Sabit yatakta katı yakıtların gazlaştırılması ve modellenmesi

Abstract

Güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, jeotermal enerji vs. gibi kaynakların son yıllarda geliştirilmesine hatta kullanılmasına rağmen bu kaynaklardan elde edilen enerji, artan ihtiyacı karşılamak konusunda yetersiz kalmaktadır. Biyokütle kullanımı, biyokütlenin her yerde yetişebilmesi ve yenilenebilir bir enerji kaynağı olması nedeniyle büyük bir potansiyele sahiptir. Biyokütle ayrıca çevreye zararsız, sosyo-ekonomik gelişime katkı sağlayan enerji veya değerli kimyasalların üretiminde kullanılabilen bir yakıttır. Gazlaştırma temel olarak yakıtın stokiyometrik olarak daha az hava ile yakılması, bir nevi piroliz için gereken enerjinin yakıtın kendisinden sağlanmasıdır. Sabit yataklı gazlaştırıcılar çalıştırması kolay, güvenilir ve küçük ölçekte enerji üretimi için uygundur. Yıllardır kullanılmasına rağmen zorluğu nedeni ile şu ana kadar literatürde bir boğazlı aşağı akışlı gazlaştırıcıyı tam olarak betimleyen bir kinetik model bulunmamaktadır. Bu tez kapsamında, boğazlı ve hemen boğaz üzerinde 5 adet enjeksiyon noktası bulunan bir imbert gazlaştırıcının kinetik olarak modellenmesi üzerine çalışılmıştır. Reaksiyona giren katı-gaz çift-fazlı karışımın taşınımı zamana bağlı olarak matematiksel modellenmesi yapılmıştır. Aşağı akışlı gazlaştırma birçok değişkeni olan karmaşık bir sistemdir ve tanımlaması zordur. İlk defa boğazlı bir gazlaştırıcı olabildiği kadar gerçekçi olarak modellenmiştir. Taşınım, kinetik ve yardımcı denklemler çeşitli nümerik yöntemlerle kullanılarak çözülen modelleme çalışması 10 kW'lık bir gazlaştırıcı üzerinde deneysel olarak doğrulanmıştır. Modelde deney düzeneğinin gerçek geometrisi kullanılmıştır. Model sonuçları deney sonuçları ile uyum içinde çıkmıştır. Yanma bölgesinin boğazlı olması daha iyi sıcaklık dağılımı sağlamakta ve ısı kaybını azaltmaktadır. Aynı reaktör göbeği boyutlarına sahip katmanlı bir gazlaştırıcının, boğazlı gazlaştırıcıdan % 24,5 daha az gaz çıkışı verdiği görülmüştür. Çalışma kapsamında yapılan model farklı geometrilere de uygulanabilir.In recent years, even though use and development of resources such as solar energy, wind energy, geothermal energy, etc. increased; these resources are inadequate in meeting the increasing demand. The use of biomass has great potential because it can be grown everywhere and is a renewable energy source. Additionally biomass is harmless to the environment and it is a fuel which can be used to produce energy and valuable chemicals, thus contributing to the socioeconomical development. Gasification is basically combusting a fuel with air which is less than stoichiometric amount, in a way, to supply the energy needed for pyrolysis from itself. Fixed bed gasifiers are easy to operate, reliable, and suitable for small scale energy production. Although used for many years, due to its dfficulty, there is not a kinetic model available in the literature describing a throated-down-draft gasifier completely. Within the context of this thesis, work has been undertaken on kinetic modeling of an imbret gasifier which is throated and it has 5 injection points just above the throat. Transient transport of a reacting solid-gas, two-phase mixture has been modeled mathematically. Downdraft gasification is a complex system with many variables and, thus, is difficult to describe. This is the first time a throated gasifier has been modeled as realistically as possible. The modeling work where transport, kinetic and auxilliary quations are solved via a variety of numerical methods, has been validated experimentally using a 10 kW gasifier. The real geometry of the experimental gasifier has been used in the model. The modeling and experimental results were found to be in agreement. The fact that the combustion zone is throated contributed to better distribution of heat and reduced heat loss. It has been seen that a stratified gasifier with the same hearth dimensions had % 24.5 less gas production than a throated gasifier. It is possible to apply the model produced in this work to other geometries.