Experimental and Modeling Studies of Pulverized Biomass Combustion : Analysis of Flames, Superheaters, and Gaseous and Particulate Emissions

Abstract

Bioenergialla on tärkeä rooli ilmastonmuutoksen torjunnassa ja biomassan energiakäytön ennustetaan kasvavan merkittävästi tulevaisuudessa. Polttoon päätyvät biojakeet ovat tulevaisuudessa todennäköisesti erilaisia sivuvirtoja mm. teollisuudesta ja maa- ja metsätaloudesta. Sivujakeiden polttoa rajoittaa tällä hetkellä tuhkan aiheuttama likaantuminen kattiloissa. Toisena haasteena ovat biomassan poltosta syntyvät ilmansaasteet, kuten typen oksidit (NO<SUB>x</SUB>), noki (musta hiili), sekä muut pienhiukkaset. Puhtaiden ja tehokkaiden polttoprosessien suunnittelu vaatii syvällistä ymmärrystä fysikaalisista ja kemiallisista ilmiöistä kattilan sisällä, jotka ovat pohjimmiltaan kytkeytyneitä biomassan ominaisuuksiin, kuten reaktiivisuuteen ja tuhkan alkuainekoostumukseen.

Tämä väitöskirja perehtyy biomassan pölypolttotekniikkaan. Työn aikana tutkittiin erilaatuisten biomassojen palamisprosessia, päästöjen muodostumista, epäorgaanisten tuhkayhdisteiden käyttäytymistä, sekä tulistinlämmönsiirtimissä tapahtuvia ilmiöitä. Tutkimuksen aikana tehtiin mittauksia ja tietokonesimulaatioita laboratorioskaalan pudotusputkireaktorille, pilottiskaalan polttoreaktorille, sekä täyden mittaskaalan kaukolämpölaitokselle. Näiden yhdistelmä antoi yksityiskohtaista tietoa biomassan ominaisuuksien vaikutuksesta palamiseen ja päästöjen muodostumiseen. Tuloksia voidaan hyödyntää päästöjen vähentämisessä, ja ne voivat edistää uusien polttoaineiden ja sivujakeiden käyttöä lämmön- ja sähköntuotannossa.

Työn tärkeimpänä kontribuutiona voidaan pitää kehitettyjä mallinnusmenetelmiä, joilla voidaan simuloida pölypolttokattiloissa tapahtuvia prosesseja erilaisille polttoaineille. Näillä menetelmillä voidaan kuvata biomassan pyrolyysiprosessia, noen ja epäorgaanisten pienhiukkasten muodostumista, sekä analysoida tulistin-lämmönsiirtimien savukaasupuolen ilmiöitä. Väitöskirja osoittaa, että kehitetyt menetelmät kuvaavat luotettavasti biomassan pölypolttokattiloiden monimutkaisia ilmiöitä, ja mahdollistavat entistä puhtaampien ja tehokkaampien polttoprosessien suunnittelun.

Bioenergy has an important role in climate change mitigation scenarios, and biomass use is projected to increase significantly in the future. Mainly residue feedstocks from e.g. forestry, agriculture and industry will be available for combustion applications. Currently, residue usage in combustion furnaces is limited due to its problematic ash composition. Another difficulty with biomass combustion is the emission of airpollutants, such as NO<SUB>x</SUB>, soot (black carbon), and fine particulate matter. The development of clean and efficient combustion systems requires detailed understanding of the physical and chemical processes inside combustion furnaces, which are fundamentally coupled with the intrinsic properties of biomass, such as devolatilization reactivity and elemental ash composition.

This thesis examines pulverized biomass combustion technology. The biomass combustion process, emission formation, inorganic ash behavior, and superheater phenomena are studied at a detailed level for raw and pretreated biomass. Experiments and simulations were conducted in a laboratory scale drop-tube reactor, a pilot scale combustion reactor, and a full-scale district heating plant. This combination provides insight into the influence of biomass properties on the combustion process and emission formation. This detailed scientific understanding can eventually be used for emission reduction and for widening the range of feedstocks suitable for biomass heat and power generation.

The major contributions of this thesis are the various modeling approaches that were developed for characterizing the furnace processes for different biomass feedstocks. These include simulation methods for biomass devolatilization, soot and inorganic fine particle formation, and superheater analysis. The results of this thesis show that complicated furnace phenomena are accurately represented by these models, and the models can ultimately aid the development of clean and efficient combustion systems.