Thesis:

Numerical and experimental investigation of solar thermochemical gasification of solid fuels in a hybrid porous media reactor

Dentro del marco del proyecto ANID/FONDECYT/1241030, se llevó a cabo una investigación experimental y numérica sobre la gasificación termoquímica de combustibles sólidos en un reactor híbrido de medios porosos expuesto a energía solar concentrada y en un lecho fijo químicamente reactivo para la producción de hidrógeno (H₂) y gas de síntesis. Se presenta una revisión actualizada de la literatura sobre la producción de H₂ y gas de síntesis mediante procesos termoquímicos, incluyendo combustión por filtración, combustión en medios porosos y combustión híbrida por filtración (HFC), desde una perspectiva experimental y numérica. La incorporación de energía solar y biomasa, dos de los recursos renovables más relevantes en Chile, es discutida como un elemento clave para la gasificación alotérmica. A partir del estado del arte en gasificación termoquímica, esta tesis busca abordar vacíos críticos en la comprensión de los fundamentos de transferencia de calor y masa en reactores de medios porosos inertes e híbridos. En particular, este trabajo tiene como objetivo desarrollar nuevos modelos basados en permeabilidad, incluyendo partículas reactivas intrínsecas mediante un enfoque de modelo de medio poroso (PMM). Se evalúa el número de Reynolds, la temperatura del gas de entrada y la atmósfera oxidante, así como la factibilidad de un modelo numérico axisimétrico bidimensional de medios porosos para representar un enfoque tridimensional de partículas resueltas en la gasificación de carbón vegetal. La novedad de esta investigación radica en la adaptación de un enfoque PMM, logrando resultados cercanos a los obtenidos mediante un modelo PRS, lo que abre nuevas perspectivas para la simulación de lechos fijos químicamente reactivos. Debido a la complejidad y a la escasa literatura sobre el uso de biomasa como combustible sólido en procesos de gasificación solar, todos los estudios numéricos se realizaron utilizando partículas de carbón. En este sentido, se desarrolló un estudio exhaustivo de la gasificación de partículas de carbón dentro de un reactor de lecho fijo utilizando un modelo tridimensional, con el fin de analizar el efecto de la temperatura de entrada del gas, la atmósfera oxidante (YO₂,in = 0.05, 0.11 y 0.233) y el número de Reynolds (Rein = 10, 50, 75 y 100). Posteriormente, este trabajo se amplía utilizando una geometría axisimétrica bidimensional y un enfoque continuo para investigar el uso de modelos simplificados en la representación de procesos reactivos multifísicos complejos. Además, se comparó un enfoque macro-poro-resuelto con un modelo de medio poroso utilizando una sola partícula de carbón, con el objetivo de comprender mejor el comportamiento de la transferencia de calor y masa del fenómeno, especialmente a nivel de poro, donde parámetros como porosidad, tortuosidad, difusividad efectiva, dispersión y conductividad térmica juegan un rol crucial. En cuanto a los objetivos experimentales específicos, este trabajo busca realizar experimentos en un reactor híbrido de medios porosos expuesto a energía solar concentrada, enfocados en la producción de hidrógeno y gas de síntesis, e identificar los parámetros operativos más significativos según los resultados experimentales y numéricos, a fin de proponer mejoras a los procesos para futuras investigaciones. En esta línea, se desarrolló una investigación experimental sobre la interacción de diferentes mezclas de combustibles sólidos en un gasificador solar para la producción de H₂ y gas de síntesis a bajas temperaturas (∼600 K). Dado que el objetivo numérico final es la simulación del reactor de gasificación solar, se describe matemáticamente un modelo tridimensional CFD de medio poroso que incluye partículas de carbón reactivas tratadas como partículas sólidas porosas e inertes. Finalmente, se presentan una extensión de esta tesis y recomendaciones para el diseño experimental, la cinética química, el uso de nuevos combustibles sólidos y gaseosos, y aspectos clave para lograr una operación continua del sistema.

Within the framework of the ANID/FONDECYT/1241030 project, an experimental and numerical investigation was performed on the thermochemical gasification of solid fuels in a hybrid porous media reactor exposed to concentrated solar energy and in a chemically reacting fixed-bed for hydrogen (H2) and syngas production. An up-to-date literature review on H2 and syngas production by thermochemical processes, including filtration combustion, porous media combustion, and hybrid filtration combustion (HFC), is presented from an experimental and numerical perspective. Incorporating solar energy and biomass, two of the most important Chilean renewable resources, is discussed as a key element for allothermal gasification. Building on the current state of the art in thermochemical gasification, this thesis aims to address key gaps in understanding the fundamentals of heat and mass transfer inside inert and hybrid porous media reactors. In particular, this work aims to develop new permeability-based models, including intrinsic reacting particles using a porous media model (PMM) approach. The assessment of Reynolds number, inflow gas temperature and oxidative atmosphere, and the feasibility of a 2D axisymmetric porous media numerical model to represent a 3D particle-resolved approach of carbon char gasification are investigated. The novelty of this research is tailoring a PMM approach, making results close to those obtained using a PRS model, opening new perspectives for the simulation of chemically reacting fixed-beds. Due to the complexity and the lack of literature regarding the use of biomass as a solid fuel for solar-driven gasification, all numerical studies were performed using carbon char particles. In this regard, a comprehensive study of the gasification of carbon char particles inside a fixed-bed reactor was performed using a three-dimensional model to analyze the effect of the inflow gas temperature, oxidative atmosphere (YO2,in = 0.05, 0.11, and 0.233), and Reynolds number (Rein = 10, 50, 75, and 100). This work is next extended using a 2D ii axisymmetric geometry and a continuum approach to investigate the use of simplified models to represent complex multiphysics reactive processes. Also, a macro-pore-resolved approach was studied against a porous media model using a single carbon char particle. These studies were performed to better understand the heat and mass transfer behavior of the phenomenon, specially at a pore-scale level, where porosity, tortuosity, effective diffusivity, dispersion, and thermal conductivity play a crucial role. Regarding experimental-specific goals, this work aims to perform experiments in a hybrid porous media reactor exposed to concentrated solar energy, focusing on hydrogen and syngas production, and identify the most significant operational parameters according to experimental and numerical results to propose improvements to the processes for further research. In this regard, experimental research was conducted on the interaction of different mixtures of solid fuels inside a solar-driven gasifier for H2 and syngas production at low temperatures (∼ 600K). Since the ultimate numerical approach is the simulation of the solar-driven gasification reactor, a 3D-CFD based porous media model including char reacting particles treated as porous and inert solid particles is mathematically described. Finally, an extension of this thesis and future recommendations are given regarding experiment designing, chemical kinetics, use of new solid and gaseous fuels, and key aspects to achieve a continuous operation of the system.