Numerical analysis of pulverized biomass combustion in entrained flow

Biomass is one of the most interesting renewable energy resource. Due to current environmental policies, one of the most attractive opportunity is the co-firing of biomass with coal in pulverized large scale boilers. Computational Fluid Dynamics (CFD) is actually a reliable option for industrial R&D. Therefore, CFD modeling of biomass combustion is still an ongoing challenge. The present work is the result of an activity started with an internship with Bioenergy 2020+ of Graz (AT) on CFD modeling of biomass pulverized particles in entrained flow. The original objective was the validation of a new CFD model for the combustion of thermally thick particles in a pulverized swirl burner. A former study carried out with standard models of the commercial software Ansys® Fluent®, pointed out the need of further investigation about the uncertainties found before applying the new model. Therefore additional studies were performed. The first one was the CFD modeling of an isothermal coaxial confined swirl jet to assess the RANS two equations turbulence models capabilities. The second was the CFD modeling of a pulverized biomass axial burner characterized by a simpler flow dynamics. The results provided by this investigation gave useful information for the discussion of the first case study results.

La biomassa è una delle più interessanti risorse di energia rinnovabile. In particolare, in virtù delle attuali politiche ambientali, la co-combustione di biomassa e carbone in impianti di grande scala è una delle prospettive più interessanti per il suo impiego. La fluidodinamica computazionale (CFD) è uno strumento importante nella ricerca in ambito industriale e la modellazione CFD della combustione della biomassa è ancora oggetto di studio. Questo lavoro è il risultato di una attività iniziata durante un tirocinio svolto presso Bioenergy2020+ di Graz (AT) inerente alla modellazione del processo di combustione per particelle di biomassa solide trasportate in sospensione da corrente gassosa in un combustore con swirl. L’obiettivo iniziale del lavoro doveva essere la validazione di un nuovo modello di combustione per particelle di tipo thermally thick (dove il gradiente termico non è trascurabile). Tuttavia lo studio iniziale svolto utilizzando modelli standard implementati in Ansys® Fluent® ha mostrato la necessità di svolgere una ulteriore indagine, necessaria per sciogliere alcuni dubbi emersi, prima di poter procedere all’applicazione del nuovo modello. Sono quindi stati svolti due ulteriori studi che sono diventati il nuovo obiettivo del presente lavoro, lasciando la validazione del nuovo modello per eventuali sviluppi futuri. Il primo consiste nella modellazione CFD di un getto coassiale confinato con swirl per valutare le prestazioni dei modelli di turbolenza RANS a due equazioni. Il secondo studio invece affronta nuovamente la modellazione CFD di un combustore a biomassa polverizzata, questa volta caratterizzato da un campo di moto relativamente semplice. I risultati ottenuti da tali studi hanno dato informazioni utili per la comprensione delle problematiche emerse in precedenza.