Numerical modelling and simulation of pulverized solid-fuel combustion in swirl burners

Authors

  • H. Ettouati,

    1. Laboratoire d'Etudes des Systèmes Thermiques et Energétiques, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Monastir, 5019 Monastir, Tunisia
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  • A. Boutoub,

    1. Laboratoire d'Etudes des Systèmes Thermiques et Energétiques, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Monastir, 5019 Monastir, Tunisia
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  • H. Benticha,

    1. Laboratoire d'Etudes des Systèmes Thermiques et Energétiques, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Monastir, 5019 Monastir, Tunisia
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  • M. Sassi

    Corresponding author
    1. Department of Chemical Engineering, The Petroleum Institute, P.O. Box 2533, Abu Dhabi, United Arab Emirates
    • Department of Chemical Engineering, The Petroleum Institute, P.O. Box 2533, Abu Dhabi, United Arab Emirates.
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Abstract

A finite-volume numerical model for computer simulation of pulverized solid-fuel combustion in furnaces with axisymmetric-geometry swirl burner is presented. The simulation model is based on the k − ε single phase turbulence model, considering the presence of the dispersed solid phase via additional source terms in the gas phase equations. The dispersed phase is treated by the particle source in cell (PSIC) method. Solid fuel particle devolatilization, homogenous and heterogeneous chemical reaction processes are modelled via a global combustion model. The radiative heat transfer equation is also resolved using the finite volume method. The numerical simulation code is validated by comparing computational and experimental results of pulverized coal in an experimental furnace equipped with a swirl burner. It is shown that the developed numerical code can successfully predict the flow field and flame structure including swirl effects and can therefore be used for the design and optimization of pulverized solid-fuel swirl burners.

Abstract

On présente un modèle numérique de volumes finis pour la simulation par ordinateur de la combustion de combustibles solides pulvérisés dans des fours munis de brûleur à tourbillon axisymétrique. Le modèle de simulation repose sur le modèle de turbulence monophasique k − ε, et décrit la présence de la phase solide dispersée par le biais de termes-sources additionnels dans les équations de la phase gazeuse. La phase dispersée est traitée par la méthode PSIC. La dévolatilisation des particules combustibles solides et les procédés de réaction chimique homogène et hétérogène sont modélisés à l'aide d'un modèle de combustion global. L'équation de transfert de chaleur radiatif est également résolue par la méthode des volumes finis. Le code de simulation numérique a été validé en comparant les résultats des calculs par ordinateur avec des expériences pour du charbon pulvérisé dans un four expérimental équipé d'un brûleur à tourbillon. On montre que le code numérique peut prédire avec succès le champ d'écoulement et la structure de flamme y compris les effets tourbillonnaires et qu'il peut donc servir à la conception et à l'optimisation des brûleurs à tourbillons pour les combustibles solides pulvérisés.

Ancillary