BioGrate -kattilan dynaaminen mallinnus

Biomass utilization in energy production through combustion is regarded as an efficient alternative to consuming diminishing fossil natural resources. Furthermore, biomass is not only a naturally replenishable energy source, but is also CO2 neutral, and thus it is a sustainable option to satisfy the ever-growing energy demand. Existing combustion technologies such as industrial boilers and furnaces can utilize renewable fuels to a certain degree only, mainly when blended with traditional fossil fuels. Consequently, new technologies have been developed, such as BioGrate boilers, which can fully benefit from biomass fuel. Furthermore, future energy systems will comprise an increasing variety of energy sources for flexible energy generation. This will impose new challenges on boiler systems in terms of rapid changes in power demand and the ability to operate under low-load conditions. Thus, the development of these systems will require an insight into the combustion process for the optimal design and operation of energy boilers. Mathematical modeling allows the acquisition of important knowledge on the combustion process and underlying phenomena. This thesis presents a mechanistic model for a BioGrate boiler developed for process phenomena investigation, including an evaluation of the effect of varying particle size and moisture content on biomass combustion and the dynamic response of the burning fuel bed to a varying primary air supply. To improve the accuracy of the developed model, appropriate pyrolysis kinetics for the debarking residue were determined and the associated reaction heats were estimated from a mechanistic model of fixed-bed pyrolysis, which was also developed in this work. In addition, a simplification of the developed model for process control and monitoring is presented. The simplified model demonstrated acceptable accuracy in comparison with the detailed model and faster-than-real-time computational times. Both models were successfully validated with experimental data and showed the ability to predict the observed experimental trends. The results indicate that the model provides valuable information for improving the efficiency of a BioGrate boiler.Biomassan polttoa pidetään tehokkaana energiantuotantomenetelmänä, joka mahdollistaa hupenevien fossiilisten polttoaineiden korvaamisen. Tämän lisäksi biomassa on sekä uusiutuva että CO2-neutraali luonnonvara, joka tarjoaa kestävän ratkaisun jatkuvasti kasvavalle energian kysynnälle. Olemassa olevat polttoteknologiat voivat hyödyntää biomassaa vain osittain, yleensä seoksena fossiilisten polttoaineiden kanssa. Tästä johtuen on kehitetty uusia teknologioita, kuten BioGrate-kattila, joka pystyy hyödyntämään uusiutuvia polttoaineita sellaisenaan. Tulevaisuuden energiajärjestelmät tulevat sisältämään yhä enemmän erilaisia energialähteitä joustavaan energian tuotantoon. Tämä kohdistaa kattilaprosesseihin uusia haasteita, kuten nopeita kuorman muutoksia sekä energiatuotantoa minimiteholla. Tämän takia onkin tärkeää ymmärtää järjestelmien kehityksessä palamisprosessissa tapahtuvat ilmiöt, sillä se mahdollistaa kattiloiden optimaalisen suunnittelun ja ajon. Tämä väitöskirja esittää Biograte-kattilalle mekanistisen mallin, joka mahdollistaa palamisilmiöiden tutkimisen. Tähän sisältyy erilaisten biomassan ominaisuuksien, kuten raekoon ja kosteuspitoisuuden vaikutuksen evaluointi sekä muuttuvan primääri-ilmansyötön vaikutuksen tutkiminen palavaan polttoainekerrokseen.. Mallin tarkkuuden parantamiseksi, BioGrate-kattilassa käytetylle polttoaineelle on määritetty pyrolyysikinetiikka ja siihen liittyvä reaktiolämpö on estimoitu tässä työssä myös kehitetyn pakattu-peti -pyrolyysimallin avulla. Kehitetty yksityiskohtainen mekanistinen malli on lisäksi yksinkertaistettu prosessin monitorointiin ja säätöön soveltuvaksi. Verrattuna yksityiskohtaiseen malliin, yksinkertaisempi malli pystyy kuvaamaan palamista riittävän tarkasti laskenta-ajan ollessa silti reaaliaikaa lyhyempi. Kummatkin mallit on validoitu kokeellisen data avulla ja kokeet osoittavat mallien ennustuskyvyn olevan riittävä kokeellisesti mitattujen palamisilmiöiden kuvaamisessa. Suoritettujen simulaatioiden avulla on tutkittu raekoon ja kosteuspitoisuuden vaikutusta biomassan palamiseen. Lisäksi on selvitetty palamisilman vaihtelun vaikutusta polttoaineen palamiseen. Yksityiskohtaisen mallin avulla on tutkittu raekoon ja kosteuspitoisuuden vaikutusta biomassan palamiseen BioGrate-kattilassa. Tämän lisäksi palamisilman vaihtelun vaikutusta polttoaineen palamiseen on selvitetty. Tulokset osoittivat, mallien avulla saadaan arvokasta tietoa BioGrate-kattilan tehokkuuden parantamiseen