Axial fuel mixing in circulating fluidized bed boiler – measurements and modelling

Abstract

Efforts to decrease greenhouse gas emissions have led to growing interest in biomass usage as energy source. The circulating fluidized bed (CFB) boiler has been proven a viable option for different kinds of bio-based fuels and other challenging fuels. In addition, fluidization technologies provide a cost-effective way to reduce SOx and NOx emissions.Thus, CFB boilers can be thought as a feasible option to reduce emissions compared to some other combustion technologies. Accurate modelling can help improve the design, operation and safety of boilers, and it is seen as an important tool in the development of boilers.

The goals of this thesis were to improve the accuracy of the temperature modelling in a comprehensive CFB model and to increase the knowledge on axial fuel mixing in CFB boilers. Large-scale measurements were done in a commercial CFB boiler to acquire temperature profiles when the fuels used were coal and biomass. Terminal velocities of these two different fuels were measured with and without bed material in laboratory-scale units. Image analysis was conducted for the elutriated fuel samples to obtain knowledge on size and shape of fuel particles. These measurement results were used as help when analysing the axial fuel mixing in the comprehensive CFB model.

The measurements showed that bed material affects the terminal velocity of fuel particles significantly. At the solids concentrations used, it was observed that the terminal velocity of devolatilized biomass could drop to a quarter from the measurements without the bed material. The measurements without the bed material showed that the terminal velocity of biomass changes more than terminal velocity of coal, during conversion from as received to devolatilized.

Based on the measurements and analysis of the comprehensive model, a new method for calculating the temperature profile was introduced in this thesis. The new method is based on a limiter for volatile combustion which allows more oxygen to go through the bottom bed and splash zone of the furnace. In addition, the fuel mixing model was manipulated so that more fuel can be elutriated to the transport zone. Results show that the modelling of the temperature profile improved with the new method. However, more research should be done relating to fuel mixing, gas mixing and biomass deformation during combustion, based on the results of this thesis.

Tavoitteet vähentää kasvihuonekaasupäästöjä ovat johtaneet kasvavaan kiinnostukseen biomassan energiakäyttöä kohti. Kiertoleijukattila on osoittautunut toimivaksi ratkaisuksi erilaisille biopohjaisille ja muille haastaville polttoaineille. Lisäksi kiertoleijukattila tarjoaa kustannustehokkaan tavan vähentää SOx ja NOx päästöjä. Näistä syistä kiertoleijukattilaa voidaan pitää toimivana ratkaisuna vähentää päästöjä verrattuna muihin polttotekniikoihin. Luotettava mallinnus voi auttaa parantamaan kattiloiden rakennetta, toimintaa sekä turvallisuutta. Näistä syistä mallintaminen nähdään tärkeänä työkaluna kattiloiden kehittämisessä.

Tämän työn tavoitteena oli parantaa lämpötilan mallintamisen tarkkuutta kokonaisvaltaisessa kiertoleijukattilamallissa sekä lisätä tietämystä aksiaalisesta polttoaineen sekoittumisesta kiertoleijukattilassa. Lämpötilaprofiilimittauksia tehtiin teollisen kokoluokan kiertoleijukattilassa, kun polttoaineina käytettiin hiiltä sekä biomassaa. Näiden polttoaineiden terminaalinopeus mitattiin ilman petimateriaalia ja petimateriaalin kanssa laboratoriolaitteistolla. Kuva-analyysi suoritettiin testatuille polttoaineille, jotta saatiin tietoa partikkelien koosta ja muodosta. Näitä tuloksia käytettiin apuna analysoidessa polttoaineen sekoittumista kokonaisvaltaisessa kiertoleijukattilamallissa.

Mittaukset osoittivat, että petimateriaali vaikuttaa polttoaineen terminaalinopeuteen merkittävästi. Käytetyillä kiintoainetiheyksillä koksatun biomassan terminaalinopeus tippui neljäsosaan mittauksista ilman petimateriaalia. Mittaukset ilman petimateriaalia osoittivat, että biomassan terminaalinopeus muuttuu enemmän kuin hiilen terminaalinopeus konversiossa tuoreesta polttoaineesta koksiksi.

Mittausten ja kokonaisvaltaisen mallin analyysin perusteella uusi menetelmä lämpötilaprofiilin laskemiseksi kehitettiin tässä työssä. Uusi menetelmä perustuu rajoittimeen, joka mahdollistaa suuremman happimäärän kulkemisen pohjapedin ja roiskealueen (splash zone) läpi. Lisäksi polttoaineen sekoittumismallia muokattiin siten, että enemmän polttoainetta voi kulkeutua roiskealueen yläpuolelle. Tulokset osoittavat, että lämpötilaprofiilin mallintaminen parani uudella menetelmällä. Tämän diplomityön tulosten perusteella lisää tutkimusta kuitenkin tarvitaan liittyen polttoaineen ja kaasun sekoittumiseen sekä biomassan muodonmuutokseen palamisen aikana.