การจำลองซีเอฟดีของเครื่องปฏิกรณ์อากาศในการเผาไหม้แบบเคมิคอลลูปิง
จาก ChulaPedia
การจำลองซีเอฟดีของเครื่องปฏิกรณ์อากาศในการเผาไหม้แบบเคมิคอลลูปิง
CFD SIMULATION OF AIR REACTOR IN CHEMICAL LOOPING COMBUSTION
นางสาวพิริยา ใหลอาภาธร : นิสิตปริญญาโท ประจำหลักสูตรเคมีเทคนิค ภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.เบญจพล เฉลิมสินสุวรรณ : อาจารย์ประจำภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย รองศาสตราจารย์ ดร.พรพจน์ เปี่ยมสมบูรณ์ : อาจารย์ประจำภาควิชาเคมีเทคนิค คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
บทคัดย่อ
ปัจจุบัน ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกปล่อยออกสู่บรรยากาศเป็นสาเหตุหลักของปัญหาโลกร้อนโดยมีสาเหตุหลักหนึ่งมาจากการเผาไหม้ภายในภาคอุตสาหกรรม กระบวนการเคมิคอลลูปิงจึงเป็นทางเลือกหนึ่งที่มีความเหมาะสมต่อการจับยึดคาร์บอนไดออกไซด์ก่อนปล่อยออกสู่บรรยากาศ ในงานวิจัยนี้ ทำการศึกษาหาแบบจำลองอุทกพลศาสตร์และปฏิกิริยาเคมีภายในเครื่องปฏิกรณ์อากาศของกระบวนการเคมิคอลลูปิงที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.0762 เมตรและความสูง 6.1 เมตร ด้วยวิธีพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณในระบบสองมิติ เปรียบเทียบกับผลจากการทดลองจริง จากนั้นวิเคราะห์ตัวแปรดำเนินการที่มีผลต่ออุทกพลศาสตร์และปฏิกิริยาเคมีด้วยวิธีการออกแบบการทดลอง ผลจากการศึกษาพบว่า แบบจำลอง EMMS ที่มีค่า specularity coefficient เท่ากับ 0.5 และค่า restitution coefficient ระหว่างอนุภาคของแข็งเท่ากับ 0.97 ให้ผลการจำลองใกล้เคียงกับการทดลองจริงมากที่สุด และผลของตัวแปรดำเนินการที่มีผลต่อค่าเฉลี่ยสัดส่วนโดยปริมาตรรวมของอนุภาคของแข็งคือ ชนิดของอนุภาคของแข็ง อัตราการไหลเวียนของอนุภาคของแข็ง ความเร็วแก๊สป้อนเข้า และอันตรกิริยาระหว่างชนิดของอนุภาคของแข็งกับความเร็วแก๊สป้อนเข้า ตัวแปรที่ส่งผลต่อค่าส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานในแนวรัศมีคือ ชนิดของอนุภาคของแข็ง ความเร็วแก๊สป้อนเข้า และอันตรกิริยาระหว่างชนิดของอนุภาคของแข็งกับความเร็วแก๊สป้อนเข้า และตัวแปรที่ส่งผลต่อค่าส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานในแนวแกนมีเพียงตัวแปรเดียวคือ ความเร็วแก๊สป้อนเข้า การเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างโลหะกับออกซิเจนกลายเป็นโลหะออกไซด์โดยใช้แบบจำลองแกนกลางหดตัว (shrinking core model) ที่มีความสัมพันธ์แบบอาร์รีเนียสของการแพร่และปฏิกิริยาเคมี (Arrhenius diffusion and reaction) ให้ผลที่สอดคล้องกับผลการทดลองจริงมากที่สุด โดยพบว่า ชนิดของอนุภาคของแข็ง อุณหภูมิ ความเร็วแก๊สป้อนเข้า อันตรกิริยาระหว่างชนิดของอนุภาคของแข็งและอุณหภูมิ อันตรกิริยาระหว่างชนิดของอนุภาคของแข็งและความเร็วแก๊สป้อนเข้า อันตรกิริยาระหว่างอุณหภูมิและความเร็วแก๊สป้อนเข้า และอันตรกิริยาร่วมระหว่างชนิดของอนุภาคของแข็ง อุณหภูมิและความเร็วแก๊สป้อนเข้า ส่งผลต่อค่าร้อยละการเปลี่ยนของออกซิเจน โดยภาวะที่เหมาะสมทางอุทกพลศาสตร์และส่งผลให้ค่าร้อยละการเปลี่ยนของออกซิเจนมากที่สุดคือ อนุภาคของแข็งชนิดนิกเกิล ที่มีอัตราการไหลหมุนเวียนของอนุภาคของแข็ง 300 กิโลกรัมต่อเมตรกำลังสองวินาที ณ อุณหภูมิ 1273 เคลวินและความเร็วแก๊สป้อนเข้า 1 เมตรต่อวินาที
คำสำคัญ: พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ การเผาไหม้แบบเคมิคอลลูปิง ตัวแปรดำเนินการ การไหลหลายวัฏภาค
Abstract
Nowadays, the amount of released carbon dioxide to the atmosphere from industrial combustion process is the main reason for global warming problem. One of the technologies for carbon dioxide capture before releasing to the atmosphere is chemical looping combustion (CLC). In this study, the hydrodynamics and chemical reaction models inside air reactor of CLC were developed based on two-dimensional computational fluid dynamics. The air reactor in CLC had 0.0762 m diameter and 6.10 m height. The results were compared with the experimental data and the effects of operating parameters were analyzed using experimental design. From the results, the EMMS model, the specularity coefficient of 0.5 and the restitution coefficient between solid particles of 0.97 gave the consistent results to the experimental data. The results also showed that particle diameter, solid circulating flux, inlet gas velocity and interaction between particle diameter and inlet gas velocity were the effect parameters on the averaged solid volume fraction. The particle diameter, inlet gas velocity and interaction between particle diameter and inlet gas velocity had an effect on radial standard deviation of solid volume fraction while only inlet gas velocity had an effect on axial standard deviation of solid volume fraction. The chemical reaction which converses the metal and oxygen to metal oxide using Arrhenius diffusion and reaction shrinking core model was consistent with the experimental data. The operating parameters that had an effect on oxygen conversion were particle diameter, temperature, inlet gas velocity, the interaction between particle diameter and temperature, interaction between particle diameter and inlet gas velocity, interaction between temperature and inlet gas velocity and the interaction between particle diameter, temperature and inlet gas velocity. The optimum condition was nickel particle, solid circulating flux of 300 kg/m2s, temperature of 1273 K and inlet gas velocity of 1 m/s.
Keywords: Computational fluid dynamics, Chemical looping combustion, Operating parameter, Multiphase flow
