زباله سوز

پیش فرض های مهندسی و سناریوی طراحی

به منظور تدوین یک چارچوب مهندسی واقع بینانه برای طراحی و شبیه سازی راکتور پلاسمای کوچک مقیاس، در این پژوهش یک سناریوی مرجع برای یک روستای کم جمعیت در نظر گرفته شده است. این سناریو به عنوان مبنای اولیه طراحی مفهومی، تحلیل های ترمودینامیکی و مدل سازی عددی سامانه مورد استفاده قرار می گیرد. بدیهی است که تمامی پارامترهای طراحی در مراحل بعدی پژوهش، بر اساس نتایج مطالعات حساسیت، داده های تجربی، آنالیز واقعی پسماند و شرایط بهره برداری قابل اصلاح و بهینه سازی خواهند بود.

در سناریوی پایه، جمعیت روستا برابر با 100 نفر فرض شده است. با درنظر گرفتن متوسط تولید پسماند شهری و روستایی در حدود 0.5 کیلوگرم به ازای هر نفر در روز، میزان کل پسماند تولیدی تقریبا 50 کیلوگرم در روز برآورد می شود. بر این اساس، ظرفیت طراحی راکتور به گونه ای انتخاب خواهد شد که امکان پردازش روزانه 50 تا 150 کیلوگرم پسماند را فراهم سازد. این بازه ظرفیتی، انعطاف پذیری لازم را برای توسعه آتی سامانه، افزایش جمعیت بهره بردار و تغییرات احتمالی در نرخ تولید پسماند فراهم می کند.

پسماند ورودی به راکتور به صورت مخلوطی از پسماندهای متداول خانگی شامل مواد آلی، کاغذ، پلاستیک، منسوجات و مقادیر محدودی فلز و شیشه در نظر گرفته می شود. به طور تقریبی، حدود 60 درصد جرمی پسماند از مواد قابل گازی سازی نظیر ترکیبات آلی و پلاستیکی تشکیل شده است، درحالی که حدود 30 درصد شامل مواد غیرقابل گازی سازی مانند فلزات و شیشه خواهد بود که عمدتا در قالب سرباره از سامانه خارج می شوند. بخش باقی مانده نیز شامل رطوبت، مواد معدنی و ترکیبات خاکسترزا است که در رفتار حرارتی و بازده فرآیند نقش موثری خواهند داشت.

فرضیات فوق به عنوان شرایط اولیه طراحی برای تحلیل های ترمودینامیکی، سینتیکی و شبیه سازی CFD مورد استفاده قرار خواهند گرفت. در ادامه پژوهش، این پارامترها بر اساس داده های میدانی، نتایج آزمایشگاهی و مطالعات تجربی اصلاح شده و به مدل نهایی نزدیک تر خواهند شد.

انتخاب پیکربندی راکتور

با توجه به ظرفیت محدود تولید پسماند در مناطق روستایی، الزامات اقتصادی سامانه های کوچک مقیاس و ضرورت دستیابی به یک ساختار عملیاتی ساده و قابل اطمینان، در این پژوهش یک راکتور پلاسمایی عمودی تک مشعل از نوع Vertical Shaft Reactor به عنوان پیکربندی پایه انتخاب شده است. این آرایش به دلیل سادگی طراحی و ساخت، قابلیت بهره برداری پایدار، سهولت تغذیه پسماند، تمرکز مناسب انرژی حرارتی در ناحیه واکنش و امکان کارکرد پیوسته یا نیمه پیوسته، یکی از گزینه های مناسب برای سامانه های غیرمتمرکز تبدیل پسماند به انرژی محسوب می شود.

در این پیکربندی، مشعل پلاسما در بخش فوقانی یا تحتانی راکتور نصب می شود و با ایجاد یک ناحیه با دمای بسیار بالا، شرایط لازم برای خشک شدن، پیرولیز، گازی سازی و در نهایت ذوب مواد معدنی را فراهم می سازد. ساختار عمودی راکتور موجب افزایش زمان ماند ذرات در ناحیه واکنش، بهبود انتقال حرارت، افزایش یکنواختی میدان دمایی و تسهیل تخلیه سرباره مذاب از بخش پایینی سامانه می شود. این ویژگی ها می توانند به افزایش بازده تبدیل انرژی، کاهش تشکیل آلاینده ها و بهبود عملکرد کلی فرآیند گازی سازی پلاسما منجر شوند.

ساختار و نحوه عملکرد راکتور پیشنهادی

راکتور پیشنهادی شامل یک محفظه استوانه ای عمودی است که خوراک پسماند از بخش فوقانی آن وارد سامانه می شود. تغذیه پسماند می تواند به صورت ثقلی یا از طریق سامانه مارپیچی (Screw Feeder) انجام گیرد. استفاده از سامانه تغذیه مارپیچی امکان کنترل دقیق نرخ خوراک دهی، یکنواختی جریان ورودی و پایداری عملکرد راکتور را فراهم می کند. مواد غیرقابل گازی سازی، خاکستر و سرباره تولیدشده نیز از بخش تحتانی راکتور تخلیه خواهند شد.

در پیکربندی انتخاب شده، مشعل پلاسما در قسمت فوقانی راکتور نصب شده و تزریق پلاسما به صورت محوری (Axial Injection) و در راستای محور اصلی راکتور انجام می شود. اگرچه در برخی سامانه های صنعتی از تزریق جانبی همراه با جریان گردابه ای (Swirling Flow) برای افزایش اختلاط، یکنواختی میدان دمایی و بهبود انتقال حرارت استفاده می شود، اما در این پژوهش به منظور کاهش پیچیدگی هندسی، تسهیل شبکه بندی عددی و کاهش هزینه های ساخت، آرایش تزریق محوری به عنوان پیکربندی پایه انتخاب شده است.

ناحیه اصلی واکنش در بخش فوقانی تا میانی راکتور قرار دارد؛ جایی که انرژی حرارتی ناشی از ستون پلاسما موجب خشک شدن، پیرولیز و گازی سازی سریع پسماند می شود. گازهای حاصل از واکنش در داخل راکتور حرکت کرده و برای مدت زمان کافی در ناحیه دمای بالا باقی می مانند. این شرایط امکان تکمیل واکنش های گازی سازی، شکست ترکیبات هیدروکربنی سنگین و انجام واکنش های اصلاح بخار (Steam Reforming) را فراهم می سازد. در نتیجه، راندمان تبدیل کربن افزایش یافته، مقدار ترکیبات قیری (Tar) کاهش می یابد و کیفیت گاز سنتز تولیدی بهبود پیدا می کند.

انتقال حرارت در راکتور از سه مکانیزم اصلی شامل تابش حرارتی ناشی از ستون پلاسما، جابه جایی توسط گازهای داغ و هدایت حرارتی در بستر پسماند تشکیل می شود. به دلیل دمای بسیار بالای ناحیه پلاسما، نرخ تجزیه ترکیبات آلی و سرعت واکنش های ترموشیمیایی به طور قابل توجهی افزایش می یابد که این امر یکی از مزایای اصلی فناوری گازی سازی پلاسما محسوب می شود.

گاز سنتز تولیدشده از بخش فوقانی راکتور جمع آوری شده و پس از عبور از تجهیزات پایین دستی شامل سیکلون، مبدل حرارتی و واحد پاک سازی گاز، برای تولید انرژی الکتریکی، احتراق کمکی، بازیابی حرارت یا آنالیز ترکیب شیمیایی مورد استفاده قرار خواهد گرفت. علاوه بر این، مواد معدنی و اجزای غیرقابل گازی سازی در اثر دمای بسیار بالای راکتور به سرباره ای شیشه ای (Vitrified Slag) تبدیل می شوند. این سرباره دارای پایداری شیمیایی بالایی بوده و علاوه بر کاهش حجم نهایی پسماند، قابلیت تثبیت بسیاری از آلاینده های معدنی و فلزات سنگین را نیز فراهم می کند.

ابعاد اولیه پیشنهادی راکتور

به منظور انجام مطالعات اولیه طراحی و شبیه سازی CFD برای ظرفیت پایه تقریبا 50 کیلوگرم پسماند در روز، ابعاد اولیه راکتور به صورت تقریبی مطابق مقادیر زیر در نظر گرفته می شود:

- قطر داخلی راکتور: 0.4 تا 0.8 متر

- ارتفاع ناحیه فعال واکنش: 1 تا 1.5 متر

این ابعاد به عنوان مقادیر اولیه طراحی انتخاب شده اند و در مراحل بعدی پژوهش از طریق مطالعات پارامتریک و تحلیل حساسیت مورد ارزیابی و بهینه سازی قرار خواهند گرفت. هدف از این مطالعات، تعیین ابعاد بهینه بر اساس شاخص های عملکردی نظیر زمان ماند گونه های گازی، یکنواختی توزیع دما، راندمان تبدیل کربن، افت فشار، نرخ تشکیل قیر و بازده کلی انرژی سامانه است.

انتخاب این بازه ابعادی با هدف ایجاد تعادل میان حجم ناحیه واکنش، محدودیت توان مشعل پلاسما، زمان ماند مناسب واکنش ها و قابلیت ساخت سامانه در مقیاس کوچک صورت گرفته است. افزایش بیش از حد ابعاد راکتور می تواند موجب کاهش چگالی شار حرارتی و افت دمای موضعی در ناحیه واکنش شود، درحالی که کوچک بودن بیش از اندازه راکتور ممکن است زمان ماند واکنش ها و یکنواختی میدان حرارتی را کاهش داده و بر کیفیت گاز سنتز اثر منفی بگذارد.

مشخصات پیشنهادی مشعل پلاسما

با توجه به ظرفیت محدود پسماند ورودی و الزامات سامانه های کوچک مقیاس تبدیل پسماند به انرژی، استفاده از یک مشعل پلاسمای جریان مستقیم (DC Plasma Torch) به عنوان منبع اصلی تامین انرژی حرارتی راکتور پیشنهاد می شود. این نوع مشعل به دلیل توانایی تولید دماهای بسیار بالا، پایداری مناسب قوس الکتریکی، کنترل پذیری فرآیند و قابلیت عملکرد پیوسته، یکی از گزینه های متداول در سامانه های گازی سازی پلاسما به شمار می رود.

در این پژوهش، بازه توان 100 تا 300 کیلووات به عنوان محدوده مطالعاتی اولیه برای بررسی عملکرد سامانه در نظر گرفته می شود. انتخاب این بازه بر اساس نیاز حرارتی فرآیند، الزامات گازی سازی مواد آلی پیچیده و ضرورت ایجاد شرایط پایدار واکنش انجام شده است. توان های پایین تر ممکن است در برخی شرایط قادر به تامین انرژی کافی برای تجزیه کامل ترکیبات دیرتجزیه و حفظ دمای مناسب ناحیه واکنش نباشند. از این رو، مقدار 100 کیلووات به عنوان حداقل توان مرجع برای مطالعات عددی اولیه انتخاب می شود.

گاز عامل پلاسما می تواند از میان بخار آب، هوا یا نیتروژن انتخاب شود. استفاده از بخار آب به دلیل افزایش تولید هیدروژن، تقویت واکنش های گازی سازی و اصلاح بخار و در نتیجه بهبود کیفیت گاز سنتز، گزینه ای جذاب محسوب می شود. در مقابل، هوا و نیتروژن می توانند موجب کاهش هزینه های بهره برداری، سادگی تجهیزات جانبی و سهولت کنترل فرآیند شوند.

دمای ناحیه قوس پلاسما معمولا در محدوده تقریبی 4000 تا 8000 درجه سانتی گراد قرار دارد. در مدل سازی CFD، این ناحیه می تواند به صورت شرط مرزی حرارتی، منبع حجمی انرژی یا ناحیه تولید گرما مدل سازی شود. انتخاب روش مناسب وابسته به سطح پیچیدگی مدل، هزینه محاسباتی و اهداف پژوهش خواهد بود.

دبی جرمی گاز پلاسما نیز متناسب با توان مشعل و نوع گاز انتخابی تعیین می شود و در سامانه های کوچک مقیاس معمولا در محدوده چند ده لیتر بر ثانیه تا چند صد لیتر بر دقیقه قرار می گیرد. این پارامتر نقش مهمی در شکل گیری میدان جریان، انتقال حرارت و توزیع دما در داخل راکتور ایفا می کند.

در مراحل توسعه مدل عددی، امکان استفاده از مدل های پیشرفته تر شامل انتقال تابشی حرارت، مدل های غیرتعادلی پلاسما و اندرکنش میان جت پلاسما و بستر پسماند نیز مورد بررسی قرار خواهد گرفت. علاوه بر این، اثر توان مشعل بر توزیع دما، ترکیب گاز سنتز، نرخ تبدیل کربن، تشکیل سرباره و بازده کلی سامانه در قالب مطالعات پارامتریک ارزیابی خواهد شد.

مدل سازی CFD راکتور پلاسمایی

ساده سازی مدل مشعل در شبیه سازی CFD

مدل سازی مستقیم مشعل پلاسما مستلزم حل همزمان پدیده های الکترومغناطیسی، انتقال انرژی قوس الکتریکی، یونیزاسیون گاز و فرآیندهای پیچیده فیزیک پلاسما است که هزینه محاسباتی بسیار بالایی را به مدل تحمیل می کند. ازاین رو، در این پژوهش مشعل پلاسما به صورت یک منبع انرژی حجمی (Volumetric Heat Source) یا ناحیه اعمال توان حرارتی مدل سازی خواهد شد.

این رویکرد یکی از روش های متداول در مطالعات CFD راکتورهای پلاسمایی بوده و امکان بررسی میدان دما، الگوی جریان، انتقال حرارت و واکنش های شیمیایی را بدون نیاز به شبیه سازی مستقیم فیزیک قوس پلاسما فراهم می کند. همچنین این روش تعادل مناسبی میان دقت مدل و هزینه محاسباتی ایجاد می کند و برای مطالعات طراحی اولیه و تحلیل پارامتریک مناسب است.

رویکرد کلی مدل سازی

در این پژوهش، راکتور پلاسمایی به عنوان یک سامانه جریان واکنشی چندگونه ای (Reacting Multispecies Flow) در نظر گرفته می شود که در آن فرآیندهای خشک شدن، پیرولیز، گازی سازی و واکنش های ثانویه گازها به صورت همزمان رخ می دهند. هدف اصلی مدل سازی، بررسی رفتار حرارتی، هیدرودینامیکی و شیمیایی راکتور در شرایط مختلف بهره برداری است.

شبیه سازی در مرحله نخست به صورت حالت پایدار (Steady-State) انجام خواهد شد تا مشخصات کلی عملکرد راکتور تعیین شود. در مراحل بعدی، در صورت نیاز، امکان توسعه مدل به حالت گذرا (Transient) برای بررسی تغییرات زمانی فرآیند نیز وجود خواهد داشت.

بستر پسماند به عنوان یک محیط متخلخل واکنشی (Reactive Porous Zone) مدل سازی می شود که در آن مقاومت هیدرودینامیکی محیط متخلخل و همچنین منابع جرمی و حرارتی ناشی از واکنش های ترموشیمیایی لحاظ خواهند شد. برای مدل سازی افت فشار در بستر، از روابط محیط متخلخل مبتنی بر مدل دارسی–فورشهایمر (Darcy–Forchheimer Model) استفاده خواهد شد. این رویکرد امکان شبیه سازی همزمان انتقال جرم، انتقال حرارت و واکنش های شیمیایی را با هزینه محاسباتی مناسب فراهم می کند.

مدل جریان و خواص سیال

به دلیل وجود دماهای بسیار بالا در ناحیه پلاسما و وقوع واکنش های گرماگیر و گرمازا، خواص ترموفیزیکی گازها در داخل راکتور ثابت نبوده و با تغییر دما و فشار تغییر می کنند. این تغییرات می توانند تاثیر قابل توجهی بر میدان جریان، انتقال حرارت و توزیع گونه های شیمیایی داشته باشند.

در این پژوهش، چگالی گازها بر اساس فرض گاز ایده آل مدل سازی خواهد شد. در این حالت، چگالی تابعی از فشار و دمای موضعی بوده و مطابق رابطه زیر محاسبه می شود:

که در آن، ρ چگالی گاز، P فشار مطلق، R ثابت گاز و T دمای مطلق است. این مدل امکان لحاظ کردن اثر تغییرات دما بر چگالی و رفتار جریان را بدون افزایش قابل توجه هزینه محاسباتی فراهم می کند.

مدل آشفتگی

با توجه به تزریق جت پلاسما، گرادیان های شدید دما، اختلاط گونه های گازی و وجود نواحی بازچرخش جریان، رفتار سیال در داخل راکتور عمدتا آشفته در نظر گرفته می شود. به همین دلیل، استفاده از مدل های آشفتگی مبتنی بر معادلات انتقال انرژی جنبشی آشفتگی و نرخ اتلاف آن ضروری خواهد بود.

در این پژوهش، مدل های Realizable k-ε و RNG k-ε به عنوان گزینه های اصلی برای شبیه سازی آشفتگی مدنظر قرار می گیرند. این مدل ها در مقایسه با مدل استاندارد k-ε توانایی بیشتری در پیش بینی جریان های دارای انحنا، اختلاط شدید و جت های حرارتی دارند و در بسیاری از مطالعات راکتورهای گازی سازی و پلاسمایی نتایج قابل قبولی ارائه کرده اند.

استفاده از این مدل ها امکان پیش بینی مناسب توزیع سرعت، شدت آشفتگی، اختلاط گونه های شیمیایی و انتقال حرارت را با هزینه محاسباتی قابل قبول فراهم می سازد.

مدل های CFD در راکتور پلاسمایی

مدل آشفتگی

برای مدل سازی جریان آشفته در راکتور، از مدل آشفتگی k-ω SST (Shear Stress Transport) استفاده خواهد شد. این مدل به دلیل دقت مناسب در پیش بینی لایه مرزی، نواحی نزدیک دیواره و جریان های دارای گرادیان شدید دما و سرعت، یکی از گزینه های مناسب برای شبیه سازی راکتورهای پلاسمایی محسوب می شود.

مدل SST ترکیبی از مزایای مدل k-ω در نواحی نزدیک دیواره و مدل k-ε در نواحی دور از دیواره است و در شبیه سازی جریان های دارای جدایش، بازچرخش، چرخش و انتقال حرارت شدید عملکرد مناسبی ارائه می دهد.

در برخی مطالعات، از مدل RNG k-ε نیز به منظور کاهش هزینه محاسباتی استفاده شده است؛ با این حال، مدل k-ω SST در شرایط دمای بالا و نواحی دارای گرادیان شدید جریان و انتقال حرارت، دقت بیشتری در پیش بینی میدان سرعت، تنش های برشی و توزیع دما فراهم می کند. ازاین رو، این مدل به عنوان مدل اصلی آشفتگی در پژوهش حاضر انتخاب می شود.

مدل واکنش شیمیایی

برای شبیه سازی فرآیندهای پیرولیز و گازی سازی، از مدل واکنش گونه ای مبتنی بر سینتیک محدود (Finite-Rate Chemistry) استفاده خواهد شد. در این رویکرد، نرخ واکنش ها بر اساس روابط سینتیکی وابسته به دما تعریف می شود تا امکان پیش بینی رفتار شیمیایی سامانه در شرایط مختلف عملیاتی فراهم گردد.

در مرحله نخست، فرآیند پیرولیز به صورت یک مدل ساده شده تولید مواد فرار، گازهای قابل احتراق و باقی مانده کربنی در نظر گرفته می شود. سپس واکنش های اصلی گازی سازی در فاز گازی و سطح جامد مدل سازی خواهند شد.

همچنین به منظور درنظر گرفتن اثر آشفتگی بر نرخ واکنش های شیمیایی، در مراحل پیشرفته تر مدل سازی می توان از مدل Eddy Dissipation Concept (EDC) استفاده کرد. این مدل امکان کوپل شدن اثرات آشفتگی و واکنش شیمیایی را فراهم کرده و برای جریان های واکنشی با اختلاط شدید مناسب است.

واکنش های اصلی در فرآیند گازی سازی شامل موارد زیر خواهند بود:

· واکنش گازی سازی بخار:

C + H₂O → CO + H₂

· واکنش انتقال آب–گاز:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂

· واکنش بودوآرد:

C + CO₂ → 2CO

· واکنش متان سازی:

CO + 3H₂ → CH₄ + H₂O

به منظور کاهش هزینه محاسباتی و ساده سازی مدل، واکنش ها به صورت واکنش های کلی (Global Reactions) تعریف خواهند شد و از مدل های سینتیکی پیچیده چندمرحله ای صرف نظر می شود.

مدل انتقال حرارت

انتقال حرارت در راکتور شامل سه مکانیزم اصلی هدایت، همرفت و تابش حرارتی خواهد بود. با توجه به دماهای بسیار بالا در ناحیه پلاسما، تابش حرارتی نقش بسیار مهمی در توزیع دما و انتقال انرژی ایفا می کند و نمی توان اثر آن را نادیده گرفت.

برای مدل سازی تابش حرارتی، مدل Discrete Ordinates (DO) به عنوان گزینه اصلی مدنظر قرار می گیرد. این مدل دقت بالاتری در پیش بینی توزیع تابش و انتقال انرژی در محیط های دارای گرادیان شدید دما داشته و برای شبیه سازی راکتورهای دما بالا مناسب است.

علاوه بر این، مدل P1 نیز می تواند برای مطالعات اولیه، تحلیل حساسیت و بررسی های پارامتریک مورد استفاده قرار گیرد. این مدل ساده تر بوده و هزینه محاسباتی کمتری نسبت به مدل DO دارد.

انتخاب نهایی مدل تابش بر اساس دقت موردنیاز، پایداری عددی، زمان محاسبات و محدودیت های سخت افزاری انجام خواهد شد.

مدل سازی فازها و ترموشیمی راکتور پلاسمایی

مدل سازی فازها و بستر متخلخل

سامانه مورد مطالعه شامل فاز گازی و بستر جامد پسماند است. بستر جامد به صورت یک محیط متخلخل (Porous Medium) با خواص حرارتی و هیدرودینامیکی موثر مدل سازی خواهد شد. این رویکرد امکان شبیه سازی همزمان انتقال جرم، افت فشار، انتقال حرارت و واکنش های شیمیایی را با هزینه محاسباتی مناسب فراهم می سازد.

در مدل محیط متخلخل، پارامترهایی نظیر تخلخل، نفوذپذیری، ضریب مقاومت اینرسی و رسانایی حرارتی موثر برای بستر تعریف خواهند شد. افت فشار در بستر نیز با استفاده از روابط محیط متخلخل مبتنی بر مدل دارسی–فورشهایمر لحاظ می شود. این پارامترها بر اساس داده های تجربی یا مطالعات مرجع تعیین خواهند شد.

در صورت نیاز به بررسی دقیق تر رفتار ذرات، امکان استفاده از رهگیری ذرات لاگرانژی (Lagrangian Particle Tracking) نیز وجود دارد؛ با این حال، به منظور کاهش زمان محاسباتی و حفظ پایداری عددی، مدل محیط متخلخل به عنوان رویکرد اصلی پژوهش انتخاب می شود.

خواص ترموفیزیکی مواد

خواص ترموفیزیکی گونه های گازی شامل ظرفیت گرمایی ویژه، هدایت حرارتی و ویسکوزیته به صورت تابعی از دما در نظر گرفته خواهند شد تا تغییرات خواص در شرایط دمای بالا به درستی لحاظ شود.

روابط کلی مورد استفاده عبارت اند از:

Cp = Cp(T)

λ = λ(T)

μ = μ(T)

که در آن Cp ظرفیت گرمایی ویژه، λ ضریب هدایت حرارتی و μ ویسکوزیته دینامیکی سیال هستند.

برای فاز جامد و سرباره نیز خواص حرارتی موثر شامل ظرفیت گرمایی ویژه، چگالی و هدایت حرارتی بر اساس مقادیر میانگین یا داده های موجود در منابع معتبر تعیین خواهند شد.

مدل سازی ترموشیمیایی پسماند

رویکرد پیشنهادی برای مدل سازی پسماند

با توجه به پیچیدگی فرآیندهای شیمیایی در گازی سازی پلاسما و هزینه محاسباتی بالای مدل های سینتیکی کامل، در این پژوهش از یک مدل چندمرحله ای ساده سازی شده برای توصیف رفتار ترموشیمیایی پسماند استفاده خواهد شد.

در این رویکرد، فرآیند تبدیل پسماند به سه مرحله اصلی تقسیم می شود:

1. مرحله پیرولیز (Pyrolysis)

در مرحله پیرولیز، پسماند جامد تحت تاثیر دمای بالا به مواد فرار، چار و ترکیبات سنگین هیدروکربنی تبدیل می شود. این فرآیند به صورت یک واکنش وابسته به دما مدل سازی شده و نرخ واکنش بر اساس رابطه آرنیوس تعیین خواهد شد:

که در آن:

• A : ضریب پیش نمایی
• E : انرژی فعال سازی
• R : ثابت جهانی گازها
• T : دمای مطلق

محصولات حاصل از پیرولیز شامل:

• گازهای فرار (Volatiles)
• چار جامد (Solid Char)
• ترکیبات سنگین هیدروکربنی (Tar Proxy)

خواهد بود.

2. گازی سازی چار (Char Gasification)

چار تولیدشده در مرحله پیرولیز در ادامه با بخار آب و دی اکسیدکربن واکنش داده و گاز سنتز تولید می کند.

واکنش گازی سازی بخار:

C + H₂O → CO + H₂

واکنش بودوآرد:

C + CO₂ → 2CO

این واکنش ها از مهم ترین مسیرهای تولید مونوکسیدکربن و هیدروژن در راکتور محسوب می شوند.

3. واکنش های گازی ثانویه

در فاز گازی، واکنش های همگن شامل انتقال آب–گاز و اصلاح بخار نیز در نظر گرفته خواهند شد.

واکنش انتقال آب–گاز:

CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂

واکنش اصلاح بخار متان:

CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂

این واکنش ها نقش مهمی در تنظیم نسبت H₂/CO و بهبود کیفیت گاز سنتز تولیدی دارند.

اعمال واکنش ها در مدل CFD

در شبیه سازی CFD، فرآیندهای پیرولیز و گازی سازی به صورت منابع جرمی و حرارتی (Mass and Energy Source Terms) در ناحیه متخلخل راکتور اعمال خواهند شد.

بستر پسماند به عنوان یک محیط متخلخل واکنشی مدل سازی می شود که در آن:

• تولید گونه های گازی
• مصرف چار
• آزادسازی یا جذب حرارت ناشی از واکنش ها

به صورت ترم های منبع در معادلات بقای جرم، مومنتوم، انرژی و گونه های شیمیایی وارد می شوند.

نرخ واکنش ها بر اساس مدل سینتیکی آرنیوس تعیین شده و پارامترهای سینتیکی از داده های تجربی و منابع معتبر استخراج خواهند شد. همچنین برای ارزیابی اثر عدم قطعیت پارامترها، مطالعات حساسیت بر روی انرژی فعال سازی، ضرایب پیش نمایی و نرخ آزادسازی مواد فرار انجام خواهد شد.

شرایط مرزی مدل CFD

در شبیه سازی عددی راکتور گازی سازی پلاسما، تعریف دقیق شرایط مرزی نقش بسیار مهمی در پایداری حل، دقت نتایج و قابلیت اعتماد مدل ایفا می کند. شرایط مرزی مورد استفاده در این پژوهش به گونه ای انتخاب می شوند که رفتار واقعی سامانه را با دقت مناسبی بازنمایی نمایند.

ورودی پسماند

ظرفیت پایه سامانه برابر با 50 کیلوگرم پسماند در روز در نظر گرفته می شود. این مقدار معادل نرخ جرمی پیوسته زیر است:

از آنجا که بستر واکنش به صورت یک محیط متخلخل حجمی مدل سازی می شود، اعمال مستقیم این مقدار به عنوان شرط مرزی ورودی مناسب نخواهد بود. بنابراین نرخ خوراک به صورت منبع جرمی حجمی (Volumetric Mass Source) در ناحیه متخلخل اعمال می شود تا توزیع یکنواخت پسماند در حجم بستر شبیه سازی گردد.

در سناریوی بهره برداری ناپیوسته و پردازش کل پسماند روزانه طی 8 ساعت، نرخ جرمی موثر برابر خواهد بود با:

مشعل پلاسما

مشعل پلاسما در مدل CFD به صورت یک ناحیه منبع حرارتی حجمی (Volumetric Heat Source Zone) تعریف می شود. در حالت پایه، توان مشعل برابر با 100 کیلووات در نظر گرفته می شود:

این انرژی به صورت منبع حرارتی حجمی در ناحیه هسته پلاسما توزیع می شود تا اثر گرمایش شدید ناشی از قوس پلاسما بازسازی گردد.

ورودی بخار یا اکسیدکننده

ورودی بخار آب یا عامل گازی سازی به صورت شرط مرزی جرمی یا فشار–دما تعریف خواهد شد. در حالت پایه، بخار پیش گرم شده با دمای تقریبی 300 درجه سانتی گراد در نظر گرفته می شود. دبی جرمی و ترکیب گونه ها در مطالعات پارامتریک تغییر خواهند کرد.

خروجی گاز

برای خروجی گاز سنتز، شرط مرزی فشار خروجی در فشار اتمسفری اعمال می شود:

این شرط امکان خروج آزادانه محصولات واکنش و پایداری میدان جریان را فراهم می کند.

دیواره های راکتور

دیواره های راکتور به صورت نواحی جامد با خواص حرارتی مشخص مدل سازی خواهند شد. بسته به سناریوی طراحی، دیواره ها می توانند به صورت عایق حرارتی یا دیواره های خنک شونده با آب تعریف شوند.

در صورت استفاده از خنک کاری آبی، انتقال حرارت مزدوج (Conjugate Heat Transfer) میان گاز، دیواره و سیال خنک کننده لحاظ خواهد شد تا توزیع دما و شار حرارتی با دقت بیشتری پیش بینی شود.

مش بندی و استقلال شبکه

دامنه محاسباتی راکتور به شبکه ای از سلول های کنترلی تقسیم خواهد شد. به منظور افزایش دقت، ریزسازی شبکه در نواحی دارای گرادیان شدید دما و سرعت شامل ناحیه پلاسما، مرز محیط متخلخل و ناحیه خروجی انجام می شود.

برای اطمینان از استقلال نتایج نسبت به شبکه، مطالعه استقلال مش (Grid Independence Study) انجام خواهد شد. در این مطالعه، حداقل سه شبکه با تراکم متفاوت مورد بررسی قرار گرفته و پارامترهایی نظیر دمای بیشینه، افت فشار و ترکیب گاز سنتز با یکدیگر مقایسه می شوند. شبکه ای انتخاب خواهد شد که افزایش تعداد سلول ها تغییر محسوسی در نتایج ایجاد نکند.

تحلیل پارامتریک

به منظور بررسی عملکرد سامانه در شرایط مختلف، تحلیل پارامتریک بر روی پارامترهای زیر انجام خواهد شد:

- توان مشعل پلاسما

- دبی بخار یا عامل گازی سازی

- تخلخل بستر

- دمای ورودی

- نرخ خوراک دهی پسماند

- نسبت بخار به کربن (Steam-to-Carbon Ratio)

اثر این پارامترها بر توزیع دما، ترکیب گاز سنتز، راندمان تبدیل کربن، میزان تولید هیدروژن، افت فشار و مصرف انرژی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت.

مکانیزم واکنش در شبیه سازی CFD

در مدل CFD، واکنش های شیمیایی به صورت ترم های منبع جرمی و انرژی در معادلات بقای جرم، انرژی و گونه های شیمیایی اعمال خواهند شد. واکنش های اصلی شامل پیرولیز، گازی سازی چار، واکنش انتقال آب–گاز و واکنش های اصلاح بخار هستند.

برای کاهش هزینه محاسباتی، از مکانیزم واکنش کلی (Global Reaction Mechanism) استفاده خواهد شد و نرخ واکنش ها بر اساس روابط آرنیوس تعیین می شود. همچنین در صورت نیاز، اثر آشفتگی بر واکنش ها از طریق مدل Eddy Dissipation Concept (EDC) لحاظ خواهد شد.

این رویکرد امکان پیش بینی رفتار ترمودینامیکی، هیدرودینامیکی و شیمیایی سامانه را با دقت مناسب و هزینه محاسباتی قابل قبول فراهم می سازد.

مش بندی، تحلیل حساسیت و مدل سازی CFD گازی سازی پلاسما

مش بندی و دقت عددی

به منظور دستیابی به دقت مناسب در پیش بینی میدان دما، توزیع گونه های شیمیایی و نرخ واکنش ها، از راهبرد مش بندی ترکیبی (Hybrid Mesh) استفاده خواهد شد. در ناحیه پیرامون مشعل پلاسما، هسته قوس و مناطق دارای گرادیان شدید دما، سرعت و غلظت، از شبکه ریزشده موضعی (Local Refinement) بهره گرفته می شود؛ در حالی که در سایر نواحی دامنه محاسباتی از شبکه غیرساختاریافته استفاده خواهد شد.

برای افزایش پایداری عددی و جلوگیری از خطاهای ناشی از تغییر ناگهانی ابعاد سلول ها، نرخ رشد شبکه به صورت تدریجی اعمال می شود. همچنین در مرز بین محیط متخلخل و فاز گازی، عملیات ریزسازی شبکه انجام خواهد شد تا انتقال جرم، انتقال حرارت و واکنش های شیمیایی با دقت بیشتری ثبت شوند.

تعداد اولیه سلول ها در مدل پایه بین 1 تا 5 میلیون سلول در نظر گرفته می شود. در صورت استفاده از مدل تابش Discrete Ordinates (DO)، انتقال حرارت مزدوج و مکانیزم های واکنشی پیشرفته، تعداد سلول ها می تواند تا حدود 10 میلیون افزایش یابد.

برای مدل آشفتگی k-ω SST، مقدار y+ در مجاورت دیواره ها در محدوده 1 تا 5 هدف گذاری می شود تا لایه مرزی سرعت و لایه مرزی حرارتی به صورت مستقیم حل شوند.

به منظور اطمینان از استقلال نتایج نسبت به اندازه شبکه، مطالعه استقلال مش (Grid Independence Study) انجام خواهد شد. در این مطالعه حداقل سه سطح مختلف شبکه مورد بررسی قرار گرفته و پارامترهایی نظیر حداکثر دما، افت فشار، نرخ تولید هیدروژن و ترکیب گاز سنتز با یکدیگر مقایسه خواهند شد.

مطالعه پارامتریک و تحلیل حساسیت

به منظور تعیین شرایط بهینه عملکرد راکتور، مطالعات پارامتریک و تحلیل حساسیت بر روی متغیرهای کلیدی فرآیند انجام خواهد شد.

مهم ترین پارامترهای مورد بررسی عبارت اند از:

• توان مشعل پلاسما (100 تا 300 کیلووات)
• نسبت بخار به کربن (Steam-to-Carbon Ratio)
• نسبت هم ارزی اکسیژن (Equivalence Ratio)
• نرخ خوراک دهی پسماند
• زمان ماند گازها
• تخلخل بستر متخلخل
• هندسه و قطر نازل مشعل
• دمای ورودی عامل گازی سازی

خروجی های مورد ارزیابی شامل:

• توزیع دما
• ترکیب گاز سنتز
• درصد هیدروژن تولیدی
• راندمان تبدیل کربن
• بازده انرژی سامانه
• میزان تشکیل سرباره
• افت فشار راکتور

خواهند بود.

مکانیزم واکنش پیشنهادی

به منظور کاهش هزینه محاسباتی و حفظ ویژگی های اصلی فرآیند، از یک مکانیزم واکنش ساده شده شامل 4 تا 6 واکنش کلی استفاده خواهد شد.

نرخ واکنش ها بر اساس مدل سینتیکی آرنیوس تعریف می شود:

R = A · exp(-E/RT) · [Reactant]^n

که در آن A ضریب پیش نمایی، E انرژی فعال سازی، R ثابت جهانی گازها، T دمای مطلق و n مرتبه واکنش است.

پارامترهای سینتیکی از مطالعات تجربی و منابع معتبر استخراج شده و اثر عدم قطعیت آن ها از طریق تحلیل حساسیت مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

مدل سازی تابش حرارتی

در راکتورهای گازی سازی پلاسما، به دلیل وجود دماهای بسیار بالا، انتقال حرارت تابشی سهم قابل توجهی از کل انتقال انرژی را تشکیل می دهد. در بسیاری از نواحی راکتور، شار تابشی می تواند از شار همرفتی فراتر رود.

به منظور لحاظ کردن این اثر، مدل Discrete Ordinates (DO) به عنوان گزینه اصلی انتخاب خواهد شد. این مدل قادر است انتقال تابش در محیط های دارای گرادیان شدید دما و خواص اپتیکی متغیر را با دقت مناسبی پیش بینی کند.

برای مطالعات اولیه و بررسی های پارامتریک، مدل P1 نیز می تواند به عنوان جایگزین ساده تر مورد استفاده قرار گیرد.

مدل سازی سرباره و فاز جامد

در فرآیند گازی سازی پلاسما، ترکیبات معدنی و غیرآلی موجود در پسماند در اثر دماهای بسیار بالا ذوب شده و به سرباره تبدیل می شوند.

در مدل پایه، سرباره به صورت یک فاز جامد موثر با خواص حرارتی میانگین مدل سازی خواهد شد و اثر آن بر ظرفیت حرارتی، ذخیره انرژی و انتقال حرارت لحاظ می شود.

در مراحل توسعه مدل، امکان استفاده از مدل های پیشرفته تر ذوب و جریان سرباره برای بررسی رفتار هیدرودینامیکی فاز مذاب، انتقال حرارت و مکانیزم تخلیه سرباره وجود خواهد داشت.

نرم افزارها و تنظیمات حل

شبیه سازی های عددی این پژوهش با استفاده از نرم افزارهای CFD پیشرفته نظیر ANSYS Fluent و OpenFOAM انجام خواهند شد.

حل معادلات حاکم با روش حجم محدود (Finite Volume Method) صورت می گیرد. برای کوپل فشار–سرعت از الگوریتم SIMPLE یا Coupled Solver استفاده خواهد شد. همچنین گسسته سازی معادلات مومنتوم، انرژی و انتقال گونه ها با استفاده از طرح های مرتبه دوم انجام می شود تا دقت عددی افزایش یابد.

همگرایی حل بر اساس کاهش باقیمانده معادلات به کمتر از 10⁻⁵ برای معادلات جریان و کمتر از 10⁻⁶ برای معادله انرژی ارزیابی خواهد شد. علاوه بر این، پایداری نتایج از طریق پایش دمای بیشینه، نرخ تولید هیدروژن و ترکیب گاز سنتز کنترل می شود.

حل اجرایی شبیه سازی CFD گازی سازی پلاسما

فرآیند اجرای شبیه سازی CFD

فرآیند شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) در این پژوهش به صورت مرحله ای، ساختاریافته و مبتنی بر اصول انتقال حرارت، مکانیک سیالات و ترموشیمی انجام خواهد شد. هدف از این رویکرد، توسعه یک مدل عددی قابل اعتماد برای پیش بینی رفتار حرارتی، هیدرودینامیکی و شیمیایی راکتور گازی سازی پلاسما و ارزیابی عملکرد آن در شرایط مختلف بهره برداری است.

در مرحله نخست، هندسه سه بعدی راکتور ایجاد خواهد شد. این هندسه شامل محفظه اصلی راکتور، ناحیه تزریق پلاسما، بستر متخلخل واکنشی، مسیرهای ورود بخار یا عامل گازی سازی، ناحیه خروج گاز سنتز و بخش تخلیه سرباره خواهد بود. طراحی هندسه به گونه ای انجام می شود که ضمن حفظ ویژگی های اصلی سامانه، هزینه محاسباتی مدل در محدوده قابل قبول باقی بماند.

در ادامه، بستر پسماند به عنوان یک محیط متخلخل واکنشی (Reactive Porous Medium) تعریف می شود. در این ناحیه، پارامترهایی نظیر تخلخل، نفوذپذیری، ضریب مقاومت اینرسی، ظرفیت گرمایی موثر و هدایت حرارتی معادل لحاظ خواهند شد. این رویکرد امکان مدل سازی فرآیندهای پیچیده پیرولیز و گازی سازی را بدون نیاز به رهگیری مستقیم ذرات جامد فراهم می سازد.

مش بندی دامنه محاسباتی

پس از آماده سازی هندسه، فرآیند مش بندی انجام خواهد شد. دامنه محاسباتی به مجموعه ای از سلول های کنترلی تقسیم می شود تا امکان حل عددی معادلات حاکم فراهم گردد.

برای دستیابی به دقت مناسب، از شبکه ترکیبی (Hybrid Mesh) استفاده خواهد شد. در نواحی دارای گرادیان شدید دما، سرعت و غلظت شامل:

- ناحیه هسته پلاسما

- اطراف نازل تزریق

- مرز بستر متخلخل

- ناحیه خروج گاز

عملیات ریزسازی شبکه (Mesh Refinement) انجام می شود.

همچنین مطالعه استقلال مش (Grid Independence Study) بر روی چند شبکه با تراکم متفاوت انجام خواهد شد تا اطمینان حاصل شود نتایج نسبت به تعداد سلول ها مستقل هستند.

انتخاب مدل های فیزیکی

پس از تکمیل مش بندی، مدل های فیزیکی مورد نیاز فعال خواهند شد. این مدل ها شامل:

- مدل انتقال گونه ها (Species Transport)

- مدل واکنش شیمیایی Finite-Rate Chemistry

- مدل آشفتگی k-ω SST

- مدل تابش حرارتی DO یا P1

- مدل محیط متخلخل (Porous Media)

- مدل منابع جرمی و حرارتی ناشی از پیرولیز و گازی سازی

خواهند بود.

پلاسما به صورت یک منبع حرارتی حجمی (Volumetric Heat Source) مدل سازی می شود و توان ورودی مشعل به عنوان ترم منبع انرژی در معادله انرژی اعمال خواهد شد.

روش حل عددی

معادلات بقای جرم، مومنتوم، انرژی و انتقال گونه ها با استفاده از روش حجم محدود (Finite Volume Method) حل خواهند شد.

برای کوپل فشار و سرعت از الگوریتم SIMPLE یا Coupled Solver استفاده می شود. گسسته سازی معادلات انتقال مومنتوم، انرژی و گونه ها با طرح های مرتبه دوم (Second Order Upwind) انجام خواهد شد تا خطای عددی کاهش یابد.

فرآیند حل تا زمانی ادامه می یابد که:

- باقیمانده معادلات جریان کمتر از 10⁻⁵شود.

- باقیمانده معادله انرژی کمتر از 10⁻⁶شود.

- پارامترهای کلیدی نظیر دمای بیشینه، نرخ تولید هیدروژن و ترکیب گاز سنتز به حالت پایدار برسند.

اعتبارسنجی مدل و ارزیابی قابلیت اعتماد نتایج

با توجه به محدودیت های اجرایی و هزینه بالای ساخت سامانه آزمایشگاهی کامل، اعتبارسنجی مدل CFD بر پایه داده های معتبر موجود در ادبیات علمی انجام خواهد شد.

در این راستا، نتایج شبیه سازی با داده های منتشرشده در مقالات مرجع و سامانه های مشابه مقایسه خواهند شد.

شاخص های اصلی اعتبارسنجی عبارت اند از:

- دمای راکتور

- توزیع دما

- ترکیب گاز سنتز

- نرخ تولید هیدروژن

- راندمان تبدیل انرژی

- راندمان تبدیل کربن

- ارزش حرارتی گاز سنتز

در صورت امکان، نتایج با داده های آزمایشگاهی مقیاس کوچک نیز مقایسه خواهند شد.

تحلیل نتایج و ارزیابی عملکرد سامانه

پس از تکمیل شبیه سازی، تحلیل جامع نتایج انجام خواهد شد. در این مرحله، توزیع دما، میدان سرعت، مسیرهای جریان، توزیع گونه های شیمیایی و نرخ واکنش ها در بخش های مختلف راکتور مورد بررسی قرار می گیرند.

همچنین شاخص های عملکردی زیر محاسبه خواهند شد:

- ارزش حرارتی پایین گاز سنتز (LHV)

- راندمان تبدیل انرژی

- راندمان گازی سازی

- نرخ تبدیل کربن

- بازده تولید هیدروژن

- مصرف ویژه انرژی

تحلیل ریسک ها و محدودیت های عملکردی

به منظور ارزیابی قابلیت بهره برداری سامانه، ریسک های عملکردی نیز بررسی خواهند شد. مهم ترین موارد عبارت اند از:

- تشکیل نقاط داغ حرارتی (Hot Spots)

- ناپایداری جریان

- افت فشار بیش از حد

- کاهش راندمان حرارتی

- تجمع و انسداد ناشی از سرباره

- فرسایش حرارتی و شیمیایی دیواره ها

- کاهش کیفیت گاز سنتز در شرایط نامطلوب بهره برداری

نتایج حاصل از این تحلیل ها مبنایی برای بهینه سازی طراحی راکتور، انتخاب شرایط عملیاتی مناسب و توسعه سامانه در مقیاس های بزرگ تر خواهند بود.

خروجی های پیشنهادی برای فصل نتایج رساله CFD گازی سازی پلاسما

1. نتایج حرارتی (Thermal Results)

1-1. توزیع سه بعدی دما

یکی از مهم ترین خروجی های مدل CFD، میدان دمایی راکتور است. این نتایج به صورت:

- کانتورهای سه بعدی دما

- مقاطع محوری و شعاعی

- پروفیل دما در راستای ارتفاع راکتور

ارائه خواهند شد.

هدف از این تحلیل عبارت است از:

- ارزیابی عملکرد مشعل پلاسما

- شناسایی نقاط داغ (Hot Spots)

- بررسی یکنواختی انتقال حرارت

- ارزیابی بار حرارتی دیواره ها

1-2. شار حرارتی

توزیع شار حرارتی روی دیواره ها و در ناحیه بستر استخراج خواهد شد.

خروجی ها شامل:

- کانتور شار حرارتی

- شار متوسط دیواره

- سهم تابش و همرفت در انتقال حرارت

- توزیع نرخ انتقال حرارت در نواحی مختلف راکتور

2. نتایج هیدرودینامیکی (Flow Field Results)

2-1. میدان سرعت

نتایج شامل:

- کانتور سرعت

- بردارهای سرعت

- خطوط جریان (Streamlines)

خواهد بود.

این نتایج برای بررسی موارد زیر استفاده می شوند:

- اختلاط گازها

- کیفیت تزریق پلاسما

- زمان ماند گازها

- نواحی بازچرخش جریان

2-2. توزیع زمان ماند

برای ارزیابی کیفیت فرآیند گازی سازی، زمان ماند گونه های گازی در ناحیه واکنش مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

خروجی ها شامل:

- توزیع زمان ماند

- میانگین زمان ماند

- ارتباط زمان ماند با کیفیت گاز سنتز

2-3. افت فشار

اختلاف فشار میان ورودی و خروجی راکتور محاسبه خواهد شد.

شاخص های ارائه شده:

- افت فشار کل راکتور

- افت فشار بستر متخلخل

- تاثیر تخلخل و دبی جریان بر افت فشار

3. نتایج شیمیایی و گونه ها

3-1. توزیع گونه های شیمیایی

کانتورهای غلظت گونه های اصلی در کل راکتور ارائه خواهند شد:

- H₂

- CO

- CO₂

- CH₄

- H₂O

3-2. ترکیب گاز سنتز خروجی

درصد مولی و جرمی گونه ها در خروجی محاسبه خواهد شد.

گونه های اصلی:

- هیدروژن (H₂)

- مونوکسیدکربن (CO)

- دی اکسیدکربن (CO₂)

- متان (CH₄)

- بخار آب (H₂O)

3-3. نرخ واکنش ها

برای هر واکنش اصلی، توزیع مکانی نرخ واکنش ارائه خواهد شد:

- پیرولیز

- گازی سازی بخار

- واکنش بودوآرد

- واکنش انتقال آب–گاز

- اصلاح بخار

3-4. نرخ آزادسازی یا جذب حرارت واکنش ها

به منظور تحلیل رفتار ترموشیمیایی راکتور، توزیع مکانی نرخ تولید یا مصرف حرارت ناشی از واکنش های مختلف استخراج خواهد شد.

4. نتایج عملکرد گازی سازی

4-1. نرخ تبدیل کربن

نرخ تبدیل کربن از رابطه زیر محاسبه می شود:

Xc = (کربن موجود در گاز سنتز / کربن ورودی به راکتور) × 100

4-2. بازده گازی سازی

بازده تبدیل انرژی پسماند به گاز سنتز محاسبه خواهد شد.

4-3. ارزش حرارتی گاز سنتز

دو شاخص زیر گزارش خواهند شد:

- LHV (ارزش حرارتی پایین)

- HHV (ارزش حرارتی بالا)

4-4. بازده گاز سرد (Cold Gas Efficiency)

CGE = (دبی جرمی گاز سنتز × LHV گاز سنتز) ÷ (دبی جرمی پسماند × LHV پسماند) × 100

این شاخص یکی از مهم ترین معیارهای مقایسه عملکرد راکتور با مطالعات مرجع است.

4-5. بازده تولید هیدروژن

میزان تولید هیدروژن و سهم آن در ترکیب گاز سنتز به عنوان یکی از شاخص های اصلی عملکرد سامانه گزارش خواهد شد.

5. تحلیل اگزرژی

5-1. اگزرژی جریان ها

اگزرژی ورودی و خروجی سامانه محاسبه خواهد شد.

5-2. تخریب اگزرژی

مهم ترین نواحی اتلاف انرژی و نابازگشت های ترمودینامیکی شناسایی خواهند شد.

خروجی ها:

- نرخ تخریب اگزرژی

- راندمان اگزرژی

- سهم هر فرآیند در اتلاف انرژی

6. نتایج مربوط به سرباره

6-1. نرخ تشکیل سرباره

پارامترهای زیر گزارش خواهند شد:

- جرم سرباره تولیدی

- درصد کاهش حجم پسماند

- نسبت تبدیل مواد معدنی به سرباره

6-2. دمای سرباره

- دمای متوسط سرباره

- دمای خروج سرباره

7. مطالعات پارامتریک

برای هر پارامتر عملیاتی نمودارهای مقایسه ای ارائه خواهند شد.

پارامترهای مورد بررسی:

- توان مشعل پلاسما (100 تا 300 کیلووات)

- نسبت بخار به کربن (S/C)

- نسبت هم ارزی (ER)

- دمای ورودی

- تخلخل بستر

- زمان ماند گازها

خروجی های مقایسه ای:

- تولید هیدروژن

- تولید CO

- راندمان انرژی

- راندمان اگزرژی

- نرخ تبدیل کربن

- بازده گاز سرد

- دمای متوسط راکتور

8. اعتبارسنجی مدل

در پایان فصل نتایج، نتایج CFD با داده های موجود در مقالات و مطالعات مرجع مقایسه خواهند شد.

شاخص های اعتبارسنجی:

- دمای راکتور

- توزیع دما

- ترکیب گاز سنتز

- تولید هیدروژن

- راندمان گازی سازی

- راندمان انرژی

- بازده گاز سرد

همراه با درصد خطا و میزان انطباق با داده های مرجع گزارش خواهند شد.