Master's Thesis

Design of pyrolysis gas combustion technology

Final Thesis 3.57 MB Appendix 1.57 MB

Author of thesis: Bc. Vojtěch Hájek

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Pavel Milčák, Ph.D.

Reviewer: Ing. Martin Lisý, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis deals with the design of combustion technology for gaseous biomass pyrolysis products (oak wood). The introductory part presents a literature review of pyrolysis gas composition, which serves as a basis for subsequent calculations. The main objective was to develop a complex computational model for the energetic utilization of pyrolysis products, excluding the solid residue (char). The first part of the work establishes a detailed stoichiometric balance for the co-combustion of liquid and gaseous products. For calculation purposes, a tar model was defined as a representative model derived from the ultimate analysis of bio-oil, allowing for an accurate determination of flue gas composition and combustion air requirements. The stoichiometry is followed by an energy balance of the combustion chamber to determine the adiabatic flame temperature and performance parameters. The final section is dedicated to the calculation of heat losses and the design of a water-cooling system for the combustion chamber. All calculations were performed using EES (Engineering Equation Solver) software. The contribution of this work lies in the developed methodology for the co-combustion of a heterogeneous mixture of pyrolysis products, which is applicable in the design of actual energy conversion units.

Keywords:

Pyrolysis, Biomass, Pyrolysis gas, Tar, Stoichiometric balance, Energy balance, Combustion chambre, EES (Engineering Equation Solver)

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student odprezentoval obsah své diplomové práce. Otázky oponenta byly zodpovězeny. V průběhu obhajoby byly položeny následující doplňující otázky. Pan Ing. Boko se ptá ohledně rychlosti vody 2 cm/s - zda by nedocházelo k nežádoucím jevům? Pan profesor Hrdlička se ptá k energetické bilanci - zda je to vzité k suchému palivu. Pyrolýzní voda. Odkud jsou vstupní hodnoty do prodílů jednotlivých složek. Otázky byly zodpovězeny. Teplotní závislost - složení pyrolýzního plynu v odpovědi. Adiobtická teplota plamene - při jakém stechiometrickém poměru je počítána. Otázky byly zodpovězena. Pan docent Baláš se ptá jaký byl celkový vstupní tok na začátku procesu. Kolik tam jde zemního plynu a kolik tam je množství vzduchu. Proč student zvolil konkrétní návrh spalovací komory. Student otázky téměř zodpověděl. Proč jste volil možné teplotní spáy 5, 10 a 25 °C? Otázka byla zodpovězena. Proč dochází ke změně složení při zvýšení teploty? Proč je tam více vodíku a méně CO2? Otázka nebyla zodpovězena. Kondenzovatelné uhlovodíky - za jakých podmínek jsou uhlovodíky kondenzovatelné? Student odpověděl že jde o rostou teplotu, jež nezná.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Energy Institute

Study programme

Power and Thermo-fluid Engineering (N-ETI-P)

Specialization

Power Engineering (ENI)

Composition of Committee

doc. Ing. Marek Baláš, Ph.D. (předseda)
Ing. Pavel Milčák, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Alojz Boko (člen)
Ing. Pavel Křemínský (člen)
prof. Ing. Jan Hrdlička, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Pavel Milčák, Ph.D.

Předložená diplomová práce je zaměřena na návrh technologie spalování pyrolýzního plynu. Práce je rozdělena do pěti kapitol, které na sebe logicky navazují. Celkový koncept práce je velmi komplexní, od rešerše dostupné literatury až po kompexní popis rozkladu biomasy a produktů pyrolýzy. Na to navazuje stechiometrie spalování směsi pyrolýzního plynu a oleje včetně stabilizace zemním plynem. Tento podklad poté slouží k návrhu vlastní spalovací komory. Návrhová a výpočtová část práce je zpracována na velmi dobré odborné úrovni a svědčí o výborné orientaci studenta v dané problematice. Student pracoval velmi samostaně a během zpracování práce si osvojil souvislosti, důležité při návrhu energetických zařízení. Předloženou práci doporučuji k obhajobě a hodnotím známkou výborně/A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Martin Lisý, Ph.D.

Předložená práce se zabývá spalováním pyrolýzního plynu a návrhem spalovací komory pro tento plyn. Zadání práce obsahuje čtyři konkrétní cíle: rešerši složení pyrolýzních plynů, stechiometrické výpočty, bilanční schema komory a návrh variantního chlazení. Práce je velmi rozsáhlá a značně překračuje požadovaný rozsah. Přitom první kapitola se svým obsahem míjí s cíli práce a mohla být výrazně stručnější. Rešeršní část v kap. 1 mluví o biomase, nicméně některá tvrzení platí pouze pro dřevní biomasu, např. o obsahu dusíku v palivu. Také se v rešeršní části objevují nepřesná vyjádření, např. že "palivo se skládá z vlhkosti, popele a.....". Nejslabší stránkou práce je její zpracování. Text obsahuje větší množství překlepů, pravopisných chyb. Velmi nepřehledné je indexování veličin, které navíc obsahuje občasné chyby např. rovnice 3.39 a 3.43. Celkově je výpočet místy nepřehledný a některé kroky jsou vysvětleny nejasně. Některé hodnoty nejsou dopočítány, pouze uvedeny, i když by bylo možné je zpracovat pomocí jedné či dvou rovnic. Kontrola výpočtu je pak složitější. V práci také chybí detailnější popis, pro jaké palivo a pro jakou konkrétní aplikaci je komora uvažována, což by mělo např. vliv na použité palivo či způsob chlazení, nebo se jedná o obecný návrh bez konkrétního určení. Také u stechiometrického výpočtu je zavádějící uvádění jednotek vztažených na kg paliva, ačkoliv je stechiometrický výpočet vztažen na kg paliva uváděného do pyrolyzéru, nikoliv do spalovací komory. Také toto by bylo vhodné více a přehledněji okomentovat a uvést. V závěrečné části by bylo vhodné uvést detailnější porovnání obou variant chlazení a více vlastního zhodnocení, kterou variantu by student doporučil pro určité potenciální aplikace. 

Po obsahové stránce nicméně práce nebsahuje závažné chyby a nedostatky. Práce splnila cíle a zadání, splňuje veškeré zákonné požadavky a práci doporučuji k obhajobě. 
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Na základě čeho byly zvoleny průtoky sekundárního a terciárního chladícího vzduchu? Nebylo by vhodnější zvolit požadovanou teplotu ochlazení a dopočítat množství potřebného chladícího vzduchu?
  2. V práci píšete, že je obtížné stanovit složení pyrolýzního plynu pro stechiometrický výpočet? Jak moc je stechiometrický výpočet citlivý na změnu složení plynu?
  3. Proč nebyly při bilančních výpočtech nebo při stanovení teploty nechlazeného plamene uvažovány žádné ztráty a účinnosti? Je stanovené hodnota teoretická teplota spalování nebo teplota nechlazeného plamene?
  4. Jaký způsob chlazení komory byste tedy doporučil?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová