Biomassan ja jätteen poltossa syntyvän tuhkan kemiallinen mallintaminen termodynaamisen tasapainolaskennan avulla

The feasibility of thermodynamic equilibrium modeling to predict the ash chemistry in biomass and waste combustion was studied. Different calculation approaches were tested with miscellaneous fuel inputs to find out the most reliable and accurate modeling methods. The focus was on the elemental and compound composition of fly ash in circulating fluidized bed combustion boilers. With the tested calculation approaches and fuel inputs, the most accurate elemental concentration results of the modeled ash had a mean absolute percentage error of 23 wt.% when compared to reference ash. Furthermore, the most accurate elemental concentration results were achieved with elemental fuel analysis inputs, but challenging elements such as Cl were modeled more reliably with fractionated fuel analysis inputs. Due to the feature of thermodynamic equilibrium calculations that equilibrium is assumed to be achievable, modeling the fly ash compound composition in combustion processes is challenging due to the lower temperature areas in the process after the combustion chamber. In real combustion processes, the reaction times are short and variation of temperature fast, and therefore the kinetic limitations often prevent the reaching of thermodynamic equilibrium in the lower temperature areas.Termodynaamisen tasapainolaskennan soveltuvuutta biomassan ja jätteen poltosta syntyvän tuhkan koostumuksen mallintamiseen tutkittiin. Työssä kokeiltiin erilaisia laskentamenetelmiä vaihtelevilla polttoainekoostumuksilla. Työ keskittyi kiertoleijupetikattiloiden lentotuhkan alkuaine- ja yhdistekoostumuksen mallintamiseen. Kokeilluilla laskentamenetelmillä ja polttoaineilla tarkimmissa saavutetuissa tuloksissa alkuainekonsentraatioiden keskimääräinen virhe mallinetussa tuhkassa oli 23 p.-% referenssi tuhkaan verrattuna. Tarkimmat mallinnetun tuhkan alkuainekonsentraatiotulokset saavutettiin käyttämällä polttoaineiden analysoitua alkuainekoostumusta lähtökoostumuksena laskennassa, mutta haasteellisten alkuaineiden, kuten kloorin kohdalla, fraktioitujen polttoaineanalyysien käyttäminen lähtökoostumuksena teki mallinnuksesta luotettavampaa. Polttoprosesseissa syntyvän lentotuhkan yhdistekoostumuksen mallintaminen on haasteellista polttokammion jälkeisten viileämpien alueiden vuoksi. Tämä johtuu siitä termodynaamisen tasapainolaskennan oletuksesta, että tasapainotila saavutetaan aina. Todellisessa polttoprosessissa reaktioajat ja lämpötilan vaihtelut ovat nopeita ja tasapainon saavuttaminen viileissä osissa epätodennäköistä kineettisten rajoitteiden vuoksi