CFD simulation of reactive flow in lime shaft kilns using porous media model and experimental validation

Abstract

Performing experiments in a real lime shaft kiln plant are quite complicated. A lime shaft kiln has typically a large geometry, including usually a height of 15 meters and a diameter of 3 meters, and is filled with large stones moving in a vertical direction. Within the kiln, measurements are difficult or, measuring instruments are damaged. Due to these difficulties, modeling of physical and chemical processes is required for having a better understanding of the process and optimizing the parameters. The simulation techniques using Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling are particularly beneficial for systems such as shaft kilns. The main objective of this research study is to illustrate the key parameters affecting the flame behavior and temperature profiles in CFS and PFR kilns. For this aim, the CFD method of porous media model (PMM) was introduced. The results of the CFD porous media model were compared with the experimental measurements of packed bed in two types of injections (radial and parallel flows). The PMM model results showed reasonable accuracy with experimental validations. The advantage of the PMM model is that it can be used in the simulation of kilns with a real dimension of about 10 meters in height without limitation in the number of nodes and computational times. In PFR kilns, the flame length was calculated at about 5.2 meters when methane was injected from 18 burners. The flame length can be in the range of 4.8 to 6.1m depending on fuel velocity, particle diameter, types of fuels, number of burners, and arrangements. In CFS kilns, a part of the combustion air was not pressed through the cooling zone but was injected horizontally with the fuel. Therefore, the influence of mixing parameters on penetration depth was studied. When the ratio of combustion air to cooling air was increased from 0.4 to 2, the penetration depth was increased from 0.4 to 0.6 meters. The flame length was calculated in the case of CFS kiln at about 6 meters when methane was injected from 8 burners. The flame length can be in the range of 6 to 8 m depending on the ratio of combustion air to cooling air, fuel velocity, particle diameter, types of fuels, number of burners and arrangements, burner depth.

Experimente in einer echten Kalkschachtofenanlage durchzuführen ist recht kompliziert. Ein Kalkschachtofen hat normalerweise eine große Geometrie mit einer typischen Höhe von 15 Metern und einem Durchmesser von 3 Metern und ist mit großen Steinen gefüllt, die sich in vertikaler Richtung bewegen. Innerhalb des Ofens sind die Messungen schwierig oder die Messinstrumente sind beschädigt. Aufgrund dieser Schwierigkeiten ist die Modellierung physikalischer und chemischer Prozesse erforderlich, um den Prozess besser zu verstehen und die Parameter zu optimieren. Die Simulationstechniken unter Verwendung der CFD-Modellierung (Computational Fluid Dynamics) sind besonders vorteilhaft für Systeme wie Schachtöfen. Das Hauptziel dieser Forschungsstudie ist es, die Schlüsselparameter zu veranschaulichen, die das Flammenverhalten und die Temperaturprofile in CFS- und PFR-Öfen beeinflussen. Zu diesem Zweck wurde die CFD-Methode des porösen Medienmodells (PMM) eingeführt. Die Ergebnisse des CFD-Modells für poröse Medien wurden mit den experimentellen Messungen des Festbetts bei zwei Arten von Injektionen (radiale und parallele Strömungen) verglichen. Die Ergebnisse des PMM-Modells zeigten mit experimentellen Validierungen eine angemessene Genauigkeit. Der Vorteil des PMM-Modells besteht darin, dass es bei der Simulation von Öfen mit einer tatsächlichen Abmessung von etwa 10 Metern Höhe ohne Beschränkung der Anzahl der Knoten und der Rechenzeiten verwendet werden kann. In PFR-Öfen wurde die Flammenlänge mit etwa 5,2 Metern berechnet, als Methan aus 18 Brennern injiziert wurde. Die Flammenlänge kann im Bereich von 4,8 bis 6,1 m liegen, abhängig von Brennstoffgeschwindigkeit, Partikeldurchmesser, Brennstofftypen, Anzahl der Brenner und Anordnungen. In CFS-Öfen wurde ein Teil der Verbrennungsluft nicht durch die Kühlzone gepresst, sondern horizontal mit dem Brennstoff eingeblasen. Daher wurde der Einfluss von Mischparametern auf die Eindringtiefe untersucht. Wenn das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kühlluft von 0,4 auf 2 erhöht wurde, wurde die Eindringtiefe von 0,4 auf 0,6 Meter erhöht.Die Flammenlänge wurde im Falle eines CFS-Ofens bei etwa 6 Metern berechnet, wenn Methan von 8 Brennern injiziert wurde. Die Flammenlänge kann im Bereich von 6 bis 8 m liegen, abhängig vom Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kühlluft, Brennstoffgeschwindigkeit, Partikeldurchmesser, Brennstofftypen, Anzahl der Brenner und Anordnungen, Brennertiefe.