Enabling optimum Grate fired woody biomass and waste to energy plant operation through Computational Fluid Dynamics

Biomasse- og avfallsforbrenningsanlegg i Norge må tilpasse seg strengere utslippskrav og/eller lavere profittmarginer, og EU har implementert en ytterligere reduksjon i tillatte utslipp fra medium skala forbrenningsanlegg. Lavere profittmarginer betyr at dårligere/billigere brenselskvaliteter blir mer interessante, samt optimalisering av anleggsdrift med hensyn til virknings- og utnyttelsesgrad. NOx, partikkel og CO utslipp er spesielt viktige, i tillegg til driftsutfordringer knyttet til partikler som legger seg på varmevekslerflater. Hoveddelen av biomasse- og avfallsforbrenningsanleggene i Norge er ristfyrte anlegg, og selv om ulike rist typer har blitt utviklet, sliter de med variasjoner i både brenselskvalitet og driftsbetingelser, som resulterer ikke-optimale driftsbetingelser. Den mest kostnadseffektive måten å løse dette på, inkludert de økte utslippene, er ved hjelp av primærtiltak. Computational Fluid Dynamics (CFD) er det ultimate designverktøyet for forbrennings- og varmeoverføringsseksjonene i biomasse- og avfallsforbrenningsanlegg, men kostnadseffektive sub-modeller må utvikles, implementeres og brukes på en optimal måte. I tillegg, CFD simuleringene må kjøres for transiente forhold, for å studere effekten av endringer i operasjonsbetingelsene, og minimere effekten av disse gjennom forbedret anleggsdrift og forbedrede operasjonsretningslinjer. GrateCFD vil derfor fokusere på operasjonell optimalisering av ristfyrte biomasse- og avfallsforbrenningsanlegg via CFD støttede retningslinjer for optimal design og drift av anlegg. Forbedrede modeller og modelleringstilnærmelser, sammen med målrettede forsøks- og målekampanjer, er nøkkelelementer i fremtidens bærekraftige biomasse- og avfallsforbrenningsanlegg. Dette vil ha en betydelig effekt på to av de viktigste fornybare verdikjedene i Norge i dag, forbrenning av biomasse og avfall. I 2017 var arbeidet hovedsakelig fokusert på modellutvikling, etablering av CFD verktøypakken, og forberedelser til eksperimentell validering av modeller og CFD simuleringer. I 2018 fortsatte arbeidet med modellutvikling og etablering av CFD verktøypakken, inkludert eksperimentell aktivitet for validering, både i laboratoriet og i et fullskala biomasse forbrenningsanlegg. I siste halvdel av 2018 var det spesiell fokus på ferdigstilling av bedmodellen for håndtering av konverteringen av brenselet på rista samt base case (transient og stasjonært). Bedmodellen inngår i base case, og det er kjørt en rekke forsøk i en laboratoriereaktor for base case validering. For validering og for input til simuleringer på fullskala anlegg var det i 2018 en forsøkskampanje på et ristfyrt Statkraft bioenergi anlegg, og i 2019 blir det forsøkskampanje på et avfallsforbrenningsanlegg. NOx reduksjon er et viktig tema i GrateCFD, og flere studier knyttet til NOx er utført eller pågår, hvor et av målene var å komme frem til en redusert kinetikk mekanisme som inkluderer NOx, som kan benyttes i CFD simuleringer. Mekanismen er ferdig og ble publisert i 2019. I GrateCFD er simuleringer av fullskala anlegg viktig, og tre anlegg er valgt og anleggsdata og tegninger er innhentet for å sette opp simuleringscasene geometrisk, inkludert lufttilførsel system under rista og selve rista, hvoretter de ulike modellene som er utviklet skal benyttes i ulike simuleringer i prosjektets siste år. Initielle simuleringer er foretatt i 2019, som grunnlag for valg av videre detaljerte simuleringer. I juni 2019 var det forsøkskampanje på Vattenfall sitt WtE anlegg i Uppsala. Videre i 2019 har fokus vært på validering og ferdigstilling av modeller og simuleringsverktøy, som i 2020 skal benyttes til simulering av anlegg. Simuleringer ved bruk CFD verktøypakken var i fokus i 2020, representative for opp til fullskala avfallsforbrenningsanlegg. I parallell pågikk arbeid med simuleringer ved bruk av stokastiske reaktorer for både brenselet på rista og gassfasen over rista. Disse to simuleringstilnærmingene er begge potensielt kraftfulle pakker for simulering av ristfyrte forbrenningsanlegg. Det ultimate målet er å studere konseptforbedringer ved bruk av disse simuleringsverktøyene. Prosjektperioden ble utvidet med et halvt år, til juni 2021. I denne avslutningsfasen har fokus vært på simuleringer, og ferdigstilling av leveranser. PhD kandidaten forsvarte sin avhandling i juni.

GrateCFD hadde som hovedmål å utvikle regnebaserte verktøy og anbefalinger for optimal operasjon av ristfyrte forbrenningsanlegg for biomasse og avfall. Et betydelig antall publikasjoner har resultert fra prosjektet, til nytte for aktører også utover prosjektkonsortiet. Verktøy har blitt utviklet, som muliggjør målrettede simuleringer av ristfyrte biomasse og avfall forbrenningsanlegg. Bruken av verktøyet og simuleringsresultater er den største nytteverdien for næringslivet. Utdanningsaktiviteten i prosjektet gir nytteverdi for forskningsfeltet, næringslivet og samfunnet for øvrig. Betydelig kompetansebygging har resultert fra prosjektet, samt at regnebaserte verktøy har blitt utviklet. Dette øker kompetansen og hjelpemidlene hos forskningspartnerne og dermed mulighetene for å kunne bistå næringslivet i videre innovasjonsprosjekter.

Biomass to energy (BtE) and waste to energy (WtE) plants in Norway need to comply with stricter emission limits and/or adjust to tighter profit margins, and EU have implemented a further reduction of emission limits from medium (scale) combustion plants. Tighter profit margins mean that poorer/cheaper fuel qualities become interesting, as well as operational optimization with respect to efficiency and capacity maximization. NOx, particulate and CO emissions are special concerns, as well as the operational challenges following particle deposition on heat transfer surfaces. The majority of the operational BtE and WtE plants in Norway are grate fired plants, and even though different grate technologies have been developed, they suffer from both variations in fuel quality and changing operating conditions, resulting in non-optimum operating conditions. The most cost-effective measure to abate the resulting operational challenges, including increased emission levels, are with primary measures. Computational Fluid Dynamics (CFD) is the ultimate design tool for BtE and WtE plant combustion and heat transfer sections, however, cost-effective sub-models need to be developed, implemented and used in an optimum way. Moreover, the CFD simulations need to be carried out for transient conditions, to study the effect of changing operating conditions, and minimize the impact of these through improved plant operation and operational guidelines. The proposed project therefore focuses on enabling optimum grate fired BtE and WtE plant operation through CFD aided design and operational guidelines. Improved models and modelling approaches, in combination with targeted experiments/measurement campaigns, are keys for future's increased sustainable BtE and WtE plants. This will have a significant impact on two of the most important renewable value chains in Norway today, the BtE and WtE value chains.