Numeričko modeliranje termokemijskih procesa unutar cementnog kalcinatora s ciljem čišće proizvodnje cementa

doctoral thesis

• Title (english): Numerical modelling of thermochemical processes inside a cement calciner for a cleaner cement production
• Author: Hrvoje Mikulčić
• Mentor: Neven Duić (mentor)
• Committee member: Daniel Rolph Schneider (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Neven Duić (član povjerenstva)
• Committee member: Zdravko Virag (član povjerenstva)
• Committee member: Jan Baeyens https://orcid.org/0000-0001-6213-132X (član povjerenstva)
• Committee member: Peter Priesching (član povjerenstva); strani drzavljanin: Nije dostupno
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2015-10-27, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering
• Universal decimal classification (UDC): 666 - Glass industry. Ceramics. Cement and concrete

Abstract

Trenutna proizvodnja cementa suočena je s dva značajna problema. Prvi je proizvodnja velike
količine stakleničkih plinova, oko 5 % ukupnih globalnih CO2 emisija ljudskog podrijetla, a
drugi je visoka cijena goriva, uglavnom ugljena. Proizvođači cementa su stoga pod sve većim
pritiskom da smanje potrošnju fosilnih goriva i s njima povezanim emisijama stakleničkih
plinova. Utvrđeno je da je djelomična zamjena ugljena alternativnim gorivima, poput biomase
i goriva dobivenih obradom otpada, može imati važnu ulogu u smanjenju CO2 emisija. Kako
je zbrinjavanje otpada na odlagalištima zadnja opcija u strategiji upravljanja otpadom,
energetska oporaba goriva dobivenog obradom otpada, poznatijeg kao kruto gorivo iz otpada
(engl. solid recovered fuel - SRF), ima veliki potencijal u cementnoj industriji.
Spaljivanje visokog udjela SRF-a u cementnim kalcinatorima još se uvijek suočava sa
značajnim izazovima, poglavito jer je dobro poznato da upotreba alternativnih goriva u
postojećim plamenicima mijenja oblik plamena, profil temperatura unutar peći, te izgorenost
samog goriva koje se koristi. Korištenjem računalne dinamike fluida (engl. computational
fluid dynamics - CFD) moguće je prethodno ispitivati i kontrolirati proces izgaranja različitih
vrsta goriva. CFD simulacije su se tokom godina pokazale kao moćan alat za razvoj i
optimizaciju kemijskih procesa te samih uređaja unutar kojih se te kemijske reakcije odvijaju.
One mogu pokazati neke važne karakteristike strujanja fluida i miješanja više faza koje je
teško eksperimentalno istražiti i stoga je CFD, zajedno sa eksperimentima i teorijom, postao
sastavni dio istraživanja procesa izgaranja goriva.
Glavna tema ovog rada bila je postizanje fizički točne i numerički učinkovite metode za
simuliranje termo-kemijskih procesa koji se odvijaju unutar cementnog kalcinatora. To je
podrazumijevalo dobro poznavanje najmodernijih modela izgaranja krutih goriva kao što su
modeli za izgaranje ugljena, biomase i goriva iz čvrstog otpada, kao i pravilno definiranje
endotermnog procesa kalcinacije. Kako bi se ispravno numerički proučavala uloga i
interakcija izgaranja krutih goriva i termičkog raspadanja vapnenca unutar cementnog
kalcinatora, upotrijebljeni su novi i poboljšani fizikalni i kemijski modeli. Nadalje, kako bi se
provjerila točnost numeričkog modeliranja, novi modeli su se opsežno analizirali, a numerički
dobiveni rezultati svakog novog modela su bili uspoređeni s dostupnim eksperimentalnim
podacima. Primjenjivost razvijenog numeričkog modeliranja prikazana je na tri različite
trodimenzionalne geometrije realnih industrijskih cementnih kalcinatora, koje su se koristile
za detaljne numeričke simulacije.

Abstract (english)

The present cement production is facing two main problems. The first one is the production of
large amount of greenhouse gases, around 5 % of world’s anthropogenic CO2 emissions, and
second one is the high fuel prices, mainly coal. The cement producers are therefore under
increasing pressure to reduce their fossil fuel consumption and associated greenhouse gases
emissions. It was found that partial substitution of coal by alternative fuels like waste derived
fuels and biomass may play a major role in the reduction of CO2 emissions. As waste disposal
at landfills is the last option in the waste management strategy, energy recovery of waste
derived fuels, commonly known as solid recovered fuels – SRF, in the cement industry has a
high potential.
Incineration of high share of SRF in cement calciners still faces significant challenges,
mainly because it is well known that the use of alternative fuels in existing pulverized burners
alters the flame shape, the temperature profile inside the furnace, and the burnout of the fuels
used. A possibility for the ex-ante control and investigation of the incineration process are
computational fluid dynamics - CFD simulations. CFD simulations have shown to be a
powerful tool during the development and optimisation of chemical engineering processes and
involved apparatuses. They can show some important flow characteristics and mixing
phenomena, which cannot be experimentally investigated, and because of that CFD together
with experiments and theory, has become an integral component of combustion research.
The main focus of this work was to achieve a physically accurate and numerically
efficient method for simulation of thermo-chemical processes occurring inside a cement
calciner. This implied good knowledge of state-of-the-art solid fuel combustion models, such
as coal, biomass and solid recovered fuel combustion model, as well as proper definition of
the endothermic calcination process. In order to correctly numerically study the role and
interaction of solid fuel combustion and limestone calcination within cement calciner, new
and improved physical and chemical models were introduced. To verify the accuracy of the
modelling approach, the new models were extensively analysed, and the numerical
predictions of each new model was compared with experimental data. To represent the
applicability of the modelling approach, three different three dimensional geometries of real
industrial cement calciners were used for the numerical simulations.

• Keywords: Numeričko modeliranje; kalcinacija; izgaranje; ugljen; biomasa; plastika; kruto gorivo iz otpada
• Keywords (english): Numerical modelling; calcination process; combustion; coal; biomass; plastic
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:318265
• Study programme: Title: Mechanical Engineering and Naval Architecture; Study programme type: university; Study level: postgraduate; Academic / professional title: doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti (doktor/doktorica znanosti, područje tehničkih znanosti)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2019-11-28 12:15:19