Multi-scale analysis and optimization of chemical looping gasification of biomass

生物质化学循环气化的多尺度分析与优化

基本信息

项目摘要

Biomass is a great energy resource in China, but characterized by a low energy specific content, resulting in a high investment on its storage and transport. In order to avoid this problem the pelletized biomass is intensively used in recent years. Pelletizing allow to treat compacted, dustless products with higher efficiency. The present biomass utilization model is potentially to be substituted by using biomass pellets due to the fast development of the pelletizing technology. Chemical Looping Gasification (CLG) represents a unique gasification scheme that is directly related yet notably different from conventional gasification processes. The conventional oxygen production by air separation is not needed in CLG process, which allows enhanced biomass gasification and tar reforming to syngas by using oxygen carrier with minimal energy penalty. Initiated by the leading Chinese/Germany research groups in the areas of chemical looping and particle technology, our multidisciplinary team brings together to answer critical, interrelated scientific questions in fluidization, single particle technology, chemical reaction science and reactor/process modeling, spanning from micro-scale level to reactor and process scales on the CLG technology of biomass pellets. The proposed fundamental research focuses on four aspects. Fluidization behavior (1): dynamics of bubbles and biomass pellets in the fluidized bed. Single pellet (2): the development of mechanical strength of biomass pellet during devolatilization, heat conduction inside single pellet and heat transfer between pellets and bed materials. Moreover structural modification of single pellet during devolatilization will be investigated. The single biomass pellet gasification model will be developed based on BPM (Bonded Particle Model) model. Chemical reactions (3): gasification kinetics of biomass pellets and tar reforming over oxygen carriers. Process optimization (4): with the MP-PIC (Multiphase Particle in Cell) methodology, three-dimensional Euler-Lagrangian numerical model will be developed for CLG process. The fluid dynamics of interconnected fluidized beds, pellets fluidization, single particle micro scale model, gasification and tar reforming kinetics will be coupled together to simulate the whole CLG process. It will be done with regard to the gas-solid fluid characteristics in interconnected fluidized beds and scale-up of the CLG reactors. Fundamental findings obtained from the proposed research will significantly accelerate the development and deployment of CLG for efficient biomass gasification.
生物质是我国重要的能源资源,但其能源比含量低,储运投资大。为了避免这个问题,近年来大量使用颗粒状生物质。造粒可以更高效率地处理压实的无尘产品。随着生物质造粒技术的快速发展,现有的生物质利用模式有可能被生物质造粒所取代。化学回路气化(CLG)是一种独特的气化方案,与传统的气化工艺直接相关,但又明显不同。CLG工艺不需要传统的空气分离制氧,可以通过使用氧载体以最小的能量损失增强生物质气化和焦油重整为合成气。由中国/德国在化学循环和颗粒技术领域的领先研究小组发起,我们的多学科团队聚集在一起,回答流化,单颗粒技术,化学反应科学和反应器/过程建模中关键的,相互关联的科学问题,从微观尺度到生物质颗粒CLG技术的反应器和过程尺度。建议的基础研究主要集中在四个方面。流化行为(1):流化床中气泡和生物质颗粒的动力学。单个颗粒(2):研究了生物质颗粒在脱挥过程中的机械强度变化、颗粒内部的热传导以及颗粒与床料之间的传热。此外,还将研究单颗粒在脱挥过程中的结构改性。在BPM模型的基础上建立了单颗粒生物质气化模型。化学反应(3):生物质颗粒气化动力学和焦油在氧载体上的重整。工艺优化(4):采用MP-PIC(Multiphase Particle in Cell)方法,建立了CLG过程的三维欧拉-拉格朗日数值模型。将互联流化床的流体动力学、颗粒流化、单颗粒微观模型、气化和焦油重整动力学耦合在一起,模拟整个CLG过程。这将是关于气固流体特性在互联流化床和放大的CLG反应器。从拟议的研究中获得的基本发现将大大加快CLG的开发和部署,以实现高效的生物质气化。

项目成果

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MP-PIC simulation of circulating fluidized beds using an EMMS based drag model for Geldart B particles
  • DOI:
    10.1016/j.partic.2021.07.002
  • 发表时间:
    2021-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Timo Dymala;Tom Wytrwat;S. Heinrich
  • 通讯作者:
    Timo Dymala;Tom Wytrwat;S. Heinrich
Modelling of Mechanical Behavior of Biopolymer Alginate Aerogels Using the Bonded-Particle Model
  • DOI:
    10.3390/molecules24142543
  • 发表时间:
    2019-07-02
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Dosta, Maksym;Jarolin, Kolja;Gurikov, Pavel
  • 通讯作者:
    Gurikov, Pavel
Mechanical strength evolution of biomass pellet during chemical looping gasification in fluidized bed
  • DOI:
    10.1016/j.fuproc.2021.106951
  • 发表时间:
    2021-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.5
  • 作者:
    Shen Wang;Xianglei Yin;Kolja Jarolin;Timo Dymala;Jiale Xu;Shangyi Yin;M. Dosta;Tao Song;S. Heinrich;Laihong Shen
  • 通讯作者:
    Shen Wang;Xianglei Yin;Kolja Jarolin;Timo Dymala;Jiale Xu;Shangyi Yin;M. Dosta;Tao Song;S. Heinrich;Laihong Shen
Linearization-based methods for the calibration of bonded-particle models
  • DOI:
    10.1007/s40571-020-00348-z
  • 发表时间:
    2020-07-25
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    Jarolin, Kolja;Dosta, Maksym
  • 通讯作者:
    Dosta, Maksym
Syngas, tar and char behavior in chemical looping gasification of sawdust pellet in fluidized bed
流化床锯末颗粒化学链气化中合成气、焦油和焦炭的行为
  • DOI:
    10.1016/j.fuel.2020.117464
  • 发表时间:
    2020-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    7.4
  • 作者:
    Shen Wang;Tao Song;Shangyi Yin;Ernst-Ulrich Hartge;Timo Dymala;Laihong Shen;Stefan Heinrich;Joachim Werther
  • 通讯作者:
    Joachim Werther
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