Radiative Heat Transfer in Suspension-Fired Systems
Doktorsavhandling, 2019

Radiation is the dominating heat transfer mechanism in most furnaces, and the radiative properties of combustion products represent important aspects regarding its suitability as a heat source. However, fuel and energy markets are undergoing rapid changes due to increasing concerns related to the security of supply and increased global warming. Industrial processes that have traditionally relied on a specific fuel must increase their flexibility in terms of their energy supply. Therefore, an increased understanding and improved modeling capacity of radiative heat transfer are required to facilitate a more rapid evaluation and implementation of novel fuels in large furnaces that have reduced emissions and sustained efficiency. For such studies, digital twins of processes may be a useful and economical alternative.

This PhD thesis on radiative heat transfer focuses on: (i) the application to one industrial process, i.e., rotary kilns for heat treatment of iron ore pellets; and (ii) radiative heat transfer from soot particles in various propane flames. In-flame measurements of the combustion conditions, radiative intensities and radiative heat fluxes were performed during several measurement campaigns with different burners, furnace geometries and fuels, including gaseous, coal, and co-firing fuels. The radiative heat transfer was modeled using a discrete transfer model and a 3D-modeling tool that applies a discrete ordinates method, with the latter being developed within this thesis.

The 3D-modeling tool was used to study the heat transfer conditions within the rotary kiln, as well as the heat treatment of the bed material, and a first attempt to validate the model in relation to actual measurements was made. Radiation was shown to account for more than 80% of the total heat transferred to the bed material, and the flame radiation was dominated by the particles present. Nevertheless, the possibility of using co-firing, including up to 30% biomass, was found to be feasible, and was not expected to have any significant impact on the radiative heat transfer within the process.

The soot volume fraction and the radiative properties of soot particles were measured following gas extraction and using a laser-induced incandescence system for the various propane flames, while altering the combustion conditions and oxidizer composition. The modeled radiative intensities of the flames correspond well with the measured values, indicating that the soot volume fraction was accurately measured by either technique. Furthermore, very high soot volume fractions were observed when there were high concentrations of oxygen in the oxidizer, revealing the potential for promoting the radiative heat transfer in such furnaces.

co-firing

rotary kiln

combustion

Radiative heat transfer

soot volume fraction

Sal HB1, Hörsalsvägen 8
Opponent: Prof. Richard Axelbaum, Department of Energy, Environmental & Chemical Engineering, Washington University of Saint Louis, USA

Författare

Adrian Gunnarsson

Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Energiteknik

Radiative Heat Transfer Conditions in a Rotary Kiln Test Furnace Using Coal, Biomass, and Cofiring Burners

Energy & Fuels,; Vol. 31(2017)p. 7482-7492

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Gunnarsson, A, Andersson, K, Adams, B. R, Fredriksson, C, Modelling the Radiative Heat Transfer in a Pilot-Scale Rotary Kiln Using a Discrete Ordinates Method

Gunnarsson, A, Andersson, K, Adams, B. R, Fredriksson, C, Full-Scale 3D-Modelling of the Radiative Heat Transfer in Rotary Kilns with a Present Bed Material

Radiative Heat Transfer Modeling and in Situ Diagnostics of Soot in an 80 kWth Propane Flame with Varying Feed-Gas Oxygen Concentration

Industrial & Engineering Chemistry Research,; Vol. 57(2018)p. 12288-12295

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Measurement of the size distribution, volume fraction and optical properties of soot in an 80kW propane flame

Combustion and Flame,; Vol. 186(2017)p. 325-334

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Förbränning av fossila bränslen är ett vanligt och effektivt sätt att generera den värme och energi som krävs av olika processer, allt från fordonstransport och uppvärmning av bostäder till industriella processer och elproduktion. Men förbränningen av dessa bränslen innebär utsläpp av växthusgaser, med en ökande global uppvärmning som följd. För att minska dessa utsläpp behövs det snabba förändringar inom bränsle- och energimarknaderna, där industriella processer som tidigare förlitat sig på användningen av ett specifikt bränsle kommer behöva bli mer bränsleflexibla.

För att möjliggöra en implementering av nya bränslen är det nödvändigt att studera och förstå hur värme överförs genom konvektion, ledning och strålning i industriella förbränningsprocesser. Vid de höga temperaturerna som råder vid flamförbränning domineras värmeöverföringen av strålning, som i vissa processer utgör upp till 90% av den totala värmeöverföringen. Strålningsegenskaperna inuti en ugn är emellertid komplexa och beror på närvarande gaser och partiklar som emitterar, absorberar och sprider strålningen.  För att underlätta en snabbare utvärdering och övergång till mer hållbara bränslealternativ som ger lägre utsläpp men fortsatt hög effektivitet, krävs därför en ökad förståelse och förbättrad modelleringskapacitet av värmestrålning i stora ugnar.

Denna doktorsavhandling på värmeöverföring via strålning fokuserar på: (i) en industriell process, nämligen roterugnar för värmebehandling av järnmalmspellets; och (ii) värmestrålning från sotpartiklar i olika propanflammor. Experimentella flammätningar i flera olika flammor och ugnar har genomförts och värmestrålningen har modellerats i tvärsnittet av, eller axiellt längs med, ugnarna genom att använda två olika modeller. Avhandlingen visar bland annat på möjligheterna till sameldning i roterugnsprocessen och ett möjligt sätt att öka värmeöverföringen via strålning tidigt i en ugn med en propanflamma.

Reduktion av CO2-utsläpp från LKABs roterugnsprocess - en studie av effekten av alternativa bränslen

Energimyndigheten, 2013-05-01 -- 2016-04-30.

LKAB, 2013-05-01 -- 2016-04-30.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Energiteknik

Kemiska processer

Styrkeområden

Energi

Infrastruktur

Chalmers kraftcentral

ISBN

978-91-7905-142-6

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4609

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Sal HB1, Hörsalsvägen 8

Opponent: Prof. Richard Axelbaum, Department of Energy, Environmental & Chemical Engineering, Washington University of Saint Louis, USA

Mer information

Senast uppdaterat

2019-08-09