A Study on the Role of Reaction Modeling in Multi-phase CFD-based Simulations of Chemical Looping Combustion Impact du modèle de réaction sur les simulations CFD de la combustion en boucle chimique

Abstract

Chemical Looping Combustion is an energy efficient combustion technology for the inherent separation of carbon dioxide for both gaseous and solid fuels. For scale up and further development of this process multi-phase CFD-based simulations have a strong potential which rely on kinetic models for the solid/gaseous reactions. Reaction models are usually simple in structure in order to keep the computational cost low. They are commonly derived from thermogravimetric experiments. With only few CFD-based simulations performed on chemical looping combustion, there is a lack in understanding of the role and of the sensitivity of the applied chemical reaction model on the outcome of a simulation. The aim of this investigation is therefore the study of three different carrier materials CaSO4, Mn3O4 and NiO with the gaseous fuels H2 and CH4 in a batch type reaction vessel. Four reaction models namely the linear shrinking core, the spherical shrinking core, the Avrami-Erofeev and a recently proposed multi parameter model are applied and compared on a case by case basis. La combustion en boucle chimique (Chemical Looping Combustion) est une technologie de combustion efficace permettant le captage in situ du CO2 pour des charges gazeuses ou solides. Dans l’optique du développement et de l’extrapolation du procédé, la CFD est un outil de simulation à fort potentiel qui s’appuie notamment sur des modèles cinétiques pour décrire les réactions gaz-solide. Ces modèles décrivant les réactions sont généralement assez simples pour limiter les temps de simulation et sont obtenus à partir d’expérimentations en thermobalance. Il y a encore peu de travaux de modélisation CFD du procédé CLC et il est difficile d’estimer l’importance du modèle décrivant les réactions chimiques sur les résultats des simulations. Le but de ce travail est donc d’étudier la combustion de charges gazeuses H2 et CH4 dans des réacteurs en batch en considérant 3 matériaux transporteurs d’oxygène (CaSO4, Mn3O4 et NiO). Quatre modèles cinétiques (le modèle à coeur rétrécissant linéaire, le modèle à coeur rétrécissant sphérique, le modèle d’Avrami-Erofeev et un modèle plus récent multi-paramètres) ont été utilisés et comparés au cas par cas.