Abstract Increasing environmental and economic awareness are driving the development of combustion technologies to efficient biomass use and clean burning. To accomplish these goals, quantitative information about combustion variables is needed. However, for small-scale combustion units the existing monitoring methods are often expensive or complex. This study aimed to quantify correlations between flue gas temperatures and combustion variables, namely typical emission components, heat output, and efficiency. For this, data acquired from four small-scale combustion units and a large circulating fluidised bed boiler was studied. The fuel range varied from wood logs, wood chips, and wood pellets to biomass residue. Original signals and a defined set of their mathematical transformations were applied to data analysis. In order to evaluate the strength of the correlations, a multivariate distance measure based on information theory was derived. The analysis further assessed time-varying signal correlations and relative time delays. Ranking of the analysis results was based on the distance measure. The uniformity of the correlations in the different data sets was studied by comparing the 10-quantiles of the measured signal. The method was validated with two benchmark data sets. The flue gas temperatures and the combustion variables measured carried similar information. The strongest correlations were mainly linear with the transformed signal combinations and explicable by the combustion theory. Remarkably, the results showed uniformity of the correlations across the data sets with several signal transformations. This was also indicated by simulations using a linear model with constant structure to monitor carbon dioxide in flue gas. Acceptable performance was observed according to three validation criteria used to quantify modelling error in each data set. In general, the findings demonstrate that the presented signal transformations enable real-time approximation of the studied combustion variables. The potentiality of flue gas temperatures to monitor the quality and efficiency of combustion allows development toward cost effective control systems. Moreover, the uniformity of the presented signal correlations could enable straightforward copies of such systems. This would cumulatively impact the reduction of emissions and fuel consumption in small-scale biomass combustion. / Tiivistelmä Kasvava ympäristö- ja kustannustietoisuus ohjaa polttoteknologioiden kehitystä yhä tehokkaampaan biomassan hyödyntämiseen ja puhtaampaan palamiseen. Näiden tavoitteiden saavuttamiseen tarvitaan mittaustietoa palamismuuttujista. Nykyiset palamisen seurantaan tarkoitetut ratkaisut ovat kuitenkin pienpolttolaitteita ajatellen usein kalliita tai monimutkaisia. Tässä työssä tutkittiin mitattujen savukaasun lämpötilojen riippuvuussuhdetta tyypillisiin kaasukomponentteihin, lämpötehoon ja tehokkuuteen. Tätä varten analysoitiin mittausaineistot neljästä erityyppisestä pienpolttolaitteesta ja suuresta kiertoleijupeti-kattilasta. Puupolttoaineina olivat klapi, hake, pelletti ja hakkuujäte. Analyysi tehtiin alkuperäisillä mittaussignaaleilla ja niistä matemaattisesti muunnetuilla signaaleilla. Riippuvuussuhteiden selvittämiseksi johdettiin informaatioteoriaan perustuva monimuuttuja-etäisyysmitta, jonka lukuarvolla mitataan signaalien samankaltaisuutta. Esitetty analyysimenetelmä sisälsi myös riippuvuuksien ajallisen muutoksen ja suhteellisten aikaviiveiden arvioinnin. Tulosten arvojärjestys perustui etäisyysmitan arvoon. Riippuvuussuhteiden samankaltaisuutta mittausaineistojen välillä vertailtiin 10-kvantiileilla. Analyysimenetelmän toimivuus vahvistettiin kahdella tunnetulla koeaineistolla. Savukaasun lämpötilojen ja palamismuuttujien mittaussignaaleissa oli samankaltainen informaatiosisältö. Vahvimmat riippuvuudet olivat muunnettujen signaalien yhdistelmillä pääosin lineaarisia ja palamisteorian mukaisia. Merkittävää oli, että tietyillä signaalimuunnos- ja palamismuuttujapareilla oli sama riippuvuussuhde kaikissa mittausaineistossa. Tämä todettiin myös simuloinneilla arvioitaessa savukaasujen hiilidioksidipitoisuutta lineaarisella, kiinteällä mallirakenteella. Mallin tarkkuus oli riittävä kolmella erityyppisellä kriteerillä jokaisessa mittausaineistossa. Tulosten perusteella signaalimuunnoksilla voidaan arvioida palamismuuttujia reaaliaikaisesti. Savukaasujen lämpötilojen potentiaali palamisen laadun ja tehokkuuden seurannassa mahdollistaa kustannustehokkaiden säätöratkaisujen kehityksen. Löydettyjä yleistettäviä riippuvuussuhteita hyödyntämällä niiden käyttöönotto lukuisissa polttolaitteissa helpottuisi. Pienpolton päästöjen ja polttoaineen kulutuksen vähentyminen olisi tällöin kumulatiivista.

Abstract The blast furnace process is the most common way throughout the world to produce pig iron. The primary fuel and reducing agent in a blast furnace is coke. Coke is a fossil fuel and the most expensive raw material in iron production. Blast furnace ironmaking is an energy-intensive process, which results in high energy costs. Auxiliary fuels are injected into the blast furnace to replace expensive coke. They provide energy for the blast furnace operation and act as a source of reduction agents for iron oxides. Coke replacement with high auxiliary fuel injection levels leads to permeability changes in a blast furnace shaft, because of the increased amount of unburnt coal. In this thesis, fuel injection with two different auxiliary fuels, heavy oil and pulverized coal, was studied using computational fluid dynamics (CFD) modeling. The aim was to improve the combustion of auxiliary fuels by increasing the understanding of the phenomena in the blast furnace tuyere-raceway area. The atomization model for modeling the heavy oil combustion was selected and validated using the results of an experimental rig from the literature. The atomization model was applied to study the effect of different nozzles on heavy oil mixing with the air blast. In addition, the model was used to study the effect of lance position on the combustion efficiency of heavy oil. A pulverized coal combustion model was developed and validated with experimental data from the literature. Pulverized coal combustion was modeled with different lance positions to evaluate its effect on combustion efficiency. Based on the results, heavy oil mixing in the air blast can to a great extent, be boosted by the nozzle design. Furthermore, the heavy oil combustion is more efficient when the lance position is farthest from the tuyere nose. But the increasing temperature inside the tuyere causes ablation of the tuyere walls, which creates a constraint for the lance position. The results from the pulverized coal combustion study show that the model works well for the tuyere-raceway area. In addition, the effect of lance position on the combustion efficiency of the pulverized coal is very small, and the lance should be positioned as close to the tuyere nose as possible to avoid fouling of the tuyere walls and the ignition inside the tuyere. / Tiivistelmä Suurin osa maailman raakaraudasta valmistetaan masuuniprosessilla. Masuunin ensisijainen polttoaine ja rautaoksidien pelkistin on koksi. Koksi on fossiilinen polttoaine ja kallein raaka-aine masuunissa. Raudanvalmistus on erittäin energiaintensiivistä, joten valmistuksen energiakustannukset ovat korkeat. Lisäpolttoaineinjektiota käytetään masuunissa korvaamaan osa koksista sekä energian tuottajana että pelkistimenä. Injektiomäärät pyritään kasvattamaan mahdollisimman suuriksi, mutta injektiomäärien kasvaessa palamattoman kiinteän polttoaineen määrä kasvaa ja koksipatjan kaasunläpäisevyys heikkenee. Väitöskirjatutkimuksessa luotiin virtauslaskentamalli hormin ja palo-onkalon alueelle kahta lisäpolttoainetta (raskas polttoöljy, kivihiilipöly) varten. Sen avulla tutkittiin palamista hormin ja palo-onkalon alueella tavoitteena lisätä tietoa palamista rajoittavista tekijöistä. Pisaroitumismalli valittiin ja validoitiin kirjallisuusdatan perusteella raskaan polttoöljyn toimiessa lisäpolttoaineena. Mallia käytettiin tutkittaessa erilaisia suuttimia palamisilman ja polttoaineen sekoittumisen tehostamiseen. Lisäksi sitä käytettiin mallinnettaessa lanssin sijainnin vaikutusta raskaan polttoöljyn palamistehokkuuteen. Kivihiilipölylle luotiin palamismalli, joka validoitiin olemassa olevan kokeellisen datan perusteella. Tätä mallia hyödynnettiin tutkittaessa kaksoislanssin sijainnin vaikutusta palamistehokkuuteen. Tulosten perusteella voidaan todeta, että öljylanssin suuttimella on suuri vaikutus palamisilman ja polttoaineen sekoittumiseen. Lisäksi voidaan päätellä, että raskaan polttoöljyn palaminen tehostuu siirrettäessä lanssia syvemmälle hormiin, mutta syttyminen tapahtuu liian aikaisin ja kasvava lämpötila voi sulattaa hormin seinämät. Tämä aiheuttaa rajoituksen lanssin sijainnille hormissa. Kivihiilipölyn palamisen mallin todettiin toimivan erittäin hyvin hormin ja palo-onkalon alueilla. Tämän ohella havaittiin, että lanssin sijainnilla oli hyvin pieni vaikutus palamisasteeseen, jolloin lanssi kannattaa sijoittaa mahdollisimman lähelle hormin suuta, jotta vältetään hormiin kohdistuva ylimääräinen lämpökuorma ja hormin likaantuminen.