Validation of a 3D model for oxygen combustion in a circulating fluidized bed

In this thesis, a model called CFB3D is validated for oxygen combustion in circulating fluidized bed boiler. The first part of the work consists of literature review in which circulating fluidized bed and oxygen combustion technologies are studied. In addition, the modeling of circulating fluidized bed furnaces is discussed and currently available industrial scale three-dimensional furnace models are presented. The main features of CFB3D model are presented along with the theories and equations related to the model parameters used in this work. The second part of this work consists of the actual research and modeling work including measurements, model setup, and modeling results. The objectives of this thesis is to study how well CFB3D model works with oxygen combustion compared to air combustion in circulating fluidized bed boiler and what model parameters need to be adjusted when changing from air to oxygen combustion. The study is performed by modeling two air combustion cases and two oxygen combustion cases with comparable boiler loads. The cases are measured at Ciuden 30 MWth Flexi-Burn demonstration plant in April 2012. The modeled furnace temperatures match with the measurements as well in oxygen combustion cases as in air combustion cases but the modeled gas concentrations differ from the measurements clearly more in oxygen combustion cases. However, the same model parameters are optimal for both air and oxygen combustion cases. When the boiler load is changed, some combustion and heat transfer related model parameters need to be adjusted. To improve the accuracy of modeling results, better flow dynamics model should be developed in the CFB3D model. Additionally, more measurements are needed from the lower furnace to find the best model parameters for each case. The validation work needs to be continued in order to improve the modeling results and model predictability.

Tässä työssä on validoitu CFB3D-niminen malli happipolttoon kiertoleijupetikattilassa. Työn ensimmäinen osa sisältää kirjallisuuskatsauksen, jossa tarkastellaan kiertoleijupeti- ja happipolttotekniikkaa. Lisäksi tutustutaan kiertoleijupetikattiloiden mallinnukseen ja nykyään käytettävissä oleviin teollisuuden kokoluokan kolmiulotteisiin tulipesämalleihin. CFB3D mallista esitellään perusominaisuudet ja tässä työssä käytettyihin malliparametreihin liittyvät teoriat ja yhtälöt. Työn toinen osa sisältää itse tutkimus- ja mallinnusosuuden, jossa esitellään mittaustulokset, mallin valmistelu ja saadut tulokset. Työn tavoitteena on tutkia kuinka hyvin CFB3D malli toimii happipoltossa ilmapolttoon verrattuna kiertoleijupetikattilassa ja mitä mallin parametreja tulee muuttaa siirryttäessä ilmapoltosta happipolttoon. Tutkimustyö suoritetaan mallintamalla kaksi ilmapolttotasetta ja kaksi happipolttotasetta vastaavilla kattilan kuormilla. Taseet on mitattu Ciudenin 30 MWth Flexi-Burn demonstraatiolaitoksella huhtikuussa 2012. Mallinnetut tulipesän lämpötilat vastaavat yhtä hyvin mittauksia niin happi- kuin ilmapolttotaseissakin. Mallinnetut kaasukoostumukset puolestaan poikkeavat mittauksista selvästi enemmän happipolttotaseissa. Samat malliparametrit ovat kuitenkin optimaaliset sekä ilma- että happipoltossa. Kuorman muuttuessa tulee säätää joitakin palamiseen ja lämmönsiirtoon liittyviä parametreja. Mallinnustulosten tarkkuuden parantamiseksi CFB3D malliin tulisi kehittää parempi virtauslaskentamalli. Lisäksi tarvittaisiin enemmän mittauksia tulipesän alaosista, jotta parhaat malliparametrit voitaisiin löytää kuhunkin taseeseen. Validointityötä tulee vielä jatkaa mallin tulosten ja ennustustarkkuuden parantamiseksi.