Modelling and experimental study on wood chips boiler system with fuel drying and with different heat exchangers

Abstract

This thesis introduces two types of boiler plants with a cross-flow warm air moving bed dryer. The first one dries wood chips for the use of the plant itself. The second one is also equipped with a sieve and it even produces fuel to the market, to the small-scale boilers, for example. This has notable technical benefits because the load of the boiler plant is more stable than that in the traditional district heating use. Good quality wood fuel also improves the operation and control of small-scale heating systems of customers, which can lead to cheaper furnaces with lower emissions.

There are interdependencies between the dryer, boiler and heat exchangers, which are the main equipments under study. In addition, the ranges of heating load, of moisture content of fuel and of outdoors air temperature are large. Therefore, models were developed for improved understanding and prediction of the thermal performance of the system and for technical optimisation of equipment. Six models are described, two for each equipment under study.

Energy and mass balance model and a deep bed model for drying were developed. The deep bed model bases on the shrinking core single-particle model. A model was developed to calculate the heat transfer rate and pressure loss of the convection section with tubes and another one for the convection section with a rectangular duct having an array of longitudinal rectangular fins for flue gas. Two heat exchangers are described and modelled, a pipe-bundle type flue gas heat exchanger and a flat plate type heat exchanger, which recovers heat from the drying exhaust gas. Case analyses for energy consumption and equipment dimensioning are described.

The models for a dryer were verified by the measurements on the laboratory test rig and other models on the 40 kWth pilot plant and on the 500 kWth demonstration plant and on three other boiler plants. Only the results of the model for convection section indicated an excessive difference between the measurements. All other models gave results in reasonably close accordance with the measurements.

Tässä väitöskirjassa kuvataan kahta hakekattilalaitosta, joissa haketta kuivataan ristivirtatyyppisellä jatkuvatoimisella lämminilmakuivurilla. Toinen kuivaa haketta laitoksen omaan käyttöön ja toinen seulalla varustettuna kuivaa sitä myös myyntiin esimerkiksi pienille kattiloille. Kuivatun ja seulotun hakkeen tuotanto tasaa kattilan kuormitusta, mikä on edullista sen toiminnalle. Tuotettu laadukas hake tehostaa myös pienten loppukäyttäjäkattiloiden toimintaa ja helpottaa niiden säätöä, mikä voi pienentää päästöjä ja johtaa halvempiin laitoksiin.

Väitöskirja keskittyy laitoksen polttoainekuivuriin, kattilaan ja lämmönsiirtimiin. Ne ovat keskenään vuorovaikutuksessa ja lisäksi lämmitystehontarpeen, polttoaineen kosteuden ja ulkoilman lämpötilan vaihtelut ovat suuria. Siksi työssä kehitettiin laskentamalleja, jotka helpottavat laitoskokonaisuuden toiminnan ymmärtämistä ja suorituskyvyn ennakointia sekä yksittäisten laitteiden optimointia. Työssä kuvataan kuutta laskentamallia, joista kuhunkin kolmeen päälaitteeseen liittyy kaksi mallia.

Kuivurille laadittiin yksinkertainen energia- ja massatasemalli. Lisäksi kehitettiin paksun hakekerroksen kuivumista kuvaava malli, joka ottaa huomioon myös massan siirtymisen hakepartikkelin sisällä. Kattilan konvektio-osan kaksi eri rakennetta mallinnettiin. Toinen malli kuvaa pyöreäputkista konvektio-osaa ja toisessa savukaasukanava on poikkipinnaltaan suorakaiteenmuotoinen, ja siinä on pitkittäiset tasapaksut levyrivat. Lisäksi mallinnettiin kattilan savukaasuista kuivausilmaan lämpöä siirtävä putkinippulämmönsiirrin ja kuivurin poistokaasusta kuivausilmaan lämpöä siirtävä levylämmönsiirrin. Energiankulutusta ja laitemitoitusta havainnollistetaan esimerkein.

Kuivurimallia verifioitiin laboratoriomittauksin ja muita malleja mittauksin 40 kWth pilottilaitoksessa ja 500 kWth demonstraatiolaitoksessa sekä kolmessa muussa kattilalaitoksessa. Mallit antoivat kohtuullisen hyvin mittausten kanssa yhtäpitäviä tuloksia, ainoastaan konvektio-osan malli poikkesi paljon.