Black Carbon Formation and Modeling in Pulverized Biomass Combustion

Abstract

Musta hiili on yksi ilmaston muutokseen eniten vaikuttavimmista partikkeleista. Tyypillisiä lähteitä sille ovat pienpoltto, liikenne ja metsäpalot. Mustan hiilen vaikutus ilmastoon korostuu arktisilla alueilla, joilla se laskeutuu lumipinnoille ja edistää niiden sulamista.

Musta hiili syntyy hapettomissa olosuhteissa erilaisista hiilivedyistä. Kaasumaiset hiilivedyt, kuten C2H2, C2H4 ja C6H6, kiinnittyvät toisiinsa ja muodostavat monirenkaisen aromaattisen hiilivedyn. Kun useita monirenkaisia aromaattisia hiilivetyjä yhdistyy, syntyy kiinteä nokipartikkelin ydin. Ydin kasvaa suureksi, haarautuneeksi ja huokoiseksi nokipartikkeliksi toisten nokipartikkeleiden törmätessä siihen.

Tässä diplomityössä tutkittiin mustan hiilen syntymistä biomassan pölypoltossa, jossa hienoksi jauhetut kiinteät partikkelit poltetaan siihen suunnitellulla polttimella. Tutkimuksessa käytettiin ANSYS Fluent virtauslaskentaohjelmaa. Tehtiin CFD-mallinnus yksinkertaisesta C2H4 polttimesta, 120 kWth biomassan pölypolttoliekistä sekä 100 MWth biomassan pölypolttolämpölaitoksesta. C2H4 liekkiä mallinnettiin ja tuloksia verrattiin kirjallisuudesta löydettyyn validointidataan, jotta saataisiin ymmärrystä nokimallin toiminnasta. Biomassan pölypolton nokimallinnuksessa on haastavaa sisällyttää noen prekursorit biomassan pyrolyysituotteisiin. Noen prekursori C2H2 päätettiin sisällyttää pyrolyysituotteisiin ja sen pitoisuutta arvioitiin kirjallisuuden ja testimallinnusten perusteella. 120 kWth pölypolttoliekkiä mallinnettiin useilla eri C2H2 pitoisuuksilla ja noen muodostumista seurattiin ja verrattiin kokeelliseen dataan. Noen muodostumista täyden mittakaavan 100 MWth lämpölaitoksessa mallinnettiin pienen mittakaavan malleista opitulla tiedolla. Lämpölaitoksessa tehtiin paljon kokeellisia mittauksia BC Footprint mittauskampanjan aikana ja mallinnuksen tuloksia verrattiin kokeelliseen dataan. Mallinnuksia ja mittauksia tehtiin eri kuormilla.

Integroimalla C2H2 biomassan pyrolyysituotteisiin, noen muodostumista voidaan mallintaa suuntaa antavasti. Pyrolyysituotteiden riippuvuus kemiallisesta kinetiikasta täytyy huomioida, jotta noen muodostumista voidaan mallintaa eri kuormilla. Suhteet mustan hiilen päästöissä mittauspisteiden välillä ovat yhteisymmärryksessä mallinnuksen kanssa, mutta pitoisuus on kertaluokkaa suurempi CFD-mallissa. CFD-malli pystyi mallintamaan noen minimipitoisuuden 1.25 mg/Nm3 kattilan pohjalla ja sen lisääntymisen pitoisuuteen 2.25 mg/Nm3 tyhjässä vedossa täydellä 100 MWth kuormalla. Vastaavat pitoisuudet kokeellisissa mittauksissa mittauskampanjan ajalta ovat keskimäärin 90 and 219 µg/Nm3. Mallinnuksesta oli apua kokeellisten tulosten tulkitsemisessa. Jatkotutkimuksia varten pyrolyysikoostumus täytyy huomioida tarkemmin, jotta menetelmällä voitaisiin mallintaa eri biomassojen palamista ja palamista eri polttimissa.

Black Carbon (BC) is one of the most influential particles affecting on the climate change. Typical sources for BC are residential combustion, traffic and forest fires. The impact of BC on the climate is emphasized at the arctic regions, where it descends on the snow surfaces and increases the melting.

BC is formed from various hydrocarbons at fuel rich conditions. Gaseous hydrocarbons, such as C2H2, C2H4 and C6H6, connect and form Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH). When multiple PAHs are combined, a solid BC nucleus is formed. The nucleus grows into a large, branched, porous soot particle as other soot particles collide into it.

This thesis studied the formation of BC in pulverized biomass combustion, where finely ground solid particles are combusted with a specifically designed burner. A commercial Computational Fluid Dynamics (CFD) software ANSYS Fluent was used. CFD modeling was performed on a simple C2H4 burner, a 120 kWth pulverized biomass combustion flame and a 100 MWth pulverized biomass combustion boiler. The C2H4 flame was modeled and the results compared with the validation data obtained from literature, to gain an understanding of the soot formation modeling. It is challenging to integrate soot precursors into biomass devolatilization products, when modeling BC formation in pulverized combustion. BC precursor C2H2 was included in the devolatilization products, but its concentration had to be estimated based on the literature and test simulations. The 120 kWth pulverized combustion flame was modeled with different concentrations of C2H2 in the devolatilization products and the formation of BC was observed and compared with experimental data. BC formation in the 100 MWth full scale boiler was modeled with the help of information learned from the small scale CFD models. A large amount of experimental measurements were made at the heating plant during a BC Footprint measurement campaign and the results of the CFD model were compared with the experimental data. Modeling and measurements were carried out under different loads.

By integrating C2H2 into the biomass devolatilization products, BC formation can be approximately modeled. Devolatilization products’ dependency on chemical kinetics need to be noticed in order to simulate BC formation under different loads. Relations in BC emissions between measuring points are in agreement with the experimental measurements, but the concentration is an order of magnitude higher in the CFD model. The model was able to predict minimum soot concentration of 1.25 mg/Nm3 at the bottom of the boiler increasing up to 2.25 mg/Nm3 towards the empty pass at full 100 MWth load. Corresponding experimental concentrations are 90 and 219 µg/Nm3 on average, respectively. Results of the CFD model were helpful in explaining the experimental results. For further studies, the devolatilization composition needs to be modeled more accurately in order to model BC formation from different biomasses and in different burners.