Experimentelle Untersuchung und numerische Simulation der Festbettvergasung von Koks

Der Koksumsatz ist der langsamste Schritt bei der Feststoffvergasung und bestimmt wesentlich die Auslegung entsprechender Anlagen. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der experimentellen Untersuchung und numerischen Simulation der Festbettvergasung von Koks. Mit einem neuen Festbettvergaser im Labormaßstab wird die allotherme Vergasung mit Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf bei bis zu 5 bar und 1200°C untersucht. Die spezifische Oberfläche steigt bei der Vergasung in Regime I monoton an. Dabei nimmt das Volumen der Schüttung spätestens ab etwa 50 % Umsatz kontinuierlich ab. Die kinetischen Parameter für einen Ansatz n-ter Ordnung und einen nach Langmuir und Hinshelwood werden parallel auch mit einer Druckthermowaage bestimmt. Bei den relevanten Partialdrücken und Temperaturen ist der Unterschied zwischen beiden Ansätzen gering. Bei 1200°C in Regime II wird schließlich eine Variation der Versuchsparameter durchgeführt. Parallel zu den Experimenten wird eine Simulation mit der kommerziellen Software Ansys Fluent für die numerische Strömungsmechanik aufgebaut, in welche durch eigenen Code verschiedene Partikelmodelle eingefügt werden. Neben der etablierten analytischen Näherungslösung mit dem Thiele-Modul wird eine numerische Lösung implementiert, bei der Profile der Dichte, Porosität und spezifischen Oberfläche entlang des Partikeldurchmessers, zwei Porengrößen und außerdem eine exakte Lösung für die verwendeten Reaktionsansätze ermöglicht werden. Schließlich werden die Experimente bei hohen Temperaturen nachsimuliert. Ein erweitertes Porenmodell mit großen und angeschlossenen, kleinen Poren kann die Experimente bei veränderter Partikelgröße besser erklären. Der Ansatz n-ter Ordnung ist bei der Reduktion des Partialdrucks dem Ansatz nach Langmuir und Hinshelwood überlegen.