Computational Fluid Dynamics Modeling and Mathematical Optimization of Recovery Boilers
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2019-03-22
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2019
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
55 + app. 69
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 37/2019
Abstract
This thesis belongs to the research field of applied computational fluid dynamics (CFD). The research focus is on utilization of existing state-of-the-art CFD modeling and mathematical optimization methods for very large and multiscale design optimization problems. The application under study is the recovery boiler, which is used to combust black liquor, a by-product of the pulp making process. The objective is to bring new understanding to the complex physical and chemical processes inside recovery boilers. In this thesis, the effects of various design choices on these processes are systematically and quantitatively investigated for the first time. The first part focuses on the combustion performance in the furnace. A surrogate-based optimization method and CFD modeling are combined to understand and quantify the connection between the furnace dimensions and combustion processes. As a result of the optimization, a set of Pareto-optimal geometries is obtained and the reasons for the improved combustion performance are investigated. Thereafter, a highly systematic CFD study is performed to understand the effects of typical design choices regarding the secondary air system on the mixing, penetration, and uniformity of the vertical velocity field. Several implications for the optimal design of the air system are formulated. The second part focuses on the flow field and heat transfer in the superheater region. A surrogate-based optimization method and CFD modeling are integrated to investigate the effects of the superheater region geometry on the flow field and heat transfer. The numerical results are analyzed to explain the physical mechanisms for the performance improvements and the linkage between the geometry, flow field, and heat transfer. After this, a new fully three-dimensional CFD model is developed to simulate the complex three-dimensional flow and heat transfer phenomena in the superheater region. Two sets of industrial full-scale measurements are reported and utilized to validate the simulation results. The added-value and new implications of the three-dimensional results are demonstrated. The main added-value of this thesis is considered to consist of the following factors. Primarily, it is one of the first extensive numerical studies into the internal processes of recovery boilers. Significant new knowledge is obtained in the following areas: 1) geometrical design of the furnace, 2) geometrical design of the superheater region, and 3) design of the combustion air system. In addition, an exceptional validation study is done between the numerical simulations and experiments in the superheater region. Finally, substantial new knowledge is obtained concerning the utilization of optimization methods in the context of recovery boilers and similar very large-scale applications.Tämä väitöskirja kuuluu sovelletun laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) tutkimusalaan. Tutkimuksen keskipisteenä on olemassa olevien korkeinta tasoa edustavien CFD- ja matemaattisten optimointimenetelmien hyödyntäminen moniskaalaisiin erittäin suuren kokoluokan suunnittelun optimointitehtäviin. Tutkittavana sovelluksena on soodakattila. Soodakattilaa käytetään mustalipeän polttamiseen, joka on sellunvalmistusprosessin sivutuote. Tavoitteena on parantaa ymmärryksen tasoa soodakattilan sisäisistä monimutkaisista fysikaalisista ja kemiallisista ilmiöistä. Tässä väitöskirjassa useiden suunnitteluratkaisuiden vaikutuksia näihin ilmiöihin tutkitaan systemaattisesti ja kvantitatiivisesti ensimmäisen kerran. Ensimmäinen osa keskittyy palamisprosesseihin soodakattilan tulipesässä. Sijaismallipohjainen optimointimenetelmä ja CFD-mallinnus yhdistetään tulipesän dimensioiden ja palamisprosessien yhteyden paremmaksi ymmärtämiseksi sekä kvantifioimiseksi. Optimoinnin tuloksena saadaan Pareto-optimaalisten geometrioiden joukko ja syitä palamisprosessien tehostumiselle tutkitaan. Tämän jälkeen tehdään hyvin systemaattinen CFD-tutkimus, jossa pyritään ymmärtämään tyypillisten sekundääritason ilmajärjestelmään liittyvien suunnitteluratkaisuiden vaikutuksia sekoittumiseen, tunkeutumiseen sekä pystysuuntaisen virtauskentän tasaisuuteen. Useita ilmajärjestelmän optimaalista suunnittelua koskevia johtopäätöksiä muotoillaan. Toinen osa keskittyy virtauskenttään ja lämmönsiirtoon soodakattilan tulistinalueella. Sijaismallipohjainen optimointimenetelmä ja CFD-mallinnus integroidaan tulistinalueen geometrian vaikutusten paremmaksi ymmärtämiseksi virtauskenttään sekä lämmönsiirtoon. Numeerisia tuloksia analysoidaan ja selitetään fysikaalisia mekanismeja parantuneen suorituskyvyn taustalla sekä selitetään linkki geometrian, virtauskentän ja lämmönsiirron välillä. Tämän jälkeen kehitetään uusi täysin kolmiulotteinen CFD-malli tulistinalueen monimutkaisten kolmiulotteisten virtaus- ja lämmönsiirtoilmiöiden simuloimiseksi. Kaksi sarjaa täyden teollisen mittakaavan mittauksia raportoidaan ja niitä hyödynnetään simuloinnin tulosten validoimiseksi. Kolmiulotteisten tulosten lisäarvo ja uudet johtopäätökset havainnollistetaan. Tämän työn tärkeimmän lisäarvon katsotaan muodostuvan seuraavista tekijöistä. Ensisijaisesti, työ on yksi ensimmäisistä kattavista soodakattilan sisäisiä prosesseja käsittelevistä numeerisista tutkimuksista. Merkittävää uutta tietoa saadaan seuraavilta alueilta: 1) tulipesän geometrian suunnittelusta, 2) tulistinalueen geometrian suunnittelusta ja 3) palamisilmajärjestelmän suunnittelusta. Lisäksi tehdään poikkeuksellinen validointitutkimus simulointien ja kokeiden välillä tulistinalueella. Lopuksi, merkittävää uutta tietoa saadaan optimointimenetelmien käytöstä soodakattiloiden ja samankaltaisten erittäin suuren kokoluokan sovellusten kontekstissa.Description
Supervising professor
Järvinen, Mika, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Vuorinen, Ville, Asst. Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandKeywords
computational fluid dynamics, optimization, recovery boiler, surrogate modeling, combustion, heat transfer, laskennallinen virtausmekaniikka, optimointi, soodakattila, sijaismallinnus, palaminen, lämmönsiirto
Other note
Parts
- [Publication 1]: Viljami Maakala, Pasi Miikkulainen. Dimensioning a Recovery Boiler Furnace Using Mathematical Optimization. TAPPI Journal, 2015, 14(2):119-129.
- [Publication 2]: Viljami Maakala, Mika Järvinen, Ville Vuorinen. Mixing of High-Momentum-Flux Jets with a Confined Crossflow: Computational Analysis and Applications to Recovery Boiler Air Systems. Journal of Science and Technology for Forest Products and Processes, 2018, 7(3):6-15.
-
[Publication 3]: Viljami Maakala, Mika Järvinen, Ville Vuorinen. Optimizing the Heat Transfer Performance of the Recovery Boiler Superheaters Using Simulated Annealing, Surrogate Modeling, and Computational Fluid Dynamics. 2018, Energy, 160:361-377,
DOI: 10.1016/j.energy.2018.07.002 View at publisher
- [Publication 4]: Viljami Maakala, Mika Järvinen, Ville Vuorinen. Computational Fluid Dynamics Modeling and Experimental Validation of Heat Transfer and Fluid Flow in the Recovery Boiler Superheater Region. Applied Thermal Engineering, 2018, 139:222-238.