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    Schulze, S.; Kestel, M.; Nikrityuk, P. A.; Safronov, D.

    Oil & gas science and technology, 11/2013, Letnik: 68, Številka: 6
    Journal Article, Conference Proceeding

    This work is devoted to the development and validation of a sub-model for the partial oxidation of a spherical char particle moving in an air/steam atmosphere. The particle diameter is 2 mm. The coal particle is represented by moisture- and ash-free nonporous carbon while the coal rank is implemented using semi-global reaction rate expressions taken from the literature. The submodel includes six gaseous chemical species (O2, CO2, CO, H2O, H2, N2). Three heterogeneous reactions are employed, along with two homogeneous semi-global reactions, namely carbon monoxide oxidation and the water-gas-shift reaction. The distinguishing feature of the subgrid model is that it takes into account the influence of homogeneous reactions on integral characteristics such as carbon combustion rates and particle temperature. The sub-model was validated by comparing its results with a comprehensive CFD-based model resolving the issues of bulk flow and boundary layer around the particle. In this model, the Navier-Stokes equations coupled with the energy and species conservation equations were used to solve the problem by means of the pseudo-steady state approach. At the surface of the particle, the balance of mass, energy and species concentration was applied including the effect of the Stefan flow and heat loss due to radiation at the surface of the particle. Good agreement was achieved between the sub-model and the CFD-based model. Additionally, the CFD-based model was verified against experimental data published in the literature (Makino et al. (2003) Combust. Flame 132, 743-753). Good agreement was achieved between numerically predicted and experimentally obtained data for input conditions corresponding to the kinetically controlled regime. The maximal discrepancy (10%) between the experiments and the numerical results was observed in the diffusion-controlled regime. Finally, we discuss the influence of the Reynolds number, the ambient O2 mass fraction and the ambient temperature on the char particle behaviour. Cette étude est consacrée au développement et à la validation d’un sous-modèle pour l’oxydation partielle d’une particule de charbon sphérique se déplaçant dans une atmosphère air/vapeur. Le diamètre de la particule est de 2 mm. La particule de charbon est représentée par du carbone non poreux exempt d’humidité et de cendres, alors que la qualité du charbon est établie en utilisant des expressions du taux de réaction semi-globale extraites de la littérature. Le sous-modèle inclut six espèces chimiques gazeuses (O2, CO2, CO, H2O, H2, N2). Trois réactions hétérogènes sont utilisées, ainsi que deux réactions semi-globales homogènes, à savoir l’oxydation du monoxyde de carbone et la réaction du gaz à l’eau. Les particularités distinctives du modèle de sous-maille se trouvent dans la prise en compte de l’influence des réactions homogènes sur les caractéristiques intégrales telles que les taux de combustion du carbone et la température de la particule. Le sous-modèle a été validé en comparant ses résultats avec un modèle complet basé sur la CFD résolvant les questions de flux volumique et de couche limite autour de la particule. Dans ce modèle, les équations de Navier-Stokes couplées aux équations de conservation de l’énergie et des espèces ont été utilisées pour résoudre le problème au moyen de l’approche en état pseudo-stationnaire. À la surface de la particule, l’équilibre de la masse, de l’énergie et de la concentration des espèces a été appliqué, y compris l’effet de l’écoulement de Stefan et l’effet de la perte de chaleur due aux rayonnements à la surface de la particule. Une bonne adéquation a été atteinte entre le sous-modèle et le modèle basé sur la CFD. En outre, le modèle basé sur la CFD a été comparé aux données expérimentales publiées dans la littérature (Makino et al. (2003) Combust. Flame 132, 743-753). Une bonne concordance a été atteinte entre les données prédites numériquement et celles obtenues expérimentalement pour les conditions d’entrée correspondant au régime contrôlé par la cinétique. La divergence maximale (10 %) entre les expériences et les résultats numériques a été observée dans le régime contrôlé par la diffusion. Enfin, nous discutons de l’influence du nombre de Reynolds, de la fraction massique d’O2 ambiant et de la température ambiante sur le comportement de la particule de charbon.