Chemical Kinetics Modeling of Aerosol Formation in Pulverized Biomass Combustion: The Impact of Water Leaching

Abstract

Biomassan poltto on kestävä vaihtoehto fossiilisten polttoaineiden polttojärjestelmille. Biomassat ovat runsaita ja uusiutuvia luonnonvaroja, mutta ne koostuvat monimutkaisemmista orgaanisista aineista verrattuna kaasumaisiin hiilivety polttoaineisiin tai hiileen. Tämä tuo polttojärjestelmiin haasteita, kuten alkaliyhdisteiden aiheuttamaa kuonaa, agglomeraatiota, tuhkan sulamista ja korroosiota. Nämä haasteet vaikuttavat merkittävästi polttojärjestelmien tehokkuuteen. Osa avainkomponenteista, jotka myötävaikuttavat näihin haasteisiin, ovat kaliumia sisältävät yhdisteet, kuten KOH, KCl ja K2SO4. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi on monia erilaisia esikäsittelymenetelmiä, kuten vesipesu, jossa vettä käytetään poistamaan ongelmallisia yhdisteitä biomassasta niiden poltto-ominaisuuksien parantamiseksi. Tässä tutkimuksessa hyödynnetään tekniikoita biomassan palamisessa syntyvän savukaasun alkukoostumuksen ja kaasufaasikemian ennustamiseksi, keskittyen erityisesti vesipesun vaikutuksiin esikäsittelymenetelmänä. Tässä työssä tutkittuja biomassoja ovat puupelletti (wood pellet, WP1 ja WP2), vehnän olki (wheat straw, WS), palmuöljyn tyhjä hedelmäterttu (empty fruit bunch, EFB), kuusenkuori (spruce bark, SB), riisin olki (rice straw, RS) ja maapähkinän kuori (groundnut shell, GNS).

Savukaasun alkukoostumukset arvioitiin biomassojen kemiallisten koostumusten avulla. Kaliumin jakautuminen kaasufaasiin ja eri yhdisteisiin arvioitiin käyttämällä K (+Na)/Si- ja Ca (+Mg)/Sisuhteita. Lisäksi kaliumin maksimi- ja minimikonversio kaasufaasiin saatiin kirjallisuudesta. Kaasufaasikemia mallinnettiin käyttäen Ansys Chemkin -ohjelmistoa, joka käyttää termodynaamisia ja kineettisiä parametreja yhdisteille ja reaktioille konsentraatioiden ratkaisemiseksi reaktorissa. KOH:n, KCl:n ja K2SO4:n kondensaatioreaktiot lisättiin reaktiojärjestelmään.

Tulokset osoittavat, että käsitellyissä biomassoissa esiintyy yleensä pienempiä määriä KCl- ja K2SO4-kondensaatiota, mikä vähentää kuonan muodostumista ja Cl:n aiheuttamaa korroosioriskiä. Alkaliyhdisteiden uudelleenjakautuminen johtaa kuitenkin lisääntyneeseen KOH-kondensaatioon WS:ssä ja EFB:ssä. Kun tuloksia verrataan puupelletteihin, käsitelty SB ja käsitelty EFB osoittautuivat parhaiksi vaihtoehdoiksi puupelleteille tässä polttojärjestelmässä. Vaikka tulokset SB:lle ja EFB:lle ovat lupaavia, pelkkä vesipesu ei riitä saattamaan näitä biomassoja puupellettien tasolle. Esikäsittelyprosessien, mallintamisen ja polttojärjestelmien lisäoptimointi on tarpeen polttoaineiden kannattavuuksien parantamiseksi.