Modellering av självuppvärmning och torrsubstansförlust i storskalig förvaring av biomassa

Materialförluster och självuppvärmning är ett vanligt problem vid lagring av biomassa i stor skala. Biomassan som lagras bryts med tiden ned av mikroorganismer och kemiska processer vilket resulterar i en förlust av torrsubstans, ofta kring 1-4% per månad. Självuppvärmningen kan leda till mycket höga temperaturer i högarna av biomassa och kan i vissa fall leda till självantändning av biomassan. I detta examensarbete utvecklas en matematisk modell bestående av 21 kopplade partiella differentialekvationer som beskriver värme- och massflöden med målet att beskriva självuppvärmning och massförlust i systemet. Med syftet att undersöka hur värme- och massflöden påverkas av högarnas geometri, storlek, kompaktering och eventuella temperaturgradienter, skapades först en modell ii COMSOL. Resultatet från dessa simuleringar används sedan för att bygga en modell i MATLAB där flödena kan undersökas tillsammans med den komplexa reaktionskinetiken. Resultatet från denna två-dimensionella modell jämförs sedan med data från pågående forskning av SLU. Resultaten visar att de simulerade värdena liknar de experimentella data från SLU men modellen har svårt att beskriva hur materialet torkar, vilket är en vanlig observation vid lagring av biomassa. Modellen visar att fukthalten i det lagrade materialet, tillsammans med andelen lättnedbrytbart material är de två viktigaste parametrar som avgör magnituden av substansförlusten och dessutom potentialen för självuppvärmning.Loss of material and self-heating is a common problem during large-scale storage of biomass. The material is degraded by microorganisms and chemical processes which commonly result in dry matter losses of 1-4% per month. The self-heating often leads to high temperatures in the piles, which in some cases can lead to fires. In this thesis, a mathematical model consisting of 21 coupled partial differential equations describing heat and mass transfer is presented with the aim to describe the variations in heat and dry matter loss within the pile. For describing mass and heat transfer inside the biomass pile, a COMSOL model is setup, where effects of compaction, temperature gradients, shape and size of the pile are studied. Results from the COMSOL simulations are then transferred to MATLAB to simulate the complex kinetics coupled with the heat and mass transfer. The simulated results are then compared to experimental values obtained from an ongoing research project conducted by SLU. Results show that simulations do resemble experimental data but is limited in terms of describing drying process observed during storage. Important factors highlighted are the effect of moisture content in the starting material, as well as the amount of easily degradable content in the biomass as these factors greatly determine the magnitude of both dry matter loss and heat development