Modelování a simulace zařízení pro zplyňování pevných paliv a odpadových materiálů

Abstract

Tato práce se zabývá modelováním a simulací pyrolýzních procesů v rámci výzkumu na Katedře energetiky VŠB -TU Ostrava. Poloprovozní jednotka, která je již v provozu, byla projektována pro konverzi pevných odpadových materiálů do plynu.Cílem výzkumu je maximalizace plynné fázi vytvořené z tepelného rozkladu těchto materiálů a dosažení nejlepší kvality plynu z hlediska výhřevnosti. Modelovací techniky jsou široce používány v průmyslu, protože jsou dostatečně přesné a přinášejí úspory času při řešení výzkumných úkolů. Bylo ověřeno, že nejlepší způsob modelování je založen na jedno-dimenzionálním modelu, který určuje vývoj pyrolýzního rozkladu odpadních pevných materiálů a definuje přenosové veličiny procesu. Reaktor je složen ze dvou šroubových podavačů. Silové poměry při pohybu materiálu po celé délce reaktoru se skládají z heterogenních pohybů, tedy 3D modelování by bylo značně komplikované a nedávalo by podklady pro optimalizaci zařízení. Systém byl analyzován jako režim spádového provozu . Softwarové nástroje byly použity k popisu procesu tak, aby software mohl použit pro optimalizaci procesů pyrolýzy. Hodnoty naměřené z experimentů byly srovnávány s vypočtenými hodnotami, kalibrovány a provozní experimenty byly provedeny s cílem zajistit dobrou reprezentaci modelu. Profily uvolňování prchavého podílu byly uvedeny v základním softwaru s možností ovlivnění dat na základě měření v provozních podmínkách. Kalibrace modelu s experimentem tak umožňuje ovlivnit průběh uvolňování prchavých částic. Získané výsledky experimentů jasně identifikují proces pyrolýzy s modelem a jsou přínosem pro další výzkum spojený s optimalizaci přenosových jevů v reaktoru. Získání oficiální licence přinese v budoucnu možnost další kalibraci modelu pro jiné materiály a provozní podmínky a umožní dosáhnout s vysokou přesností co nejlepších výsledků aplikovatelných pro komerční pyrolýzní jednotky.

,The present thesis explores the modeling and simulation of a study case in development at the department of power engineering of the Technical University of Ostrava. The equipment, which is already in operation, was projected to convert waste solid materials into a gas. The project is then looking for maximizing the gas phase produced from the thermal decomposition of the materials and also the best quality of the gas. The modeling technologies are widely applied in the industries because they are accurately and they bring substantial saves of money and time in the whole research task. A comprehensive simulator was used as a base to develop an approach that could be found a model compatible with the study case. It was verified that the best modeling approach was the one based on the one-dimensional model which cares about the evolution of the decomposition in order to the position on the reactor. The reactor is composed by two helical blades that force the material throughout the reactor in heterogeneous movements, therefore the 3D modeling would be worthless for that case. The system was analyzed as downdraft operation mode and the appropriated software tools were applied to describe the process in the way that software could read it. Then the values from the experiments were compared and some operational optimizations were made to ensure the good representation of the model. It presented compatibility in some parameters but also some limitation motivated by the profile of devolatilization that the software had in the database. The calibration of the model with the study case would request an input to the database of the devolatilization profile that describes the process. The results obtained are able to clear identify the process with the model and support the high interest that the good representation could bring to the whole project. The acquisition of an official license would bring the possibility to calibrate the model and so achieved with high accuracy the best results that the unit would be able to perform.