Kerrostumien muodostumisen määritys sondin lämmönsiirron perusteella

Diplomityön tavoitteena oli tutkia kerrostumien muodostumista voimalaitoskattiloiden lämpöpinnoille ja niiden vaikutusta lämmönsiirtoon. Kerrostumien vaikutusta lämpöpintojen lämpötiloihin tutkittiin kerrostumasondin avulla kierto- ja kerrosleijukattiloissa. Saadun mittausaineiston muodostettiin mittaustilannetta vastaava laskentamalli, jonka avulla pystytään selvittämään voimalaitoksen lämpöpintojen likaantumista käyttöperiodin aikana. Työn alussa tarkasteltiin kerrostumien muodostumismekanismeja lämmönsiirtopinnoille, kerrostumien ominaisuuksia ja virtausympäristön vaikutusta lämmönsiirtoon. Poltossa syntyvä tuhka kiinnittyy eri mekanismeilla kattilan seinille ja lämpöpinnoille riippuen polttoaineesta ja ympäröivistä olosuhteista. Likakerrosten muodostuminen lämmönsiirtimen pinnalle pienentää putkeen siirtyvää lämpövirtaa ja alentaa kattilan hyötysuhdetta. Kerrostumien lämmönjohtumisesta ja mikrorakenteesta on hyvin vähän kokeellisen tietoa, mikä vaikeuttaa reaalisten mallien muodostamista kattilan käyttäytymisestä sen likaantuessa.Työn kokeellisessa osassa tarkasteltiin kahdella eri kattilalla tehtyjä mittauksia. Mittaukset tehtiin kerrostumasondilla, jonka lämmönsiirrosta luotiin laskentamalli SIMULINK-simulointiohjelmalla. Mittaustuloksina saatiin kolmen eri pinnan lämpötilat, jotka muuttuivat kerrostuman ja jäähdytyksen vaikutuksesta. Laskentamallista muokattiin mittaustilanteita vastaava, jolloin lämpötilamuutoksista nähdään likakerroksen ominaisuuksien vaikutus lämmönsiirtoon. Sondista muodostettiin myös FLUENT-malli, jolla tarkasteltiin yksittäisen putken virtauskenttää sekä kahden lähekkäin olevan putken vaikutusta virtaukseen.

Rikinpoiston tehostaminen leijukerroskattiloissa vähärikkisillä polttoaineilla

Leijukerroskattiloissa rikinpoisto tapahtuu useimmiten käyttämällä primäärisiä rikinpoistomenetelmiä. Tämä tarkoittaa jonkin rikkiä sitovan lisäaineen, yleensä kalkkikiven, syöttämistä tulipesään. Tämä menetelmä soveltuu hyvin leijukerrospolttoon sen edullisuuden ja tehokkuuden takia.Tulevaisuudessa tullaan kuitenkin tiukentamaan voimalaitosten rikkidioksidipäästöjen rajoja. Tällöin myös vähärikkisiä polttoaineita käyttävien voimalaitosten tulee alentaa rikkipäästöjään. Nykyisiä menetelmiä käyttäen nousisivat kustannukset korkeaksi saavutettavaan hyötyyn nähden. Tämän takia tullaan tulevaisuudessa tarvitsemaan erilaisia rikinpoiston tehostamiskeinoja.Tämän työn tarkoituksena on selvittää rikinpoistoon ja sen tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä tutkia erilaisia keinoja rikinpoiston tehostamiseksi. Kirjallisuusosassa keskitytään selvittämään nykyiset käytössä tai tutkimusasteella olevat keinot rikinpoiston tehostamiseksi. Kokeellisessa osuudessa keskitytään lentotuhkan kierrättämisen hyödyntämiseen rikinpoistossa. Tehtävissä kokeissa tavoitteena oli rikinpoistoasteen parantaminen sekä puhtaan kalkkikiven kulutuksen vähentäminen käyttämällä hyväksi lentotuhkan sisältämää reagoimatonta kalsiumoksidia.

Kiertoleijukattilan tulipesän lämmönsiirtoprofiilien määritys ja mallinnus

Tämä diplomityö on osa projektia, joka tähtää ylikriittisellä painealueella toimivan läpivirtaustekniikkaan perustuvan kiertoleijukattilan toteuttamiseen. Diplomityössä määritetään mittausten perusteella vaaka- ja pystysuuntaisia lämmönsiirtoprofiileja kaupallisen kiertoleijukattilan tulipesässä. Lisäksi samaisen kattilan tulipesä mallinnetaan ja mallin parametrejä säädetään niin, että mallin tulokset saadaan vastaamaan mitattuja tuloksia mahdollisimman hyvin. Työn tavoitteena on antaa lisätietoa tulipesässä vapautuvan lämpötehon jakautumisesta tulipesän eri osien kesken. Diplomityön kirjallisuuskatsauksessa käsitellään kiertoleijukattilan tulipesän perusilmiöitä kuten leijutusta, lämmönsiirtoa, hydrodynamiikkaa ja palamista sekä tutustutaan muutamiin tulipesämalleihin. Lisäksi tarkastellaan ylikriittisen läpivirtauskattilan tarjoamia etuja perinteisiin kattilaratkaisuihin nähden. Diplomityössä on myös esitelty työhön liittyvä mittausprojekti.

Leijukerroslämmönsiirtimen leijutusjärjestelyjen säätö ja optimointi

Energiantuotantoa koskeva jatkuvasti tiukentuva lainsäädäntö ja yleinen tarve polttaa yhä vaativampia polttoaineita asettaa leijukerroskattiloille suuria haasteita. Eräs käyttökelpoinen työkalu tulevaisuuden haasteisiin vastaamisessa on säädettävä leijukerroslämmönsiirrin. Tiheässä leijukerroksessa toimiva lämmönsiirrin on vähemmän alttiina korroosiolle kuin savukaasukanavistossa sijaitsevat rakenteet. Rakenne tuo tarpeellista säädettävyyttä koko kattilalle, mikäli lämmönsiirtimen antamaa tehoa voidaan säätää tehokkaasti. Erityisen hyvä tilanne saavutetaan, jos lämmönsiirrin kykenee käyttämään hyväkseen tulipesän sisäistä kiintoainekiertoa. Tässä työssä tutkitaan kiertoleijukattilaan sijoitettavan leijukerroslämmönsiirtimen säädön toteuttamista leijutusjärjestelyjen avulla. Teoreettinen tarkastelu keskittyy leijukerroslämmönsiirtimen toimintaolosuhteisiin ja kiintoainevirtauksen säätömahdollisuuksiin. Kokeellisessa osuudessa etsitään käytännössä toimivaa säätöperiaatetta tutkimuksen kohteena olevalle leijukerroslämmönsiirrinrakenteelle.

Jäännöshiilen ja kalkkikiven reaktiokinetiikan mallinnus kiertoleijukattilan tulipesässä

Työn tavoitteena oli kehittää mallit jäännöshiilen ja kalkkikiven reaktiokinetiikan sekä jäännöshiilen jauhautumisen ennustamiseksi kiertoleijukattilan tulipesässä. Kehitetyt mallit toimivat tulipesämallin osamalleina. Perustuen mallinnettuihin reaktionopeuksiin ja jauhautumiskäyttäytymiseen tulipesämalli ennustaa kalkkikivihiukkasten rikinsidonnan ja jäännöshiilen jakautumisen erikokoisiksi hiukkasiksi tulipesässä ja tuhkissa. Työssä kehitetyt mallit perustuvat olemassa oleviin kalkkikiven ja polttoaineen reaktiivisuustesteihin laboratorio-kokoluokan leijukerrosreaktorissa. Mallit huomioivat myös tulipesän olosuhteet. Menetelmät kelpoistettiin onnistuneesti kaupallisen kokoluokan kiertoleijukattiloista mitattujen ja tulipesämallilla laskettujen taseiden avulla. Mallien kehittämistä tullaan jatkamaan.

Rinnakkaispolttolaitoksen ympäristöntarkkailusuunnitelma

Diplomityössä päivitetään voimalaitoksen ympäristöntarkkailusuunnitelma vastaamaan uudistuneen ympäristöluvan ja lainsäädännön edellytyksiä. Työssä tutkitaan leijupetikatti-loiden tulipesän lämpötiloja, savukaasun viipymäaikoja tulipesässä, leijukerroskattiloiden päästöjä, päästöjen jatkuvatoimista mittaamista sekä päästöjen seurantaa ja raportointia. Tulipesän lämpötiloja mitattiin kupla- ja kiertoleijukattiloilla. Tuloksien perusteella havait-tiin kiertoleijukattilan tulipesän alaosan lämpötilojen olevan lähes riippumaton pedin lämpötilasta ja höyrykuormasta. Tulipesän yläosassa lämpötilat nousevat höyrykuorman kasvaessa, mutta pedin lämpötilalla ei havaittu vaikutusta tulipesän yläosassakaan. Molemmilla kattiloilla havaittiin voimakas vaakatasoinen lämpötilaprofiili. Kuplaleijukattilalla sekä höyrykuorma että pedin lämpötila vaikuttivat tulipesän lämpötilaan. Savukaasun teoreettiset viipymäajat laskettiin kiertoleijukattilalle. Laskelmien ja mittauksien perusteella havaittiin kattilalla mahdollisuus saavuttaa savukaasun kahden sekunnin viipymäaika 850 ºC lämpötilassa. Kattilan käyttäytymisen aukottomaksi selvittämiseksi kaikilla polttoaineseoksilla ja höyrykuormilla tarvitaan lisää toimenpiteitä kattilalla ja lisää tulipesän lämpötilamittauksia. Leijukerroskattiloiden päästöjen syntymistä ja hallintaa tutkittiin teoreettisesti kirjallisuustutkimuksena. Tutkittuihin päästöihin kuuluivat typen oksidit, rikkidioksidi, hiukkaset, hiilimonoksidi, orgaaninen kokonaishiili, suolahappo, fluorivety, raskasmetallit sekä dioksiinit ja furaanit. Jatkuvatoimisten päästömittausmittauslaitteiden toimintaperiaatteita selvitettiin kirjalli-suustutkimuksena. Samoin selvitettiin jatkuvatoimisten päästömittauslaitteiden virhelähtei-tä. Päästömittauslaitteille laadittiin pitkän ja lyhyen ajan laadunvarmistussuunnitelma. Ha-vaittiin, että nykyiset jatkuvatoimiset päästömittauslaitteet eivät täytä kaikkia uusia laatu-kriteereitä. Päästöjen jatkuvatoimiseen seuraamiseen työssä suunniteltiin uusi valvomonäyttö. Uuden näytön avulla tehostetaan päästöjen valvontaa. Päästöjen raportointiin työssä suunniteltiin vuorokausiraportti. Raporttiin kerätään jatkuva-toimisten päästömittauslaitteiden puolen tunnin keskiarvot. Raportin tarkastaa, allekirjoittaa ja arkistoi vuorossa oleva operaattori.

Kupariliekkisulatusuunin lampohavioiden maarittaminen

Työn teoriaosassa käydään läpi kuparisulaton prosessi pääpiirteittäin, jonka jälkeen siirrytään lämmönsiirron teoriaan. Lämpö siirtyy kolmella penis mekanismilla: johtumalla, säteilemällä ja konvektiolla. Naiden ilmiöiden vaikutusta kupariliekkisulatusuunin eri osissa tapahtuviin lämpöhäviöihin on käyty läpi. Lisaksi työstä löytyy kupariliekkisulatusuunin lämpö- ja ainetase sekä erilaisten lämpötilanmittauslaitteiden vertailua sekä mitä tulee ottaa huomioon lämpötiloja mitatessa. Työn kokeellisessa osassa esitellään lämpötilanmittausten perusteella lasketut kupariliekkisulatusuunin eri osien lämpöhäviöiden suuruudet mittauskampanjan ajalta. Saatuja tuloksia on vertailtu kirjallisuudesta löydettyihin aikaisempiin arvoihin. Uunin keskimääräiseksi kokonaislämpöhäviöksi saatiin 9,8 MW mittauskampanjan ajalle. Lisäksi on vertailtu uunin erilaisten ajoarvojen, kuten rikaste-, lentopöly-, murska-, ja kuonarikastesyötön suuruuden sekä öljyn syötön ja rikasteseoksen vaihtumisen vaikutusta lämpöhäviöihin sekä mietitty muita mahdollisia syitä lämpöhäviöiden vaihtelulle.

Fluoriditasetarkastelu ja päästöjen hallinta ferrokromi- ja terästeollisuudessa

Työn alkuosassa kartoitettiin AvestaPolarit –yhtiöiden Tornion tehtaiden keskeiset fluoridilähteet kuten fluspaatti, valukuonat, valupulverit ja fluorivetyhappo. Valupulverien ja kuonien haihtumis- ja liukoisuuskäyttäytymistä valaistiin kotimaisten ja kansainvälisten tutkimusten avulla. Tutkimustuloksia sovellettiin pääpiirteittäin Tornion tehtaiden tilanteeseen ottamalla huomioon tekijät, jotka saattoivat lieventää tai vahvistaa fluoridien vaikutusta ympäristöön. Yleisesti fluoridien ympäristö- ja terveysvaikutukset arvioitiin vähäisiksi. Työn kokeellisessa osassa määritettiin Tornion tehtaiden ferrokromitehtaan, terässulaton, kuumavalssaamon ja kylmävalssaamon fluoriditaseet. Jokaisen osastojen syötteiden fluoridipitoisuudet selvitettiin tuottajien ilmoittamien tuotekoostumuksien, spesifikaatioiden ja fluoridianalyysien perusteella. Fluoridien kokonaismäärät laskettiin jokaiselle syötteelle ja ne suhteutettiin kunkin osaston vuoden 2001 tuotantotasoon. Tasetarkastelussa suurimpina fluoridisyötteinä nousivat odotetusti esiin terässulaton käyttämä kuonanmuodostaja-aine fluspaatti (CaF2) ja kylmävalssaamon peittaushappo, 70 prosenttinen fluorivetyhappo (HF). Lisäksi muita merkittäviä syötteitä olivat kylmävalssaamon käyttämä kalkkipitoinen sekakuona ja ferrokromitehtaan sulatuskoksi. Tuotoksien eli päästöjen fluoridipitoisuudet saatiin selville päästömittauksin. Jätevesistä otettiin pääosin viikoittaisia kokoomanäytteitä, jotka analysoitiin tehtaan laboratoriossa. Kaasumaiset tuotokset oli määritetty kertamittauksien perusteella. Kiinteiden tuotoksien eli sakkojen ja kuonien fluoridimittaukset suoritettiin 3 sulatuksen kuonanäytteistä ja sakan vuosinäytteestä. Tuotoksista suurimmat ominaispäästökertoimet olivat juuri terässulaton AOD-konvertterin ja senkkauunin kuonilla ja kylmävalssaamon neutraloidulla regenerointisakalla ja neutralointisakoilla. Näistä ei aiheutunut varsinaista päästöä lähiympäristöön, koska sakat ja kuonat loppusijoitetaan tehtaan kaatopaikalle tai niitä käytetään liukenemattomassa muodossa. Tornion tehtaiden fluoridisyötteiden ja -tuotoksien mittausepätarkkuudet vaikuttivat fluoriditaseeseen. Ferrokromitehtaan fluoridisyötteet olivat kokonaismäärältään selvästi suurempia kuin tuotokset. Terässulaton fluoriditaseen tuotokset olivat suurempia kuin syötteet ja kylmävalssaamon syötteet sekä tuotokset olivat karkeasti arvioiden samaa suuruusluokkaa. Kuumavalssaamon fluoridisyötteet ja -tuotokset olivat mitättömiä. Fluoriditaseen epävarmuustekijöitä voidaan vähentää suorittamalla esimerkiksi useita fluoridimittauksia kaasumaisista päästöistä.

Characterization Method for Comminution Behavior of Limestone and Fuel Ash in a Circulating Fluidized Bed Boiler

Työn tavoite oli kehittää karakterisointimenetelmät kalkkikiven ja polttoaineen tuhkan jauhautumisen ennustamiselle kiertoleijukattilan tulipesässä. Kiintoainekäyttäytymisen karakterisoinnilla ja mallintamisella voidaan tarkentaa tulipesän lämmönsiirron ja tuhkajaon ennustamista. Osittain kokeelliset karakterisointimenetelmät perustuvat kalkkikiven jauhautumiseen laboratoriokokoluokan leijutetussa kvartsiputkireaktorissa ja tuhkan jauhatumiseen rotaatiomyllyssä. Karakterisointimenetelmät ottavat huomioon eri-laiset toimintaolosuhteet kaupallisen kokoluokan kiertoleijukattiloissa. Menetelmät kelpoistettiin kaupallisen kokoluokan kiertoleijukattiloista mitattujen ja fraktioittaisella kiintoainemallilla mallinnettujen taseiden avulla. Kelpoistamistaseiden vähäisyydestä huolimatta karakterisointimenetelmät arvioitiin virhetarkastelujen perusteella järkeviksi. Karakterisointimenetelmien kehittämistä ja tarkentamista tullaan jatkamaan.

Aluminium fouling and its impact on activated carbon based dioxin and furan removal in a wet scrubber at a co-incineration plant

Dioxins and furans, PCDD/Fs, are highly toxic substances formed in post combustion zones in furnaces. PCDD/F emissions are regulated by a waste incineration directive which relates also to co-incineration plants. Several observations of dioxin and furan enhancements in wet scrub- bers have been reported previously. This is thought to be due to the so-called "memory effect" which occurs when dioxins and furans absorb into plastic material in scrubbers and desorb when ambient circumstances alter significantly. At the co-incineration plant involved, dioxins and furans are controlled with a wet scrubber, the tower packing of which is made of plastic in which activated carbon particles are dispersed. This should avoid the memory effect and act as a dioxin and furan sink since dioxins and furans are absorbed irreversibly into the packing ma- terial. In this case, the tower packing in the scrubber is covered with a white layer that has been found to be mainly aluminium. The aim of this thesis was to determine the aluminium balance and the dioxin and furan behaviour in the scrubber and, thus, the impacts that the foul- ing has on dioxin and furan removal. The source of aluminium, reasons for fouling and further actions to minimize its impacts on dioxin and furan removal were also to be discovered. Measurements in various media around the scrubber and in fuels were made and a profile analysis of PCDD/F and mass balance calculations were carried out. PCDD/F content de- creased in the scrubber. The reduced PCDD/F was not discharged into scrubbing water. The removal mechanism seems to work in spite of the fouling, at least with low PCDD/F loads. Most of the PCDD/F in excess water originates from the Kymijoki River which is used as feeding water in the scrubber. Fouling turned out to consist mainly of aluminium hydroxides. Sludge combusted in the furnace was found to be a significant source of aluminium. Ways to minimize the fouling would be adjustment of pH to a proper lever, installation of a mechanical filter to catch the loose material from the scrubbing water and affecting the aluminium content of the sludge.

Radiative Heat Transfer in Boiler Furnaces

Better models are needed for radiative heat transfer in boiler furnaces. If the process is known better, combustion in the furnace can be optimized to produce low emissions. It makes the process to be environmental friendly. Furthermore, if there is a better model of the furnace it can more fully explain what is happening inside the furnace. Using of the model one can quickly and easily analyze how it operates with bio fuels, moist fuels or difficult fuels and improve the operation. Models helps with better estimation of furnace dimensions and result in more accurate understanding of operation. Key component lacking in these models is radiative heat transfer in particle laden gases. If there are no particles than radiative heat transfer can be calculated approximately. There are two problems with current models when used with flow modeling. The first one is a need to account for a particle laden gas and the second one is an absence of a fast algorithm. Fast calculation is needed if radiative heat transfer calculation is done for a large CDF model. Computations slow down if time is required for calculating radiative properties over and over again. This thesis presents a band model for radiative heat transfer in boiler furnaces. Advantage is a quickness of calculation and account of particles in the process.

Offdesign operation of kraft recovery boiler

A model to solve heat and mass balances during the offdesign load calculations was created. These equations are complex and nonlinear. The main new ideas used in the created offdesign model of a kraft recovery boiler are the use of heat flows as torn iteration variables instead of the current practice of using the mass flows, vectorizing equation solving, thus speeding up the process, using non dimensional variables for solving the multiple heat transfer surface problem and using a new procedure for calculating pressure losses. Recovery boiler heat and mass balances are reduced to vector form. It is shown that these vectorized equations can be solved virtually without iteration. The iteration speed is enhanced by the use of the derived method of calculating multiple heat transfer surfaces simultaneously. To achieve this quick convergence the heat flows were used as the torn iteration parameters. A new method to handle pressure loss calculations with linearization was presented. This method enabled less time to be spent calculating pressure losses. The derived vector representation of the steam generator was used to calculate offdesign operation parameters for a 3000 tds/d example recovery boiler. The model was used to study recovery boiler part load operation and the effect of the black liquor dry solids increase on recovery boiler dimensioning. Heat flows to surface elements for part load calculations can be closely approximated with a previously defined exponent function. The exponential method can be used for the prediction of fouling in kraft recovery boilers. For similar furnaces the firing of 80 % dry solids liquor produces lower hearth heat release rate than the 65 % dry solids liquor if we fire at constant steam flow. The furnace outlet temperatures show that capacity increase with firing rate increase produces higher loadings than capacity increase with dry solids increase. The economizers, boiler banks and furnaces can be dimensioned smaller if we increase the black liquor dry solids content. The main problem with increased black liquor dry solids content is the decrease in the heat available to superheat. Whenever possible the furnace exit temperature should be increased by decreasing the furnace height. The increase in the furnace exit temperature is usually opposed because of fear of increased corrosion.

Modern recovery boiler design criteria

Engineering and pricing of large recovery boiler were studied in this work. Engineering was carried out with Anita 4.2 which is an engineering program of Andritz. Key initial values were chosen with previous studies. Primary target of this work was to find out the consequences that furnace dimensions and furnace screen vertical part has to boiler pricing. Boilers that were engineered had different rate of furnace width and depth and different heat transfer plate count. Boiler balances were invariable. Boilers with different vertical screen construction were also calculated. First variation was boiler with vertical screen up to furnace roof. Other variation was to connect vertical screen to Pre-boiler generating bank inlet tubes. Total prices were calculated to engineered boilers. Pricing was sort out to heat transfers, high pressure pipes, steel structures, auxiliary equipments and civil/structural costs. This study did not notice parts of the boiler which costs do not vary with the construction of the boiler. Heat transfers had the largest share of costs. Boiler building had the most significant differences between the boilers. Furnace screen had also significant role especially to costs of the boiler building.

Liuottajasäiliön hönkien käsittely täytekappalepesurilla

Soodakattilan liuottajasäiliön hönkä on ongelmallinen kaasu sen sisältävän suuren vesihöyrypitoisuuden, pölyn sekä rikkiyhdisteiden vuoksi. Nykyisin sitä ei voida johtaa ilmakehään käsittelemättömänä. Tässä diplomityössä kuvatun järjestelmän avulla liuottajasäiliön hönkä hävitetään soodakattilan tulipesässä. Liuottajasäiliöstä tulevasta höngästä poistetaan kosteutta sekä kiintoaineita jäähdyttämällä sitä täytekappalepesurissa. Tähän diplomityöhön liittyen suunniteltiin koeohjelma. Kokeiden tarkoituksena on tarkastella sekä hönkäpesurin että koko järjestelmän toimintaa erilaisilla kaasun ja nesteen virtauksilla. Lisäksi koeohjelmaan otettiin mukaan höngän esipesurin, sulan hajotushöyryn ja kiertonesteen lämmönsiirtimen toiminnan vaikutus koko järjestelmään. Diplomityössä kuvattujen kokeiden tuloksia ei julkaista tässä työssä. Lopuksi työssä on tarkasteltu höngän ja kiertonesteen laadun vaikutusta täytekappalepesurin sekä koko järjestelmän toimintaan.

A three dimensional study of heat transfer in a supercritical circulating fluidized bed combustor

From the boiler design point of view, it is imperative to know and understand the operation of the boiler. Since comprehensive measurement of a large furnace is impossible, the furnace can be modeled in order to study its behavior and phenomena. This requires the used model to be validated to correspond with the physical furnace behavior. In this thesis, a three dimensional furnace model is validated to match a bituminous coal utilizing, supercritical once-through circulating fluidized bed combustor based on measurement data. The validated model is used for analyzing the furnace heat transfer. Other heat transfer analysis methods are energy balance method based on tube surface temperature measurements and a method based on measured temperature difference between the tube crest and the fin. The latter method was developed in the thesis using Fluent-software. In the theory part, literature is reviewed and the fundamental aspects of circulating fluidized bed are discussed. These aspects are solid particle behavior in fluidization known as hydrodynamics, behavior of fuel and combustion and heat transfer. Fundamental aspects of modeling are also presented.