Limestone Reactions in a Fluidized Bed Heat Exchanger of an Oxy-fuel Circulating Fluidized Bed Boiler

Oxy-fuel combustion in a circulating fluidized bed (CFB) boiler appears to be a promising option for capturing CO2 in power plants. Oxy-fuel combustion is based on burning of fuel in the mixture of oxygen and re-circulated flue gas instead of air. Limestone (CaCO3) is typically used for capturing of SO2 in CFB boilers where limestone calcines to calcium oxide (CaO). Because of high CO2 concentration in oxy-fuel combustion, calcination reaction may be hindered or carbonation, the reverse reaction of calcination, may occur. Carbonation of CaO particles can cause problems especially in the circulation loop of a CFB boiler where temperature level is lower than in the furnace. The aim of the thesis was to examine carbonation of CaO in a fluidized bed heat exchanger of a CFB boiler featuring oxy-fuel combustion. The calculations and analyzing were based on measurement data from an oxy-fuel pilot plant and on 0-dimensional (0D) gas balance of a fluidized bed heat exchanger. Additionally, the objective was to develop a 1-dimensional (1D) model of a fluidized bed heat exchanger by searching a suitable pre-exponential factor for a carbonation rate constant. On the basis of gas measurement data and the 0D gas balance, it was found that the amount of fluidization gas decreased as it flew through the fluidized bed heat exchanger. Most likely the reason for this was carbonation of CaO. It was discovered that temperature has a promoting effect on the reaction rate of carbonation. With the 1D model, a suitable pre-exponential factor for the equation of carbonation rate constant was found. However, during measurements there were several uncertainties, and in the calculations plenty of assumptions were made. Besides, the temperature level in the fluidized bed heat exchanger was relatively low during the measurements. Carbonation should be considered when fluidized bed heat exchangers and the capacity of related fans are designed for a CFB boiler with oxy-fuel combustion.

Modeling study of limestone reactions in fluidized bed conditions

Traditionally limestone has been used for the flue gas desulfurization in fluidized bed combustion. Recently, several studies have been carried out to examine the use of limestone in applications which enable the removal of carbon dioxide from the combustion gases, such as calcium looping technology and oxy-fuel combustion. In these processes interlinked limestone reactions occur but the reaction mechanisms and kinetics are not yet fully understood. To examine these phenomena, analytical and numerical models have been created. In this work, the limestone reactions were studied with aid of one-dimensional numerical particle model. The model describes a single limestone particle in the process as a function of time, the progress of the reactions and the mass and energy transfer in the particle. The model-based results were compared with experimental laboratory scale BFB results. It was observed that by increasing the temperature from 850 °C to 950 °C the calcination was enhanced but the sulfate conversion was no more improved. A higher sulfur dioxide concentration accelerated the sulfation reaction and based on the modeling, the sulfation is first order with respect to SO2. The reaction order of O2 seems to become zero at high oxygen concentrations.

Biomassan happipoltto leijukattilassa

Kandidaatintyössä tarkastellaan biomassan happipolttoa leijukerroskattilassa. Happipolttoisia laitoksia ei vielä suuressa mittakaavassa ole. Työssä mietitään, miten biomassan happipoltosta tulisi kannattavaa. Tutkielmassa tuodaan esille biomassaan, happipolttoon ja leijukerrostekniikkaan liittyviä ongelmia ja mahdollisuuksia yhdessä ja erikseen. Uusissa teknologioissa investointien suuruus ja muut kustannukset ovat tärkeässä roolissa. Työssä otetaan esille eri skenaarioita happipolton tulevaisuudesta päästöoikeuden hinnan noustessa ja haasteita liittyen kivihiilen nykyiseen hyvään kilpailukykyyn verrattuna biomassaan.

Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö

Hiilidioksidilla on merkittävä vaikutus ilmastoon ja suurin osa ihmisten käyttämästä energiasta perustuu hiilipohjaisiin polttoaineisiin. Energiantuotannossa talteenotetun hiilidioksidin hyötykäyttö tarjoaa erinomaisen mahdollisuuden ilmastonmuutoksen vai-kutusten vähentämiseen vaikuttamatta kuitenkaan merkittävästi käytettyihin energialäh-teisiin. CO2:n talteenottotekniikat voidaan jakaa neljään periaatteeltaan erilaiseen tyyppiin: pol-ton jälkeiseen talteenottoon, ennen polttoa tapahtuvaan talteenottoon, happipolttoon ja kemialliseen kiertoon perustuvaan palamiseen. Polton jälkeinen ja ennen polttoa tapah-tuva talteenotto edustavat eniten tutkittua ja käytettyä tekniikkaa. Hyötykäyttökohteita CO2:lla on useita, joista nykyiset merkittävimmät ovat öljyn tuo-tannon tehostus ja elintarviketeollisuus. Tulevaisuudessa merkittäviä käyttökohteita tulee todennäköisesti olemaan uusiutuvan energian varastointi synteettiseen metaa-niin/metanoliin, kemian-, paperi- ja selluteollisuuden prosessit ja vedenkäsittely.

Integrated energy storage tank for large scale power-to-gas applications

The global interest towards renewable energy production such as wind and solar energy is increasing, which in turn calls for new energy storage concepts due to the larger share of intermittent energy production. Power-to-gas solutions can be utilized to convert surplus electricity to chemical energy which can be stored for extended periods of time. The energy storage concept explored in this thesis is an integrated energy storage tank connected to an oxy-fuel combustion plant. Using this approach, flue gases from the plant could be fed directly into the storage tank and later converted into synthetic natural gas by utilizing electrolysis-methanation route. This work utilizes computational fluid dynamics to model the desublimation of carbon dioxide inside a storage tank containing cryogenic liquid, such as liquefied natural gas. Numerical modelling enables the evaluation of the transient flow patterns caused by the desublimation, as well as general fluid behaviour inside the tank. Based on simulations the stability of the cryogenic storage and the magnitude of the key parameters can be evaluated.

Theoretical Analysis and Numerical Simulation of Spectral Radiative Properties of Combustion Gases in Oxy/Air-Fired Combustion Systems

Energy efficiency is one of the major objectives which should be achieved in order to implement the limited energy resources of the world in a sustainable way. Since radiative heat transfer is the dominant heat transfer mechanism in most of fossil fuel combustion systems, more accurate insight and models may cause improvement in the energy efficiency of the new designed combustion systems. The radiative properties of combustion gases are highly wavelength dependent. Better models for calculating the radiative properties of combustion gases are highly required in the modeling of large scale industrial combustion systems. With detailed knowledge of spectral radiative properties of gases, the modeling of combustion processes in the different applications can be more accurate. In order to propose a new method for effective non gray modeling of radiative heat transfer in combustion systems, different models for the spectral properties of gases including SNBM, EWBM, and WSGGM have been studied in this research. Using this detailed analysis of different approaches, the thesis presents new methods for gray and non gray radiative heat transfer modeling in homogeneous and inhomogeneous H2O–CO2 mixtures at atmospheric pressure. The proposed method is able to support the modeling of a wide range of combustion systems including the oxy-fired combustion scenario. The new methods are based on implementing some pre-obtained correlations for the total emissivity and band absorption coefficient of H2O–CO2 mixtures in different temperatures, gas compositions, and optical path lengths. They can be easily used within any commercial CFD software for radiative heat transfer modeling resulting in more accurate, simple, and fast calculations. The new methods were successfully used in CFD modeling by applying them to industrial scale backpass channel under oxy-fired conditions. The developed approaches are more accurate compared with other methods; moreover, they can provide complete explanation and detailed analysis of the radiation heat transfer in different systems under different combustion conditions. The methods were verified by applying them to some benchmarks, and they showed a good level of accuracy and computational speed compared to other methods. Furthermore, the implementation of the suggested banded approach in CFD software is very easy and straightforward.

A study of combustion phenomena in circulating fluidized beds by developing and applying experimental and modelling methods for laboratory-scale reactors

The results shown in this thesis are based on selected publications of the 2000s decade. The work was carried out in several national and EC funded public research projects and in close cooperation with industrial partners. The main objective of the thesis was to study and quantify the most important phenomena of circulating fluidized bed combustors by developing and applying proper experimental and modelling methods using laboratory scale equipments. An understanding of the phenomena plays an essential role in the development of combustion and emission performance, and the availability and controls of CFB boilers. Experimental procedures to study fuel combustion behaviour under CFB conditions are presented in the thesis. Steady state and dynamic measurements under well controlled conditions were carried out to produce the data needed for the development of high efficiency, utility scale CFB technology. The importance of combustion control and furnace dynamics is emphasized when CFB boilers are scaled up with a once through steam cycle. Qualitative information on fuel combustion characteristics was obtained directly by comparing flue gas oxygen responses during the impulse change experiments with fuel feed. A one-dimensional, time dependent model was developed to analyse the measurement data Emission formation was studied combined with fuel combustion behaviour. Correlations were developed for NO, N2O, CO and char loading, as a function of temperature and oxygen concentration in the bed area. An online method to characterize char loading under CFB conditions was developed and validated with the pilot scale CFB tests. Finally, a new method to control air and fuel feeds in CFB combustion was introduced. The method is based on models and an analysis of the fluctuation of the flue gas oxygen concentration. The effect of high oxygen concentrations on fuel combustion behaviour was also studied to evaluate the potential of CFB boilers to apply oxygenfiring technology to CCS. In future studies, it will be necessary to go through the whole scale up chain from laboratory phenomena devices through pilot scale test rigs to large scale, commercial boilers in order to validate the applicability and scalability of the, results. This thesis shows the chain between the laboratory scale phenomena test rig (bench scale) and the CFB process test rig (pilot). CFB technology has been scaled up successfully from an industrial scale to a utility scale during the last decade. The work shown in the thesis, for its part, has supported the development by producing new detailed information on combustion under CFB conditions.

Particle model for simulating limestone reactions in novel fluidised bed energy applications

The development of carbon capture and storage (CCS) has raised interest towards novel fluidised bed (FB) energy applications. In these applications, limestone can be utilized for S02 and/or CO2 capture. The conditions in the new applications differ from the traditional atmospheric and pressurised circulating fluidised bed (CFB) combustion conditions in which the limestone is successfully used for SO2 capture. In this work, a detailed physical single particle model with a description of the mass and energy transfer inside the particle for limestone was developed. The novelty of this model was to take into account the simultaneous reactions, changing conditions, and the effect of advection. Especially, the capability to study the cyclic behaviour of limestone on both sides of the calcination-carbonation equilibrium curve is important in the novel conditions. The significances of including advection or assuming diffusion control were studied in calcination. Especially, the effect of advection in calcination reaction in the novel combustion atmosphere was shown. The model was tested against experimental data; sulphur capture was studied in a laboratory reactor in different fluidised bed conditions. Different Conversion levels and sulphation patterns were examined in different atmospheres for one limestone type. The Conversion curves were well predicted with the model, and the mechanisms leading to the Conversion patterns were explained with the model simulations. In this work, it was also evaluated whether the transient environment has an effect on the limestone behaviour compared to the averaged conditions and in which conditions the effect is the largest. The difference between the averaged and transient conditions was notable only in the conditions which were close to the calcination-carbonation equilibrium curve. The results of this study suggest that the development of a simplified particle model requires a proper understanding of physical and chemical processes taking place in the particle during the reactions. The results of the study will be required when analysing complex limestone reaction phenomena or when developing the description of limestone behaviour in comprehensive 3D process models. In order to transfer the experimental observations to furnace conditions, the relevant mechanisms that take place need to be understood before the important ones can be selected for 3D process model. This study revealed the sulphur capture behaviour under transient oxy-fuel conditions, which is important when the oxy-fuel CFB process and process model are developed.

Analysis and modelling of chemical looping combustion process with and without oxygen uncoupling

Effective control and limiting of carbon dioxide (CO₂) emissions in energy production are major challenges of science today. Current research activities include the development of new low-cost carbon capture technologies, and among the proposed concepts, chemical combustion (CLC) and chemical looping with oxygen uncoupling (CLOU) have attracted significant attention allowing intrinsic separation of pure CO₂ from a hydrocarbon fuel combustion process with a comparatively small energy penalty. Both CLC and CLOU utilize the well-established fluidized bed technology, but several technical challenges need to be overcome in order to commercialize the processes. Therefore, development of proper modelling and simulation tools is essential for the design, optimization, and scale-up of chemical looping-based combustion systems. The main objective of this work was to analyze the technological feasibility of CLC and CLOU processes at different scales using a computational modelling approach. A onedimensional fluidized bed model frame was constructed and applied for simulations of CLC and CLOU systems consisting of interconnected fluidized bed reactors. The model is based on the conservation of mass and energy, and semi-empirical correlations are used to describe the hydrodynamics, chemical reactions, and transfer of heat in the reactors. Another objective was to evaluate the viability of chemical looping-based energy production, and a flow sheet model representing a CLC-integrated steam power plant was developed. The 1D model frame was succesfully validated based on the operation of a 150 kWth laboratory-sized CLC unit fed by methane. By following certain scale-up criteria, a conceptual design for a CLC reactor system at a pre-commercial scale of 100 MWth was created, after which the validated model was used to predict the performance of the system. As a result, further understanding of the parameters affecting the operation of a large-scale CLC process was acquired, which will be useful for the practical design work in the future. The integration of the reactor system and steam turbine cycle for power production was studied resulting in a suggested plant layout including a CLC boiler system, a simple heat recovery setup, and an integrated steam cycle with a three pressure level steam turbine. Possible operational regions of a CLOU reactor system fed by bituminous coal were determined via mass, energy, and exergy balance analysis. Finally, the 1D fluidized bed model was modified suitable for CLOU, and the performance of a hypothetical 500 MWth CLOU fuel reactor was evaluated by extensive case simulations.

Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

Syttymistä ja palamisen etenemistä partikkelikerroksessa tutkitaan paloturvallisuuden parantamista sekä kiinteitä polttoaineita käyttävien polttolaitteiden toiminnan tuntemista ja kehittämistä varten. Tässä tutkimuksessa on tavoitteena kerätä yhteen syttymiseen ja liekkirintaman etenemiseen liittyviä kokeellisia ja teoreettisia tutkimustuloksia, jotka auttavat kiinteäkerrospoltto- ja -kaasutus-laitteiden kehittämisessä ja suunnittelussa. Työ on esitutkimus sitä seuraavalle kokeelliselle ja teoreettiselle osalle. Käsittelyssä keskitytään erityisesti puuperäisiin polttoaineisiin. Hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet sekä kiinteiden jätteiden energiakäytön lisääminen ja kaatopaikalle viennin vähentäminen aiheuttavat lähitulevaisuudessa kerrospolton lisääntymistä. Kuljetusmatkojen optimoinnin takia joudutaan rakentamaan melko pieniä polttolaitoksia, joissa kerrospolttotekniikka on edullisin vaihtoehto. Syttymispisteellä tarkoitetaan Semenovin määritelmän mukaan tilaa ja ajankohtaa, jolloin polttoaineen ja hapen reaktioissa muodostuva nettoenergia aikayksikössä on yhtäsuuri kuin ympäristöön siirtyvä nettoenergiavirta. Itsesyttyminen tarkoittaa syttymistä ympäristön lämpötilan tai paineen suurenemisen seurauksena. Pakotettu syttyminen tapahtuu, kun syttymispisteen läheisyydessä on esimerkiksi liekki tai hehkuva kiinteä kappale, joka aiheuttaa paikallisen syttymisen ja syttymisrintaman leviämisen muualle polttoaineeseen. Kokeellinen tutkimus on osoittanut tärkeimmiksi syttymiseen ja syttymisrintaman etenemiseen vaikuttaviksi tekijöiksi polttoaineen kosteuden, haihtuvien aineiden pitoisuuden ja lämpöarvon, partikkelikerroksen huokoisuuden, partikkelien koon ja muodon, polttoaineen pinnalle tulevan säteilylämpövirran tiheyden, kaasun virtausnopeuden kerroksessa, hapen osuuden ympäristössä sekä palamisilman esilämmityksen. Kosteuden lisääntyminen suurentaa syttymisenergiaa ja -lämpötilaa sekä pidentää syttymisaikaa. Mitä enemmän polttoaine sisältää haihtuvia aineita sitä pienemmässä lämpötilassa se syttyy. Syttyminen ja syttymisrintaman eteneminen ovat sitä nopeampia mitä suurempi on polttoaineen lämpöarvo. Kerroksen huokoisuuden kasvun on havaittu suurentavan palamisen etenemisnopeutta. Pienet partikkelit syttyvät yleensä nopeammin ja pienemmässä lämpötilassa kuin suuret. Syttymisrintaman eteneminen nopeutuu partikkelien pinta-ala - tilavuussuhteen kasvaessa. Säteilylämpövirran tiheys on useissa polttosovellutuksissa merkittävin lämmönsiirtotekijä, jonka kasvu luonnollisesti nopeuttaa syttymistä. Ilman ja palamiskaasujen virtausnopeus kerroksessa vaikuttaa konvektiiviseen lämmönsiirtoon ja hapen pitoisuuteen syttymisvyöhykkeellä. Ilmavirtaus voi jäähdyttää ja kuumankaasun virtaus lämmittää kerrosta. Hapen osuuden kasvaminen nopeuttaa syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kunnes saavutetaan tila, jota suuremmilla virtauksilla ilma jäähdyttää ja laimentaa reaktiovyöhykettä. Palamisilman esilämmitys nopeuttaa syttymisrintaman etenemistä. Syttymistä ja liekkirintaman etenemistä kuvataan yleensä empiirisillä tai säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Empiiriset mallit perustuvat mittaustuloksista tehtyihin korrelaatioihin sekä joihinkin tunnettuihin fysikaalisiin lainalaisuuksiin. Säilyvyysyhtälöihin perustuvissa malleissa systeemille määritetään massan, energian, liikemäärän ja alkuaineiden säilymisyhtälöt, joiden nopeutta kuvaavien siirtoyhtälöiden muodostamiseen käytetään teoreettisella ja kokeellisella tutkimuksella saatuja yhtälöitä. Nämä mallinnusluokat ovat osittain päällekkäisiä. Pintojen syttymistä kuvataan usein säilyvyysyhtälöihin perustuvilla malleilla. Partikkelikerrosten mallinnuksessa tukeudutaan enimmäkseen empiirisiin yhtälöihin. Partikkelikerroksia kuvaavista malleista Xien ja Liangin hiilipartikkelikerroksen syttymiseen liittyvä tutkimus ja Gortin puun ja jätteen polttoon liittyvä reaktiorintaman etenemistutkimus ovat lähimpänä säilyvyysyhtälöihin perustuvaa mallintamista. Kaikissa malleissa joudutaan kuitenkin yksinkertaistamaan todellista tapausta esimerkiksi vähentämällä dimensioita, reaktioita ja yhdisteitä sekä eliminoimalla vähemmän merkittävät siirtomekanismit. Suoraan kerrospolttoa ja -kaasutusta palvelevia syttymisen ja palamisen etenemisen tutkimuksia on vähän. Muita tarkoituksia varten tehtyjen tutkimusten polttoaineet, kerrokset ja ympäristöolosuhteet poikkeavat yleensä selvästi polttolaitteiden vastaavista olosuhteista. Erikokoisten polttoainepartikkelien ja ominaisuuksiltaan erilaisten polttoaineiden seospolttoa ei ole tutkittu juuri ollenkaan. Polttoainepartikkelien muodon vaikutuksesta on vain vähän tutkimusta.Ilman kanavoitumisen vaikutuksista ei löytynyt tutkimuksia.

Puunpolton mahdollisuudet Suomenojan voimalaitoksella

Puuenergian käyttö on viime vuosina lisääntynyt kaukolämmön tuotannossa sekä yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa. Puun kilpailukykyä polttoaineena ovat lisänneet polttotekniikan ja korjuutekniikoiden kehittyminen. Puun energiakäyttöä on edistänyt myös valtiovalta tukien ja veroratkaisuiden avulla, koska fossiilisten polttoaineiden korvaaminen puupolttoaineilla tukee Suomen ilmastopoliittisia tavoitteita. Tämän työn tavoitteena oli selvittää puupolttoaineiden käytön mahdollisuudet Espoon Sähkön Suomenojan voimalaitoksella. Nykyiset Suomenojan pääpolttoaineet ovat kivihiili ja maakaasu. Suomenojalle toimitetut puupolttoaineet koostuisivat sahoilta saatavista sivutuotteista, metsätähdehakkeesta ja kierrätyspuusta. Puupolttoaineiden taloudellinen saatavuus vaihtelee alueittain huomattavasti. Espoo ei tässä suhteessa ole sijainniltaan edullinen. Saatujen polttoainetarjousten perusteella puunpolton kustannukset nousevat kivihiilen kustannuksia korkeammiksi kuljetusetäisyyksistä johtuen, kun puunpoltto on yli 300 GWh/a. Tämä vastaisi 10 prosenttia Espoon Sähkön vuoden 2000 kokonaispolttoainekäytöstä ja 8 prosenttia arvioidusta polttoaineiden käytöstä vuodelle 2010. Puuta voidaan polttaa leijukerrostekniikkaan perustuvissa kattiloissa, arinakattiloissa, pölypolttona tai kaasuttamalla ja johtamalla tuotekaasu poltettavaksi. Puun ravinneaineista kloori voi aiheuttaa kuumakorroosiota höyrykattiloiden tulistimissa. Tätä pyritään estämään seospoltolla rikkipitoisten polttoaineiden, kuten turpeen tai kivihiilen kanssa. Seospoltto muiden polttoaineiden kanssa parantaa myös puun palamistulosta. Puupolttoaineiden kosteus voi olla jopa 60 prosenttia. Tässä työssä tutkittiin puun energiakäytölle pääasiassa kuutta eri ratkaisua. Ne olivat: kaasuttimen rakentaminen ja tuotekaasun poltto nykyisessä hiilipölykattilassa, hiilipölykattilan muuttaminen leijukerrospolttoon, uuden vastapainevoimalaitoksen rakentaminen, Suomenojalla olevan hiilivesikattilan muuttaminen puupolttoaineille, kivihiilen ja puun yhteispoltto hiilipölykattilassa puu/hiilipölypolttimilla sekä leijukerroskattilan rakentaminen ja sen yhdistäminen olemassa olevaan höyryturbiiniin. Taloudellisesti kannattaviksi ratkaisuiksi osoittautui kaksi viimeksi mainittua. Jos voimalaitostonttia halutaan säästää myöhempää maakaasuvoimalaitoshanketta varten, nousee puun ja kivihiilen yhteispoltto puu/hiilipölypolttimilla oleellisesti paremmaksi vaih-toehdoksi. Tämän vaihtoehdon korollinen takaisinmaksuaika on 7-11 vuotta, riippuen puunpolton laajuudesta. Kannattavuudelle on hyvin tärkeää puulla tuotetun sähkön tuki. Yhteispolton ansiosta hiilipölykattilan rikkidioksidi- ja hiilidioksidipäästöt sekä mahdollisesti myös typenoksidipäästöt vähenisivät. Puunpoltto lisää savukaasuvirtaa, nostaa savukaasun loppulämpötilaa ja mahdollisesti laskee hyötysuhdetta. Laitoksen rekkaliikenne lisääntyy. Kaikki esitetyt ratkaisuvaihtoehdot vähentäisivät hiilidioksidipäästöjä. Puunpolttoratkaisuilla ei kuitenkaan pystytä vähentämään Espoon Sähkön energiantuotannon hiilidioksidipäästöjä alle vuoden 1990 tason, mutta hiilidioksidin ominaispäästöissä edellä mainitun tason alle päästäisiin.

Oxidation rates of carbon and nitrogen in char residues from solid fuels

Computational fluid dynamics (CFD) modeling is an important tool in designing new combustion systems. By using CFD modeling, entire combustion systems can be modeled and the emissions and the performance can be predicted. CFD modeling can also be used to develop new and better combustion systems from an economical and environmental point of view. In CFD modeling of solid fuel combustion, the combustible fuel is generally treated as single fuel particles. One of the limitations with the CFD modeling concerns the sub-models describing the combustion of single fuel particles. Available models in the scientific literature are in many cases not suitable as submodels for CFD modeling since they depend on a large number of input parameters and are computationally heavy. In this thesis CFD-applicable models are developed for the combustion of single fuel particles. The single particle models can be used to improve the combustion performance in various combustion devices or develop completely new technologies. The investigated fields are oxidation of carbon (C) and nitrogen (N) in char residues from solid fuels. Modeled char-C oxidation rates are compared to experimental oxidation rates for a large number of pulverized solid fuel chars under relevant combustion conditions. The experiments have been performed in an isothermal plug flow reactor operating at 1123-1673 K and 3-15 vol.% O2. In the single particle model, the char oxidation is based on apparent kinetics and depends on three fuel specific parameters: apparent pre-exponential factor, apparent activation energy, and apparent reaction order. The single particle model can be incorporated as a sub-model into a CFD code. The results show that the modeled char oxidation rates are in good agreement with experimental char oxidation rates up to around 70% of burnout. Moreover, the results show that the activation energy and the reaction order can be assumed to be constant for a large number of bituminous coal chars under conditions limited by the combined effects of chemical kinetics and pore diffusion. Based on this, a new model based on only one fuel specific parameter is developed (Paper III). The results also show that reaction orders of bituminous coal chars and anthracite chars differ under similar conditions (Paper I and Paper II); reaction orders of bituminous coal chars were found to be one, while reaction orders of anthracite chars were determined to be zero. This difference in reaction orders has not previously been observed in the literature and should be considered in future char oxidation models. One of the most frequently used comprehensive char oxidation models could not explain the difference in the reaction orders. In the thesis (Paper II), a modification to the model is suggested in order to explain the difference in reaction orders between anthracite chars and bituminous coal chars. Two single particle models are also developed for the NO formation and reduction during the oxidation of single biomass char particles. In the models the char-N is assumed to be oxidized to NO and the NO is partly reduced inside the particle. The first model (Paper IV) is based on the concentration gradients of NO inside and outside the particle and the second model is simplified to such an extent that it is based on apparent kinetics and can be incorporated as a sub-model into a CFD code (Paper V). Modeled NO release rates from both models were in good agreement with experimental measurements from a single particle reactor of quartz glass operating at 1173-1323 K and 3-19 vol.% O2. In the future, the models can be used to reduce NO emissions in new combustion systems.

Biomass Utilization in PFC Co-firing System with the Slagging and Fouling Analysis

Master’s thesis Biomass Utilization in PFC Co-firing System with the Slagging and Fouling Analysis is the study of the modern technologies of different coal-firing systems: PFC system, FB system and GF system. The biomass co-fired with coal is represented by the research of the company Alstom Power Plant. Based on the back ground of the air pollution, greenhouse effect problems and the national fuel security today, the bioenergy utilization is more and more popular. However, the biomass is promoted to burn to decrease the emission amount of carbon dioxide and other air pollutions, new problems form like slagging and fouling, hot corrosion in the firing systems. Thesis represent the brief overview of different coal-firing systems utilized in the world, and focus on the biomass-coal co-firing in the PFC system. The biomass supply and how the PFC system is running are represented in the thesis. Additionally, the new problems of hot corrosion, slagging and fouling are mentioned. The slagging and fouling problem is simulated by using the software HSC Chemistry 6.1, and the emissions comparison between coal-firing and co-firing are simulated as well.

Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics

Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin. Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.