Three-dimensional model of bubbling fluidized bed combustion

Abstract

Diplomityön tarkoituksena on kehittää kolmiulotteinen malli kerrosleijupoltolle. Työn kirjallisuusosa sisältää seuraavat perusteet kerrosleijupolton tekniikasta: yleistiedot, leijutus- ja palamisilmiöt, kiinteän aineen ja kaasun sekoittuminen, päästöt ja lämmönsiirto. Lisäksi palamissysteemin mallinnuksen perusteet ja ratkaisumenetelmät ovat esitelty. Työn mallinnusosassa kehitetty koodi on ohjelmoitu Fortran-ohjelmointikielellä. Kehitetty malli perustuu olemassa olevaan malliin kiertoleijupoltosta. Yhtälö kiintoainekonsentraatioprofiilille on vaihdettu ja kiertovirta on poistettu koodista. Mallilla on tehty herkkyystarkasteluja polttoaineen ja kaasun sekoittumisen sekä reaktiokertoimen vaikutukselle. Visualisointi on tehty ohjelmassa Tecplot 360 ja mallinnustuloksia on vertailtu mitattuihin tuloksiin. Mallin laskemattulokset vastaavat hyvin mittaustuloksia ja kokemusperäisiä tietoja; monissa tapauksissa malli pystyy kvantitatiivisesti kuvaamaan parametrien variointia ja kaikissa tapauksissa malli antaa ainakin kvalitatiivisesti oikeita tuloksia. Työhön liittyvän kehityksen ja mallinnuskokemuksen perusteella on tehty ehdotukset mallin tulevaa kehitystä ja mittauksia varten.

The aim of the thesis is to generate a three-dimensional model for bubbling fluidized bed combustion. The literature study of the thesis includes the following basics of bubbling fluidized bed technology: general information, fluidization and combustion phenomena, solid and gas mixing, emissions and heat transfer. Additionally, the thesis presents basics and solution methods of combustion system modeling. In the modeling part of the study a model program is coded in Fortran. The developed model is based on an existing model of a circulating fluidized bed boiler. The solid concentration profile is changed and the circulating flow is removed. Sensitivity studies of fuel and gas mixing and reaction rate are made with the model. The results are visualized by Tecplot 360, and the calculated resultsare compared with the measured ones. The model shows good agreement with empirical data and experience; in many cases, the model quantitatively describes variation of parameters and in all cases, at least the model is qualitatively correct. Based on the development work and modeling experiences, suggestions are made for the future development and measurements.