As an abundant carbon-neutral resource, biomass has great potential to yield renewable energy and valuable chemicals. The utilization of biomass is significant for achieving carbon neutrality. Thermochemical conversion technologies such as pyrolysis, gasification, and combustion, play a vital role in converting biomass to bioenergy or other by-products. Among them, pyrolysis that can produce high-value bioproducts from the decomposition of solids in the absence of oxygen, is recognized as a promising technology for biomass efficient utilization. Combustion technology, oxidizing fuel into gaseous products with sufficient oxygen and producing heat, is widely applied to various types of biomass for recycling energy. In addition, pyrolysis is an inseparable sub-process of combustion and gasification, i.e., devolatilization of the volatiles. Bearing this in mind, this Ph.D. project aims to investigate pyrolysis and combustion technologies to promote the efficient and clean utilization of biomass.
For biomass pyrolysis, kinetic modeling, which connects the academic research and engineering applications of solid fuel conversion, is of great significance in exploring the underlying mechanism and optimizing the reaction process. Whereas, the complexity of existing kinetic models and the diversity of the evaluated kinetics in previous biomass pyrolysis studies largely compromise the effectiveness of kinetic modeling. In this thesis, a universal description of solid fuel decomposition is derived for all common reaction mechanisms, which shows statistical characteristics. For example, the expression for first-order reactions is consistent with the standardised general extreme value distribution. Accordingly, four applications are demonstrated: conversion peak identification, reaction mechanism determination, conversion rate prediction, and kinetics evaluation. Moreover, a simplified kinetic model with only one kinetic parameter is developed to predict the conversion rate and validated using experimental data. The model has been employed to analyze poplar wood pyrolysis, which exhibited superior performance in terms of accuracy, stability, and simplicity compared to the conventional Arrhenius-type model.
For biomass combustion, municipal solid waste (MSW), as one of the dominant biomass resources, is selected as the incinerating feedstock in this project, for which grate-firing technology is widely employed. Due to the limitations and difficulties of experimental study, simulation investigation is regarded as powerful and cost-efficient for understanding and optimizing large-scale MSW combustion. In this thesis, a moving-grate boiler incinerating 750 tons of MSW per day was simulated based on Computational Fluid Dynamics (CFD). The coupling strategy: model the fuel bed and freeboard separately and then couple them together, is implemented. An in-house bed model including NOₓ formation is developed to describe the solid conversion processes (i.e., drying, pyrolysis, combustion, and gasification) on the moving grate. The freeboard simulation is performed in ANSYS Fluent to solve the turbulent reacting flow, containing the bed model results, namely, profiles of temperature, velocity, and gas species. The simulation results are verified by comparing with the operation data inside the boiler. Subsequently, two simulation-based investigations on this boiler are conducted: the impacts of feedstock change caused by waste classification and co-combustion of MSW and sewage sludge. The former research reveals the potential issues for incinerating the new MSW, e.g., ineffective oxygen utilization, low mixing, and non-uniform temperature in the freeboard, when maintaining the current operating conditions. Subsequently, adjustments in the air supply and thermal input are proposed and probed in the simulation, which addresses these potential issues and shows improvements in operation stability and energy recovery. The latter investigation numerically tests the feasibility of MSW co-firing with sewage sludge and industrial solid waste in the existing boiler, in which the industrial waste serves as the supporting fuel. It explores suitable blends and operation guidelines that promote the combustion stability and NOₓ reduction up to 11.54%.
In summary, the contributions of this Ph.D. project are twofold: kinetic modeling of biomass pyrolysis and CFD simulation of MSW combustion, developing two original models for each part. Applications and investigations based on the two models are conducted, resulting in valuable findings and demonstrating their potential for biomass utilization via thermochemical conversion technologies.
Biomasse som er en rigelig kulstofneutral ressource har et stort potentiale til at fremstille vedvarende energi og værdifulde produkter, og dens udnyttelse er vigtig for at opnå kulstofneutralitet. Termokemiske omdannelsesteknologier som f.eks. pyrolyse, forgasning og forbrænding spiller en afgørende rolle i omdannelsen af biomasse til bioenergi eller andre biprodukter. Pyrolyse er en lovende teknologi til effektiv udnyttelse af biomasse, som kan producere bio-produkter af høj værdi ved at nedbryde fast brændsel i fravær af ilt. Forbrændingsteknologi anvendes mest til at generere energi fra forskellige typer biomasse, her brændstof oxideres til en røggas og varmeproduktion. Denne proces kræver ilt. Derudover er pyrolyse en uadskillelig delproces af forbrænding og forgasning. Med dette i mente sigter dette Ph.D. projekt efter at undersøge pyrolyse- og forbrændingsteknologier for at fremme effektive og bæredygtige udnyttelser af biomasse.
Kinetisk modellering som forbinder videnskabelig forskning og ingeniørmæssige udnyttelser af biomassepyrolyse er vigtige for at udforske den underliggende mekanisme og optimere reaktionsprocessen. Kompleksiteten af eksisterende kinetiske modeller og mangfoldigheden af den evaluerede kinetik komplicerer væsentligt effektiviteten af kinetiske modelleringsstudier. I denne afhandling er der udledt en universel beskrivelse af brændstofnedbrydning for alle almindelige reaktionsmekanismer, som viser deres statistiske karakteristika. For eksempel er udtrykket for førsteordens reaktioner samme med den standardiserede generelle ekstremværdifordeling. Derfor demonstreres fire applikationer: identifikation af konverteringstop, bestemmelse af reaktionsmekanisme, forudsigelse af konverteringshastighed og kinetisk evaluering. De nyudviklede metoder blev valideret af de eksperimentelle data og sammenlignet med de konventionelle metoder. En forenklet kinetisk model med kun én kinetisk parameter blev udviklet til at forudsige konverteringsraten. Modellen anvendes til at analysere poppeltræ pyrolyse og udviser overlegen ydeevne med hensyn til nøjagtighed, stabilitet og enkelhed i sammenligning med den typiske Arrhenius-type model.
Husholdnings affald blev brugt til biomasseforbrænding i Ph.D. projektet. Ristfyring som er en af de primære forbrændingsteknologier er almindeligt brugt i affaldsforbrænding og simuleringsstudier er både nødvendigt og omkostningseffektivt for at forstå og optimere forbrændingsprocessen. I denne afhandling blev en kedel med vandrerist, som forbrænder 750 tons affald om dagen, simuleret med Computational Fluid Dynamics (CFD). En koblingsstrategi hvor brændstoflejet og fribordet modelleres separat og derefter kobler dem sammen blev implementeret. En ristmodel til at inkludere NOₓ-dannelse blev udviklet til at beskrive faststofkonverteringsprocessen (dvs. tørring, pyrolyse, forbrænding og forgasning) på den bevægelige rist. Fribordssimulering blev udført i ANSYS Fluent for at løse det turbulente reagerende flow, som kombineres med ristmodel resultaterne: profiler af temperatur, hastighed og massefraktioner af arter. Simuleringsresultaterne blev verificeret ved at sammenligne med driftsdataene inde i kedlen. Efterfølgende blev der udført to simulationsbaserede undersøgelser af denne kedel: virkningerne af råmaterialeændringer forårsaget af affaldsklassificering og samforbrænding af affald og spildevandsslam. Tidligere forskning har afsløret de potentielle problemer for den nye affaldsforbrænding, for eksempel ineffektiv fordeling og udnyttelse af ilt, dårlig blanding og uensartet temperatur i fribordet, når de nuværende driftsbetingelser opretholdes. Efterfølgende foreslås justeringer i lufttilførslen og termisk input, som adresserer disse potentielle problemer og viser forbedringer i driftsstabilitet og energigenvinding udefra simuleringsresultaterne. De sidstnævnte studier omfattet CFD baseret simuleringer af forbrænding af en blanding af affald, spildevandsslam og industrielt fast affald i den eksisterende kedel hvori industriaffaldet tjener som hjælpebrændsel. Undersøgelsen udforsker passende blandinger og driftsretningslinjer, der fremmer forbrændingsstabiliteten og medfører NOₓreduktion op til 11,54 %.
Sammenfattende kan det siges, at bidragene fra dette Ph.D. projekt er todelt: kinetisk modellering af biomassepyrolyse og affaldsforbrændingssimulering, hvor to originale modeller blev udviklet for hver del. Analyser og undersøgelser baseret på de to modeller blev udført, der medfører værdifulde resultater og demonstrerer modellernes potentiale for biomasseudnyttelse via termokemiske konverteringsteknologier.