Dynamics of wood particle pyrolysis applied to gas-solids fluidisation

Abstract: Avhandlingen behandlar matematiska modellerings- och simuleringsaspekter samt resultat rörande pyrolys av stora och små träpartiklar. Avhandlingsarbetet är inriktat på två specifika processer. Den ena är pyrolys av enstaka träpartiklar och den andra är pyrolys av fluidiserade träpartiklar.De i avhandlingen presenterade studierna behandlar först matematisk modellering av pyrolys av enstaka träpartiklar. Två modeller presenteras, den första är en två-fas transportmodell och den andra är en transportmodell för porösa medier. Dessa modeller är två olika sätt att modellera mass-, impuls- och värmetransporten i samband med pyrolys av enstaka partiklar. De presenterade modellerna medför en ny modelleringsegenskap i och med att det inre, det yttre och gränsskikten hos den uppvärmda och reagerande träpartikeln inbegrips i beräkningarna. Detta ger nya analysmöjligheter jämfört med tidigare publicerad litteratur rörande pyrolys av enstaka partiklar som enbart behandlar det inre av partikeln samt vissa randvillkor på partikelns ytor.Modelleringen omfattar även behandling av förändringarna av viktiga processparametrar genom den termiska nedbrytningen av träets struktur under pyrolys. Dessa parametrar är bland annat: densitet, värmeledning, massdiffusion, porositet, permeabilitet och emissivitet. De genomförda modellsimuleringarna jämförs med experimentella data från publicerad litteratur.Vidare, genom att en noggrann beräkningsgeometri har använts kan partikelns gränsskikt studeras i syfte att ta fram nya modeller för den lokala transporten av massa, impuls och värme till, från och igenom partikelns yttre ytor. Korrelationer has framtagits för partikelns Nusselt- och Sherwood-tal. Dessutom har två specifika modeller tagits fram för den påverkan som de ur partikeln utträngande gaserna från träpyrolysen har på omgivningen. Dessa modeller är i form av en extra viskositetsterm samt en extra term för förändringen av partikelns dragkoefficient.Modellerna från studierna av pyrolys av enstaka träpartiklar har sedan infogats vid modelleringen av pyrolys med fluidiserade gas-partikelflöden. Simuleringarna vid fluidisering är behandlade som två-fasflöden där reologin för de fluidiserade partiklarna beräknas med hjälp av kinetisk teori för granulära flöden. Två fallstudier presenteras. Den första är en modell för den nya biobränslepannan i Västerås (panna 5) som är av typen cirkulerande fluidbädd. Den andra är en numerisk studie avseende effekterna på fluidiseringen vid användandet av de tidigare framtagna korrelationerna och modellerna från studierna av enstaka pyrolyserande partiklar.Det har genom dessa studier visats att det förenklade fallet med en enstaka träpartikel kan ge information för att ta fram korrelationer och modeller för att användas vid partikulära två-fasmodeller. Studierna har även visat att pyrolys av biobränsle under fluidisering måste modelleras på ett sådant sätt att pyrolysens påverkan på partiklen och dess omgivning inkluderas i den matematiska modellen för mer fullständiga simuleringar skall kunna göras.