Numerisk undersøgelse med detaljeret kemi, af CO reduktion ved forbrænding af biomasse
Translated title
Numerical investigation with detailed chemistry of CO reduction in biomass combustion
Author
Meldgaard, Thomas
Term
4. term
Education
Publication year
2009
Abstract
Biomass power plants can lower CO2 emissions but often emit more of other pollutants due to incomplete combustion. In small grate-fired boilers that burn high-moisture fuels, carbon monoxide (CO) is a common challenge. Because CO is harmful and linked to other species, emission limits are strict and expected to tighten; for new plants they are typically 150–200 mg/Nm3 at 6% O2. Much research focuses on improving mixing and air staging. This thesis instead examines whether controlling furnace temperature and injecting selected species can reduce CO. The approach used detailed chemical-kinetics simulations in Cantera for a representative high-moisture fuel. The kinetics were described by the GRI-1.2 mechanism (177 reactions). Simulations indicated a suitable temperature window for CO burnout (conversion of CO to CO2) of about 1300–1800 K. Adding steam may accelerate CO removal by increasing the amount of OH radicals (highly reactive molecules) that promote CO conversion. Because some plants already use moist secondary air (for example from drying processes), injecting steam with secondary air is practically relevant. Both topics were then explored with CFD (computational fluid dynamics) of a simplified biomass furnace. Detailed kinetics were incorporated using the Eddy Dissipation Concept (EDC); turbulence was modeled with the k-ε method; and simulations were run in FLUENT. Four cases were compared: a reference case, a case with water injection, and two cases with insulation on different parts of the furnace walls.
Biomassekraftværker kan sænke CO2-udledninger, men giver ofte højere udledninger af andre stoffer på grund af ufuldstændig forbrænding. For små ristefyrede kedler, der bruger brændsel med højt vandindhold, er kulilte (CO) særligt udfordrende. CO er skadeligt og knyttet til andre forurenende stoffer, så grænseværdierne er stramme og forventes at blive skærpet; for nye anlæg ligger de ofte på 150–200 mg/Nm3 ved 6 % O2. Meget forskning fokuserer på bedre blanding og luftopdeling. Dette arbejde undersøger i stedet, om styring af ovntemperaturen og indsprøjtning af bestemte stoffer kan reducere CO-udslip. Metoden var at bruge detaljerede modeller for kemisk kinetik i Cantera for et repræsentativt brændsel med højt vandindhold. Kinetikken blev beskrevet med mekanismen GRI-1.2 (177 reaktioner). Simulationerne pegede på et passende temperaturinterval for CO-udbrænding (omdannelse af CO til CO2) på cirka 1300–1800 K. Ved at tilsætte damp kan udbrændingen muligvis gå hurtigere, fordi det øger mængden af OH-radikaler (meget reaktive molekyler), som fremmer omdannelsen af CO. Da nogle anlæg allerede bruger fugtig sekundærluft (for eksempel fra tørringsprocesser), er damp sammen med sekundærluften praktisk interessant. Begge emner blev undersøgt videre med CFD (beregningsstrømningsdynamik) af en forenklet biomasseovn. De detaljerede kemiske kinetikker blev koblet til strømningsmodellen med Eddy Dissipation Concept (EDC), turbulens blev modelleret med k-ε, og simuleringerne blev udført i FLUENT. Fire cases blev sammenlignet: en reference, en med vandindsprøjtning og to med isolering af forskellige dele af ovnens vægge.
[This apstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords
biomass ; grate furnace ; CO ; carbon monoxide ; EDC