Temperature control of a biomass gasifier

Abstract

In recent history, the growing environmental crisis and the unsustainable overuse of fossil fuels have become a catalyst for the development of environmentally friendly or carbon neutron energy sources. Such fact lead to the reemergence of gasification in the research and development community. This technology was prominent during World War II due to the unavailability of oil existent at that time, mostly using coal as fuel. With the end of the war, so came the end of its development. Initially, the literature will be reviewed in order to assess the instrumentation technologies needed to measure the gasification process’ operational parameters, and thus, allow its monitoring and control. In order to facilitate the analysis of the data from the developed instrumentation system, a visualization tool was developed. The literature was then reviewed again in order to find the most suitable model topology for the gasification process. This revealed neural networks as the most reliable model architecture for such endeavor. A gasification model was then devised using experimental data present in the literature. The devised model was then used to establish a simulation and controller design environment. This enabled the development of Model Predictive Controller to control the temperature inside the gasifier. The devised model showed great potential as a prediction model, in spite of the deterioration presented when used as a simulator. The developed controller was able to stabilize the model generated output for all tested set-points. The develop work constitutes a solid ground for future work.

O desenfreado crescimento da crise ambiental e uso insustentável de combustíveis fósseis vivido nas últimas décadas tem vindo a tornar-se num catalisador na busca de soluções carbonicamente neutras de produção de energia. Este facto levou ao ressurgimento dos processos de gasificação, principalmente de biomassa, como um tema na comunidade de pesquisa e desenvolvimento. Esta tecnologia foi predominante durante a segunda guerra mundial, período no qual a dificuldade de obtenção de petróleo levou acréscimo da sua necessidade, sendo carvão o combustível utilizado. Com o fim da guerra, veio também o fim do seu desenvolvimento. Inicialmente, será realizada uma revisão de literatura que culminará na escolha dos instrumentos de medição e atuação necessários para proceder à monitorização e controlo dos parâmetros operacionais do processo de gasificação. De modo a facilitar a analise dos dados presentes nestes sensores foi desenvolvida uma aplicação de visualização de informação. Findada esta etapa procedeu-se a uma nova revisão da literatura focada na procura de um modelo para o processo de gasificação. Esta revisão revelou as redes neuronais como sendo a melhor topologia para descrever o processo. Utilizando dados disponíveis na literatura procedeu-se à identificação do sistema em causa. O modelo desenvolvido foi utilizado para estabelecer um ambiente de simulação e desenho de controladores e assim, desenvolver um controlador preditivo baseado em modelo para controlar a temperatura dentro do gasificador. O modelo desenvolvido apresenta um grande potencial como modelo de predição, apesar da deterioração do seu desempenho quando usado como simulador. O controlador desenvolvido foi capaz de estabilizar a saída gerada pelo modelo de simulação para todos os set-points testados. O trabalho desenvolvido constitui uma base de trabalho bastante completa que deverá facilitar desenvolvimentos futuros.