ignition and combustion phenomena on a moving grate

177 Pages·2011·7.08 MB·English

IGNITION AND COMBUSTION
PHENOMENA ON A MOVING
GRATE
withapplicationtothethermalconversionofbiomassand
municipalsolidwaste
MaartenvanBlijderveen
Ignitionandcombustionphenomenaonamovinggrate: withapplicationtothethermalconversionof
biomassandmunicipalsolidwaste
vanBlijderveen,Maarten
PhDthesis,UniversityofTwente,Enschede,TheNetherlands,December2011
Copyright©2011byM.vanBlijderveen,Westervoort,TheNetherlands
All rights reserved. No parts of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or
transmittedinanyformorbyanymeans,electronic,mechanical,photocopying,recordingorotherwise,
withoutthepriorwrittenpermissionofthecopyrightholder.
ISBN978-90-8891-368-6
Keywords:Municipalsolidwaste;combustion;solidfuels;ignition;movinggrate;biomass
Cover: Picture of the burning waste in one of the combustion lines of the waste incinerator of GKS
inSchweinfurt,2009
This research has been carried out in the framework of the EU project NextGenBioWaste with fund-
ingfromTNO,TheNetherlands.
Printedby:Proefschriftmaken.nl||Printyourthesis.com
Publishedby:UitgeverijBOXPress,Oisterwijk
IGNITIONANDCOMBUSTIONPHENOMENAONA
MOVINGGRATE
WITHAPPLICATIONTOTHETHERMALCONVERSIONOFBIOMASSAND
MUNICIPALSOLIDWASTE
PROEFSCHRIFT
terverkrijgingvan
degraadvandoctoraandeUniversiteitTwente,
opgezagvanderectormagnificus,
prof.dr.H.Brinksma
volgensbesluitvanhetCollegevoorPromoties
inhetopenbaarteverdedigen
opvrijdag13januari2012om12.45uur
door
MaartenvanBlijderveen
geborenop25juni1982
teWarnsveld
Ditproefschriftisgoedgekeurddoordepromotor
Prof.dr.ir.G.Brem
Depromotiecommissie:
Voorzitter:
Prof.dr.F.Eising UniversiteitTwente
Promotor:
Prof.dr.ir.G.Brem UniversiteitTwente
Leden:
Prof.dr.ir.T.H.vanderMeer UniversiteitTwente
Prof.dr.ir.S.R.A.Kersten UniversiteitTwente
Prof.dr.ir.L.Lefferts UniversiteitTwente
Prof.dr.ir.J.J.H.Brouwers TechnischeUniversiteitEindhoven
Prof.dr.ir.B.J.Boersma TechnischeUniversiteitDelft
dr.ir.A.I.vanBerkel TNO
Summary
Combustioncanbedefinedasafastoxidationprocessofasolid, gaseousorliquid
fuelatelevatedtemperatures.Inanycombustionprocess,ignitionplaysanessential
role. Notonlytoinitiatethecombustionprocess,butalsotomaintainit. Especially
insolidfuelcombustiononagrate,wherefuelisabundantlyavailable,theignitionof
thefreshfueldeterminesthestabilityofthecombustionprocess.Tobeabletocontrol
thecombustionprocessproperly,theunderstandingoftheignitionprocessesofsolid
fuelsisofgreatimportance.
Formodelingpurposes,theignitionofasolidfuellayeronagrateisoftendescribed
byanignitionfronttravelingdownwardsthroughthefuelbed.Thewastelayerignites
fromthetopduetofurnaceandflameradiation,thusthecombustionprocesstakes
placeoverthelengthofthegrate. However,asthereisalmostnomixingofthesolid
fueloverthelengthofthegrate,theprocesscanbeconsideredasahorizontalplug-
flowprocess.Forthisreasonthecombustionprocessonthegratecanbetranslatedto
apackedbedwherethelengthcoordinateofthemovinggratecorrespondswiththe
timeinthepackedbedprocess.Thepackedbedcanbemodeledasatransientonedi-
mensionalmodel. Generally,tovalidatetheseonedimensionalmodels,resultsfrom
experimentsinsocalled"potfurnaces"areused. Intheseexperimentswasteoran
othersolidfuelispiledonafixedgrateinaroundtubeandignitedfromthetopwhile
airisfedviathegrateandflowingupwardsthroughthefuelbed.Thermocouplesand
gassamplingpointsatseveralheightsinthefuelbedcanbeusedtomonitorthepro-
cess. Incaseofahomogeneousfuel,ateveryheightinthelayerasubsequentsharp
riseintemperatureismeasuredgoingfromthetoptothebottomofthereactor.From
thesedata, afairlyconstantignitionfrontvelocitycanbederived. However, inthe
presentworkitisshownthatonedimensionalmodelsbasedonahomogeneousfuel
under-predictthevelocityoftheignitionfrontinwastebyafactoroftwo.Apparently,
notallphenomenawhichareimportantinwastecombustiononamovinggrateare
capturedinthesesimplifiedonedimensionalmodels.Thisthesisdealswithsomeof
theseignitionphenomenaencounteredinthecombustionofmunicipalsolidwaste
andbiomassonamovinggrate.
Solid fuels such as biomass and waste both contain fixed carbon and a large part
ofvolatiles(morethan70wt.%). Thevolatilescombustionshouldbeconsideredas
thecombustionofagaseousfuel,whilethefixedcarboncombustioncanbeconsid-
eredasthecombustionofsolid(char)particles. Chapter2investigatestheimpactof
gaseouscombustioninapackedbed. Toeliminatethereactionsinthesolidphase,
naturalgascombustioninaninertsolidphaseisconsidered. Thechapterdealswith
the case where the combustion takes place inside the packed bed. This process is
calledfiltrationcombustionandcanbecharacterizedbyathermalwaveandacom-
bustionwave. Ananalyticalmodelfromtheliteratureisusedtoinvestigatethein-
fluence ofdifferentparameters such asgas composition, gas velocity, bed porosity
andparticlediameteronthepropagationofthecombustionfront. Theresultsare
validatedbyexperimentalresults. Fortheseexperimentsatubefilledwithalumina
spheresisused. Apremixedflammablegasmixtureisfedthroughthepackedbed
andignitedinthelowerregionofthetube. Thermocouplesatseveralheightsmoni-
torthecombustionprocess.Thetrendsfoundfromtheanalyticalmodelcanbecom-
paredwellwiththeexperimentalresults.Itisshownthatthecombustionwavetravels
downwardsmuchslowerthanthecombustionfrontsgenerallymeasuredinburning
solidfuelbeds.Itisalsoshownthatflashbackisveryunlikelytooccurinwastecom-
bustion.
Theonedimensionalapproachmentionedbeforecanonlybeappliedifthehorizon-
talmassandenergygradientsalongthegratecanbeneglected. Withthehelpofthe
Pécletnumber,itisshowninchapter3thatthehorizontalenergygradientscannotal-
waysbeneglected.Asaresulttheignitionfrontpropagationthroughapackedbedis
dividedinahorizontaldirectionandaverticaldirection.Thehorizontalfrontpropa-
gationdeterminestheflamestabilityinthefurnaceandtheverticalfrontpropagation
determinestheburnoutofthefuel. Basedonopticalobservationsofignitionfronts
andgascompositionmeasurementsbelowtheignitionfrontitisconcludedthatthe
drivingmechanismofthefrontpropagationinbothhorizontalandverticaldirections
ischarcombustion(forlowradiativeheatfluxesfromthefurnacewalls).Thisimplies
thatthevolatilecombustioncanbeneglected,whichsimplifiesthemodelingofthe
ignition front propagation significantly. With this result, an analytical one dimen-
sionalmodelforthevelocityoftheignitionfrontisderived. Thecalculatedignition
frontvelocityandcombustionfronttemperatureareafunctionofadimensionless
energylosstermandadimensionlessexcessenergyterm.Basedontheseterms,up-
perandlowerboundariesfortheignitionfrontvelocityarederived.Themodelisval-
idatedwithexperimentsfromtheliteraturedonebyseveralresearchers. Themodel
canbeappliedtobothhorizontalandverticaldirectionswhenfurnaceradiationis
low.
Toinvestigatethepossibilitytoignitethefuelbypreheatedprimaryair,experiments
arecarriedoutinapotfurnace.Intheseexperiments,apreheatedprimaryairflowis
fedintoashallowpackedbedofeitherwood,RDForchar.Thecriticalairtemperature
neededtoignitethebedandthecorrespondingbedtemperatureatthemomentofig-
nitionarerecordedasafunctionoftheprimaryairflow.Inchapter4,itisshownthat
afuelbedofwoodcanbeignitedsolelybyaprimaryairstreamwithatemperature
aslowas230oC.Afuelbedofcharignitesevenwithaprimaryairtemperatureaslow
as170oC. Forlowerprimaryairvelocities,boththecriticalairtemperatureandthe
bedtemperatureatignitiondecrease. Aremarkableobservationisthatwithadeep
fuelbedtheignitiondoesnotoccurclosetothegrate,but20−35cmabovethegrate.
Thiscanbeexplainedbytakingconductioninsidethebedintoaccount.Theobtained
experimentalresultsaretranslatedintoaspontaneousignitionmodelinchapter5.
ThemodelisbasedonSemenov’sanalysisofthermalexplosionsandconsistsofthe
balancebetweentheexothermicpyrolysisreactionsandtheconvectiveheattransfer
ofthepreheatedprimaryairtothefuel. Asingledimensionlessparameterisderived
whichdeterminesthecriticalairtemperatureandthefuelbedtemperatureatigni-
tionasafunctionoftheprimaryairvelocity,theinertfractionandthefueltype. The
resultsfromthemodelagreewellwiththeresultsfromtheexperimentsforwoodand
RDF.Withthepresentedtheory, theignitionphenomenaoccurringduringcharex-
perimentscanonlybeexplainedqualitatively. Itseemsplausibletoassumethatthe
temperatureatwhichtheheatofreactionofcharoxidationbecomesexothermicco-
incideswiththespontaneousignitiontemperature.
Chapter6dealswiththestartupofawasteincinerator. Thisisdonebyinvestigat-
ingthepilotedignitionofseveralsolidfuelssuchaswood,PVCandPMMAundera
radiativeheatflux.Amodelisdevelopedtopredicttheignitiontimesforseveralma-
terialsandradiativeheatfluxes. Themodelisbasedontheignitiontemperatureof
theproducedgasmixtureatitslowerexplosionlimit.Fromtheenergybalanceatthe
momentofthepilot,itiscalculatedifthemixturecanreachitsignitiontemperature
atacertaintime,calledtheignitiontime.Experimentsfromtheliteratureareusedto
validatethemodelandflashesobservedduringtheseexperimentscanbeexplained
qualitatively by the model. Subsequently, the model is further developed to a full-
scalefurnaceanditisshownthatthereisacriticalprimaryairflowwithrespectto
ignition.Whentheprimaryairflowishigherthanthiscriticalvalue,ignitioncannot
beobtained.Thisisduetothefactthattheproducedgasmixtureisnotabletoreach
itslowerflammabilitylimitforhighairflows.
Inchapter7theresultsfromthepresentstudyaresummarizedandusedtodescribe
theignitionandcombustionphenomenainfull-scalewasteincinerators. Asimpli-
fiedexpressionfortheignitionfrontvelocityinboththehorizontalandverticaldirec-
tionispresentedandappliedtodeterminelocalfrontvelocitiesbasedonlocalfuel
properties. Thelocalfrontvelocitiesareintegratedoverthebedheighttoobtainthe
locationwherethefrontreachesthegrate.Itisshownthatthistwo-dimensionaligni-
tionfrontmodelpredictstheignitionfronttobeuptotwiceassteepaspredictedbya
one-dimensionalmodel.Inthischapteralsoguidelinesforstartupofmovingbedfur-
nacesaregiven.Itisadvisedtostartwithafuelwhichigniteseasilyunderapilotand
isabletomaintainanignitionfront. Recommendationsforfurtherresearchare(1)
tovalidatethetranslationsdoneinthecurrentworktofullscalewasteandbiomass
combustionand(2)toapplytheresultstoafullscalecombustionprocess.
Samenvatting
Verbranding kan worden gedefinieerd als een snelle oxidatiereactie van een vaste,
gasvormigeofvloeibarebrandstofopeenhogetemperatuur.Inelkverbrandingspro-
cesspeeltontstekingeenessentiëlerol. Ditisnietalleenomhetprocestestarten,
maarookomhetinstandtehouden.Vooralbijvastestofverbrandingopeenrooster,
waardebrandstofvolopaanwezigis,bepaaltdeontstekingdestabiliteitvanhetver-
brandingsproces. Omhetprocesgoedtekunnenregelen, iskennisvanontsteking
vangrootbelang.
Voorhetmodellerenwordtdeontstekingvaneenvastebrandstoflaagopeenrooster
vaak beschreven door een ontstekingsfront dat omlaag beweegt door de brand-
stoflaag. Debrandstoflaagwordtaandebovenkantontstokendooroven-envlam-
straling,dusdeverbrandingvindtplaatsoverdelengtevanhetrooster. Echter,om-
datdeafvallaagbijnanietgemengdwordtoverdelengtevanhetroosterkanhetpro-
cesbeschouwdwordenalseenhorizontaalpropstroomproces.Daaromkanhetver-
brandingsprocesophetroostervertaaldwordennaareengepaktbedwaardelengte-
coördinaatvanhetbewegenderoosterovereenkomtmetdetijdinhetgepaktbed.Het
gepakte bed kan gemodelleerd worden met een transiënt ééndimensionaal model.
Meestalwordendezemodellengevalideerdmetresultatenvanexperimenteninzoge-
naamde"potovens".Bijdezeexperimentenwordtafvalofeenanderevastebrandstof
ineenbuisopeenvastroostergestort. Dezebrandstoflaagwordtaandebovenkant
ontstokenenluchtwordtviahetroostervanondernaarbovendoordebrandstoflaag
gevoerd.Opverschillendehoogtesindebuiskunnenthermokoppelsengasmonster-
puntengebruiktwordenomhetprocestemonitoren. Bijeenhomogenebrandstof
wordtopelkehoogtevandebrandstoflaag,vanbovennaarbeneden,eenopeenvol-
gendescherpetoenamevandetemperatuurgemeten.Uitdezedatakaneenvrijcon-
stantesnelheidvanhetontstekingsfrontafgeleidworden. Echter, hethuidigewerk
laatziendatdeééndimensionalemodellengebaseerdopeenhomogenebrandstof
deontstekingsfrontsnelheidineenafvalverbrandingsovenmeteenfactortweeonder-
schatten. Blijkbaarwordennietallefenomenendiebelangrijkzijninafvalverbrand-
ingopeenroosterbeschrevenmetdezevereenvoudigdeééndimensionalemodellen.
Dezedissertatiebeschrijftsommigevandeontstekingsverschijnselendieplaatsvin-
deninafval-enbiomassaverbrandingopeenrooster.
Vaste brandstoffen zoals biomassa en afval bevatten beiden gebonden koolstof en
hebben een hoog vluchtig gehalte (meer dan 70 gewichts-%). De verbranding van
de vluchtige componenten kan worden beschouwd als de verbranding van een
gasvormigebrandstofendegebondenkoolstofverbrandingkanwordenbeschouwd
alsdeverbrandingvanvaste(kool)deeltjes. Hoofdstuk2onderzoektdeinvloedvan
deverbrandingvangassenineengepaktbed.Omdereactiesindevastefaseteelimi-
neren, wordt de verbranding van aardgas in een inert gepakt bed beschouwd. Het
hoofdstukbeschouwtdesituatiewaardeverbrandinginhetgepaktebedplaatsvindt.
Dit proces wordt filtratieverbranding genoemd en het wordt gekarakteriseerd door
eenthermischegolfeneenverbrandingsgolf. Eenanalytischmodeluitdeliteratuur
is gebruikt om de invloed van verschillende parameters zoals gassamenstelling,
gassnelheid, porositeit van het bed en deeltjesgrootte van het bedmateriaal op de
voortgangvanhetverbrandingsfrontteonderzoeken. Deresultatenzijngevalideerd
metexperimenteleresultaten.Voordezeexperimenteniseenmetaluminakorrelsge-
vuldebuisgebruikt.Eenvoorgemengdbrandbaargasmengselwordtdoordebuismet
hetgepaktealuminageleidenwordtindeonderstezonevandebuisontstoken. Op
verschillendehoogtesmonitorenthermokoppelshetverbrandingsproces. Detrends
diegevondenzijnmethetanalytischemodelkomengoedovereenmetdetrendsdie
gevondenzijnmetdeexperimenten. Hetisaangetoonddatdeverbrandingsgolfin
dezesituatieveellangzamernaarbenedenbeweegtdandeverbrandingsgolfineen
brandendbedvanvastebrandstof.Hetisookaangetoonddathetzeeronwaarschijn-
lijkisdatterugslagvanvlammenplaatsvindtinafvalverbranding.
Deééndimensionalebenaderingdiehiervoorgenoemdiskanalleentoegepastwor-
denalsdehorizontalemassa-enenergiegradiëntenparallelaanhetroosterverwaar-
loosd kunnen worden. In hoofdstuk 3 is het aan de hand van het Pécletnummer
aangetoonddatdehorizontaleenergiegradiëntnietaltijdverwaarloosdkanworden.
Devoortgangvanhetontstekingsfrontisdaaromopgedeeldineenhorizontaleeneen
verticalerichting.Dehorizontalefrontverplaatsingbepaaltdestabiliteitvandevlam
endeverticaleverplaatsingbepaaltdematevanuitbrandvandebrandstof. Uitop-
tischeobservatiesvanontstekingsfrontenenuitgemetengassamenstellingonderhet
ontstekingsfrontisgeconcludeerddatdevastekoolverbrandinghetdrijvendemecha-
nismeisvoordefrontvoortganginbeiderichtingen(voorlagewarmtestralingsfluxen
vandeoven). Dithoudtindatdeverbrandingvandevluchtigecomponenteninde
gasfaseverwaarloosdkanworden. Ditvereenvoudigthetmodellerenvandevoort-
gang van het ontstekingsfront aanzienlijk. Met dit resultaat is een ééndimension-
aal analytisch model afgeleid voor de snelheid van het ontstekingsfront. De bere-
kendefrontsnelheidentemperatuurvanhetverbrandingsfrontzijneenfunctievan
een dimensieloze energieverliesterm en een energieoverschotterm. Een boven- en
een ondergrens voor de frontsnelheid zijn afgeleid op basis van deze twee termen.
Hetmodelisgevalideerdmetexperimentenuitdeliteratuurdiezijngedaandoorver-
schillende onderzoekers. Wanneer de warmtestraling van de oven laag is, kan het
modeltoegepastwordenopzoweldeverticalealsdehorizontalevoortgangvanhet
ontstekingsfront.
Om de mogelijkheid om de brandstof te ontsteken met voorverwarmde primaire
luchtteonderzoeken,zijnexperimentenineenpotovenuitgevoerd.Bijdezeexperi-
menteniseenvoorverwarmdeprimaireluchtstroomdooreenondiepgepaktbedvan
hout, RDF of vaste koolstof gevoerd. De kritische temperatuur van de lucht waar-