Black Carbon Formation and Modeling in Pulverized Biomass Combustion

• Main Author: Rantanen, Joni
• Other Authors: Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences, Tampere University
• Format: Master Thesis
• Language: English
• Published: 2020
• Subjects: CFD; pulverized combustion; soot; black carbon; biomass; Ympäristö- ja energiatekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Environmental and Energy Engineering; MSc (Tech); Arktis*
• Online Access: https://trepo.tuni.fi/handle/10024/120843

Musta hiili on yksi ilmaston muutokseen eniten vaikuttavimmista partikkeleista. Tyypillisiä lähteitä sille ovat pienpoltto, liikenne ja metsäpalot. Mustan hiilen vaikutus ilmastoon korostuu arktisilla alueilla, joilla se laskeutuu lumipinnoille ja edistää niiden sulamista. Musta hiili syntyy hapettomissa olosuhteissa erilaisista hiilivedyistä. Kaasumaiset hiilivedyt, kuten C2H2, C2H4 ja C6H6, kiinnittyvät toisiinsa ja muodostavat monirenkaisen aromaattisen hiilivedyn. Kun useita monirenkaisia aromaattisia hiilivetyjä yhdistyy, syntyy kiinteä nokipartikkelin ydin. Ydin kasvaa suureksi, haarautuneeksi ja huokoiseksi nokipartikkeliksi toisten nokipartikkeleiden törmätessä siihen. Tässä diplomityössä tutkittiin mustan hiilen syntymistä biomassan pölypoltossa, jossa hienoksi jauhetut kiinteät partikkelit poltetaan siihen suunnitellulla polttimella. Tutkimuksessa käytettiin ANSYS Fluent virtauslaskentaohjelmaa. Tehtiin CFD-mallinnus yksinkertaisesta C2H4 polttimesta, 120 kWth biomassan pölypolttoliekistä sekä 100 MWth biomassan pölypolttolämpölaitoksesta. C2H4 liekkiä mallinnettiin ja tuloksia verrattiin kirjallisuudesta löydettyyn validointidataan, jotta saataisiin ymmärrystä nokimallin toiminnasta. Biomassan pölypolton nokimallinnuksessa on haastavaa sisällyttää noen prekursorit biomassan pyrolyysituotteisiin. Noen prekursori C2H2 päätettiin sisällyttää pyrolyysituotteisiin ja sen pitoisuutta arvioitiin kirjallisuuden ja testimallinnusten perusteella. 120 kWth pölypolttoliekkiä mallinnettiin useilla eri C2H2 pitoisuuksilla ja noen muodostumista seurattiin ja verrattiin kokeelliseen dataan. Noen muodostumista täyden mittakaavan 100 MWth lämpölaitoksessa mallinnettiin pienen mittakaavan malleista opitulla tiedolla. Lämpölaitoksessa tehtiin paljon kokeellisia mittauksia BC Footprint mittauskampanjan aikana ja mallinnuksen tuloksia verrattiin kokeelliseen dataan. Mallinnuksia ja mittauksia tehtiin eri kuormilla. Integroimalla C2H2 biomassan pyrolyysituotteisiin, noen muodostumista voidaan mallintaa suuntaa antavasti. ...