A three dimensional study of heat transfer in a supercritical circulating fluidized bed combustor

Abstract

From the boiler design point of view, it is imperative to know and understand the operation of the boiler. Since comprehensive measurement of a large furnace is impossible, the furnace can be modeled in order to study its behavior and phenomena. This requires the used model to be validated to correspond with the physical furnace behavior. In this thesis, a three dimensional furnace model is validated to match a bituminous coal utilizing, supercritical once-through circulating fluidized bed combustor based on measurement data. The validated model is used for analyzing the furnace heat transfer. Other heat transfer analysis methods are energy balance method based on tube surface temperature measurements and a method based on measured temperature difference between the tube crest and the fin. The latter method was developed in the thesis using Fluent-software. In the theory part, literature is reviewed and the fundamental aspects of circulating fluidized bed are discussed. These aspects are solid particle behavior in fluidization known as hydrodynamics, behavior of fuel and combustion and heat transfer. Fundamental aspects of modeling are also presented.

Kattilan suunnittelun kannalta on tärkeä tuntea ja ymmärtää kattilan toiminta. Koska suuren tulipesän kattava mittaaminen on mahdotonta, voidaan tulipesän toimintaa mallintaa ja saada tätä kautta tietoa prosessista ja siihen liittyvistä ilmiöistä. Tämä kuitenkin vaatii, että käytetty malli edustaa todellisen tulipesän käyttäytymistä. Diplomityössä validoidaan kolmiuloitteinen tulipesämalli kivihiiltä polttavalle, ylikriittiselle läpivirtaus-kiertoleijupetikattilalle mittausten perusteella, jonka jälkeen tulipesän lämmönsiirtoa analysoidaan mallin avulla. Mallin lisäksi lämmönsiirtoa tutkitaan tulipesän seinämän putkien pintaan sekä evään sijoitettujen lämpötilamittausten avulla energiatasemenetelmällä sekä putken ja evän väliseen lämpötilaeroon perustuvalla menetelmällä, joka työssä kehitettiin Fluent-ohjelmiston avulla. Teoriaosiossa tutustutaan kirjallisuuden avulla kiertoleijupetikattilan tulipesän ilmiöihin, kuten kiintoainepartikkelien käyttäytymiseen leijutuksessa eli hydrodynamiikkaan, polttoaineen käyttäytymiseen ja palamiseen, lämmönsiirtoon ja sen erilaisiin kolmiulotteisiin tulipesämalleihin sekä mallinnuksen perusteisiin.