung zu verbessern. Das Simulationstool kombiniert Flamelet-basierte Tabellierungsstrategien mit einem Euler-Lagrange-Ansatz und bietet eine breitere Anwendbarkeit, die zukünftig auch andere feste Brennstoffe wie Biomasse oder Eisen einschließen kann. Die Studien umfassen verschiedene Konfigurationen von Kohlestaubflammen, beginnend von Laborexperimenten bis hin zu halbindustriellen Brenneröfen. Detaillierte LES und Vergleiche mit experimentellen Daten zeigen verbesserte Vorhersagen von Verbrennungseigenschaften wie Temperaturprofilen und Spezieskonzentrationen.

Die Untersuchungen an einer Kohlestaubflamme im Labormaßstab unterstreichen die Bedeutung der Berücksichtigung experimenteller Artefakte, insbesondere Probeneffekte bei der Speziesmessung. Die Simulationsergebnisse zeigen signifikante Abweichungen von bis zu 50 % in den Spezieskonzentrationen, hauptsächlich aufgrund des Probeneffekts. In einer weiteren Studie, die als Pionierarbeit auf diesem Gebiet gilt, wird die Kofeuerung von Kohle und Ammoniak untersucht. Es wird ein innovativer Reaktionsmechanismus entwickelt, der als Grundlage für die Generierung der Flamelet-Tabelle dient. Die durchgeführten Simulationen zeigen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten und führen zu einer substantiellen Verbesserung der Vorhersagegenauigkeit hinsichtlich der OH- und NH-Reaktionszonen. Dieser Fortschritt resultiert aus der Anwendung des neu entwickelten Reaktionsmechanismus.

Eine weitere Studie untersucht einen halbindustriellen Kohleofen mit einem low-NOx-Brenner, um Verbrennungseigenschaften und NOx-Bildungsprozesse zu analysieren. Es zeigt sich eine insgesamt gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten, wobei die Integration einer zusätzlichen Transportgleichung für NO die Vorhersagegenauigkeit erheblich verbessert. Diese Verbesserung resultiert aus der Berücksichtigung von NO-Produktions- und -Verbrauchsprozessen, indem der NO-Quellterm in Bildungs- und Verbrauchsteile aufgespalten wird.

Das entwickelte Simulationstool zeigt vielversprechende Aussichten für die Untersuchung umweltfreundlicherer Verbrennungsprozesse, einschließlich der Kofeuerung von Kohle mit Ammoniak oder Biomasse. Es birgt daher auch Potenzial für künftige Anwendungen in Technologien wie der Eisenoxidation und -reduktion.

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