Kerrosleijukattilan sekundääri-ilmansyöttöjärjestelmän kehittäminen

Työn tarkoituksena oli kehittää kerrosleijukattilan sekundääri-ilmansyöttöä. Työssä tutkittiin tulipesässä ilmasuihkujen käyttäytymiseen vaikuttavia tekijöitä sekä eri ilmansyöttömallien vaikutuksia tulipesäolosuhteisiin. Sekundääri- ja tertiääri-ilmasuihkujen tehtävänä on sekoittaa tulipesän kaasuja sekä tuoda happi leijupetin yläpuolelle haihtuneiden aineiden palamisen loppuun saattamiseksi. Kaasujen sekoittumiseen vaikuttavat ilmasuihkun ja ristivirtauksen liikemäärien suhde, suutinten koko ja sijoittelu toisiinsa nähden. Ilmasuihku saavuttaa paremman tunkeutuvuuden ja siten tehokkaamman sekoittumisen suuttimen koon kasvaessa. Lisäksi tunkeutuvuus paranee suutinten välisen etäisyyden sekä ilmasuihkun ja ristivirtauksen liikemäärien suhteen kasvaessa. Optimaalisen suutinten välisen etäisyyden osoitettiin riippuvan suuttimen ja tulipesän koosta sekä ilmasuihkun ja ristivirtauksen liikemäärien suhteesta. Saatujen tulosten mukaan sekundääri- ja tertiääri-ilmatasoilla tulee suosia suuria harvaan ja lomittain sijoitettuja suuttimia. Ilmansyöttömalleja tutkittiin numeerisesti mallintamalla, ja saatujen tulosten perusteella tehokkain sekoittuminen saavutettiin sijoittamalla sekundääri-ilmasuuttimet tulipesän kahdelle vastakkaiselle seinälle.

Puun ja turpeen sekapolton vaikutus leijukerroskattilan hiukkaspäästöihin

Työn tavoitteena oli tutkia vaikuttaako puupolttoaineen lisääminen turpeen joukkoon leijukerroskattilan hiukkaspäästöihin tai sähkösuodattimen erotusasteeseen. Työn teoriaosassa selvitettiin hiukkaspäästöjen muodostumista leijukerrospoltossa ja vertailtiin eri polttotekniikoiden hiukkaspäästöjä. Lisäksi esiteltiin erilaisia hiukkasten erottamiseen soveltuvia erotuslaitteita. Tarkastelussa keskityttiin sähkösuodattimeen, joka on yleisin hiukkasten erottamiseen käytettävä erotuslaite. Työn kokeellinen osa suoritettiin turvetta ja puuta polttavalla kuplivalla leijukerroskattilalla. Kokeellisessa osassa tutkittiin vaikuttaako puun lisäys syntyvien hiukkasten kokojakaumiin, sähkösuodattimen jälkeiseen kokonaishiukkaspäästöön tai sähkösuodattimen erotusasteeseen. Kokeet suoritettiin sekä pelkkänä turpeenpolttona (2 koetta), että kahdella eri puu/turve-polttoainesuhteella. Kokojakaumamittaukset suoritettiin lisäksi kahdella eri menetelmällä. Kokojakaumamittausten perusteella todettiin puun lisäyksen kasvattavan pienhiukkasten muodostumista. Pienhiukkasten osuus kasvoi sekapolton myötä myös sähkösuodattimen jälkeen. Sekapoltolla ei sen sijaan ollut selvää vaikutusta kokonaishiukkaspäästöön tai sähkösuodattimen erotusasteeseen.

Biopolttoaineseoksen poltosta aiheutuvien ongelmien arviointityökalu.

Biopolttoaineiden erityispiirteitä ovat alhainen lämpöarvo, korkea kosteuspitoisuus ja suuri haihtuvien aineiden määrä. Lisäksi biopolttoaineiden tuhkat sisältävät runsaasti alkaleja. Näistä ominaisuuksista seuraa ongelmia, jotka on otettava huomioon biopolttoainetta polttavan voimalaitoksen suunnittelussa ja käytössä. Diplomityössä selvitetään biopolttoaineiden poltosta aiheutuvat ongelmat ja niiden syyt sekä kehitetään työkalu, jonka avulla voidaan arvioida biopolttoaineseoksen polton ongelmien syntymistä. Arviointi tapahtuu biopolttoaineseoksen ominaisuuksien perusteella. Kattilassa vallitsevien, polton aikaisten olosuhteiden vaikutusta syntyviin ongelmiin ei tässä työssä tarkastella. Kun lähtötiedoista lasketut, ongelmien synnyn kannalta olennaiset polttoaineseoksen ja sen tuhkan ominaisuudet tunnetaan, verrataan niitä työssä koottuihin raja-arvoihin. Jos laskettu arvo on suurempi kuin rajaksi asetettu arvo, on todennäköistä, että kattilassa esiintyy ongelmia. Suurimmat ongelmat biopolttoaineiden leijupoltossa ovat likakerrostumien muodostuminen lämpöpinnoille, leijukerroksen sintraantuminen ja agglomeroituminen sekä lämpöpintojen korkealämpötilakorroosio. Raja-arvoina käytetään sekä tutkimustuloksina saatuja että käytännön kokemuksiin perustuvia arvoja. Raja-arvoja määritettäessä on huomioitu niiden soveltuvuus tarkastelun kohteena olevalle voimalaitokselle, jonka tyyppi ja kokoluokka vaikuttavat käytettäviin raja-arvoihin. Työkalu tukee keskikokoisen biovoimalaitoksen, jossa palaminen tapahtuu kerrosleijukattilassa, tuotteistusprosessia. Työkalua käytetään voimalaitoksen tuotteistuksessa optimaalisen polttoaineseoksen etsimiseen, riskienhallintaan sekä konseptikehitykseen. Lisäksi työkalua tullaan käyttämään valmiin tuotteen myyntiin ja markkinointiin.

Kierrätyspolttoaineen käyttö leijupetikattilan konseptiin

Diplomityö tehtiin Rautjärven kunnassa sijaitsevalle M-real Simpeleen tehtaan voimalaitokselle. Voimalaitoksella on leijupetikattila ja se tuottaa prosessilämmön ja höyryn kartonki- ja paperikoneelle. Vuotuinen energiantuotanto on noin 115 GWh. Diplomityön tavoitteena oli tutkia kierrätyspolttoaineen käyttöä osana voimalaitoksen polttoainekonseptista. Voimalaitoksen biokattila on leijupetikattila, jossa poltetaan tehtaalta tulevaa kuorta ja lietettä sekä tehtaan ulkopuolisia puuperäisiä biopolttoaineita ja turvetta. Yksi työn päätavoitteista oli laatia voimassa olevan ympäristöluvan muutoshakemus, jotta kierrätyspolttoaineen käytölle saataisiin lupa. Suurten polttolaitosten päästöjen tarkkailu- ja raportointivaatimukset ovat uudistuneet viime vuosina paljon. Suurimpia muutosten aiheuttajia ovat Valtioneuvoston asetukset 1017/2002 ja 362/2003. Tässä työssä kuvataan uusien asetusten tuomia vaatimuksia itse kattilalle ja polttoaineen syötölle, jatkuvatoimisille mittalaitteille ja muille suoritettaville mittauksille. Uutena asiana on myös ilmapäästöjen seurantamittaukset ja -tapa, jolla tulokset ilmoitetaan. Mahdollisimman pieniin leijupetikattilamuutoksiin uskotaan pääsevän korvaamalla kierrätyspolttoaine REF1:llä 5 – 10 % turpeesta tai puupolttoaineista.

Kierrätyspolttoaineiden käyttö leijukerrospoltossa vetykaasun kanssa

Tämä diplomityö on tehty Leppäkosken Energia Oy:n ja Kemira Chemicals Oy:n yhteisyritys FC Energia Oy:lle. FC Energia Oy suunnittelee rakentaa uutta bio-vetyvoimalaitosta Sastamalaan. Voimalaitoksella tuotettaisiin Kemira Chemicals Oy:n ylijäämävedystä ja biopolttoaineista sähköä, kaukolämpöä ja prosessihöyryä. Ympäristölupaa on haettu hakkeen, turpeen ja kierrätyspuun poltolle vetykaasun kanssa. Voimalaitoksen kattilan toiminta perustuu kuplivaan leijukerrostekniikkaan. Diplomityössä selvitettiin, mitä muutoksia kierrätyspolttoaineiden käyttö vaatii leijukerrospoltossa verrattuna hakkeen ja turpeen polttoon. Kierrätyspolttoaineena käytetään hyvälaatuista kierrätyspuuta. Kierrätyspuun käytössä sovelletaan jätteenpoltto-asetusta. Jätteenpolttoasetus määrää tiukemmat päästöjen raja-arvot rinnakkaispoltolle kuin hakkeen ja turpeen poltolle sekä jatkuvatoimiset savukaasujen mittauslaitteet. Rinnakkaispolton hiukkasmaisten päästöjen tiukempi raja-arvo vaatii tehokkaamman sähkösuodattimen. Lisäksi kierrätyspuuta käytettäessä tulistimen materiaaliin tulee olla kestävämpää, mikä aiheuttaa huomattavan lisäinvestoinnin. Työn päätavoitteena oli selvittää, onko kierrätyspuun käyttö taloudellisesti kannattavaa. Oletetulla kierrätyspuun hinnalla 10 €/MWh kierrätyspuuta polttavan voimalaitoksen takaisinmaksuaika on sama kuin haketta polttavan laitoksen ja vuoden lyhyempi kuin turvetta polttavan laitoksen. Tulokseksi saatiin, että rinnakkaispoltto käyttö on taloudellisesti kannattavaa hakkeenpolttoon nähden jos kierrätyspuun hinta on alle 11,2 €/MWh. Kierrätyspuun polttoon liittyy toiminnallinen riski, koska vastaavanlaisia rinnakkaispolttolaitoksia ei ole aiemmin rakennettu.

Combustion properties of biomass residues rich in phosphorus

Tillgången på traditionella biobränslen är begränsad och därför behöver man ta fram nya, tidigare outnyttjade biobränslen för att möta de uppställda CO2 emissionsmålen av EU och det ständigt ökande energibehovet. Under de senare åren har intresset riktats mot termisk energiutvinning ur olika restfraktioner och avfall. Vid produktion av fordonsbränsle ur biomassa är den fasta restprodukten ofta den största procesströmmen i produktionsanläggningen. En riktig hantering av restprodukterna skulle göra produktionen mera lönsam och mer ekologiskt hållbar. Ett alternativ är att genom förbränning producera elektricitet och/eller värme eftersom dessa restprodukter anses som CO2-neutrala. Målsättningen med den här avhandlingen var att studera förbränningsegenskaperna hos några fasta restprodukter som uppstår vid framställning av förnybara fordonsbränslen. De fyra undersökta materialen är rapskaka, palmkärnskaka, torkad drank och stabiliserat rötslam. I studien används ett stort urval av undersökningsmetoder, från laboratorieskala till fullskalig förbränning, för att identifiera de huvudsakliga utmaningarna förknippade med förbränning av restprodukterna i pannor med fluidiserad bäddteknik. Med hjälp av detaljerad bränslekarakterisering kunde restprodukterna konstateras vara en värdefull källa för värme- och elproduktion. Den kemiska sammansättningen av restprodukterna varierar stort jämfört med mera traditionellt använda biobränslen. En gemensam faktor för alla de studerade restprodukterna är en hög fosforhalt. På grund av de låga fosforkoncentrationerna i de traditionella biobränslena har grundämnet hittills inte ansetts spela någon större roll i askkemin. Experimenten visade nu att fosfor inte mera kan försummas då man studerar kemin i förbränningsprocesser, då allt flera fosforrika bränslen tränger in på energimarknaden.

Corrosion behaviour of boiler tube materials during combustion of fuels containing Zn and Pb

Många förbränningsanläggningar som bränner utmanande bränslen såsom restfraktioner och avfall råkar ut för problem med ökad korrosion på överhettare och/eller vattenväggar pga. komponenter i bränslena som är korrosiva. För att minimera problemen i avfallseldade pannor hålls ångparametrarna på en relativt låg nivå, vilket drastiskt minskar energiproduktionen. Beläggningarna i avfallseldade pannor består till största delen av element som är förknippade med högtemperaturkorrosion: Cl, S, alkalimetaller, främst K och Na, och tungmetaller som Pb och Zn, och det finns också indikationer av Br-förekomst. Det låga ångtrycket i avfallseldade pannor påverkar också stålrörens temperatur i pannväggarna i eldstaden. I dagens läge hålls temperaturen normalt vid 300-400 °C. Alkalikloridorsakad (KCl, NaCl) högtemperaturkorrosion har inte rapporterats vara relevant vid såpass låga temperaturer, men närvaro av Zn- och Pb-komponenter i beläggningarna har påvisats förorsaka ökad korrosion redan vid 300-400 °C. Vid förbränning kan Zn och Pb reagera med S och Cl och bilda klorider och sulfater i rökgaserna. Dessa tungmetallföreningar är speciellt problematiska pga. de bildar lågsmältande saltblandningar. Dessa lågsmältande gasformiga eller fasta föreningar följer rökgasen och kan sedan fastna eller kondensera på kallare ytor på pannväggar eller överhettare för att sedan bilda aggressiva beläggningar. Tungmetallrika (Pb, Zn) klorider och sulfater ökar risken för korrosion, och effekten förstärks ytterligare vid närvaro av smälta. Motivet med den här studien var att få en bättre insikt i högtemperaturkorrosion förorsakad av Zn och Pb, samt att undersöka och prediktera beteendet och motståndskraften hos några stålkvaliteter som används i överhettare och pannväggar i tungmetallrika förhållanden och höga materialtemperaturer. Omfattande laboratorie-, småskale- och fullskaletest utfördes. Resultaten kan direkt utnyttjas i praktiska applikationer, t.ex. vid materialval, eller vid utveckling av korrosionsmotverkande verktyg för att hitta initierande faktorer och förstå deras effekt på högtemperaturkorrosion.

Puu- ja turvetuhkan hyötykäyttökelpoisuuteen vaikuttavat tekijät pienillä polttolaitoksilla

Energiantuotannossa syntyvä tuhka voi olla laadultaan hyvin vaihtelevaa ja laadunvaihtelulle on haastavaa löytää yksiselitteistä syy-seuraussuhdetta. Ympäristönsuojelulainsäädäntö ja taloudelliset intressit ohjaavat tuhkantuottajia etsimään tuhkalle sopivia hyötykäyttökohteita, ja sen vuoksi tuhkan laatuun ja hyötykäyttökelpoisuuteen vaikuttavia tekijöitä on tarpeen selvittää. Tässä diplomityössä on tutkittu pienissä, alle 50 MW:n polttolaitoksissa syntyvää tuhkaa. Tavoitteena oli selvittää, kuinka tuhkan hyötykäyttökelpoisuuteen voidaan vaikuttaa. Tutkimuksen kohteena oli polttoainekoostumuksen, poltto-olosuhteiden ja tuhkan jälkikäsittelyn vaikutus tuhkassa olevien haitta-aineiden pitoisuuksiin ja liukoisuuksin. Työhön sisältyi myös aiemmin tehtyjen tuhka-analyysien tarkastelu sekä tuhkakokeet kahdella kohderyhmään kuuluvalla laitoksella. Työssä todettiin lentotuhkan haitta-ainepitoisuuksien ja -liukoisuuksien olevan keskimäärin korkeampia kuin pohjatuhkan vastaavien, ja että tyypillisesti arinakattilan tuhkien haitta-aineet ylittävät useammin hyötykäyttökelpoisuuden raja-arvoja kuin kuplaleijupetikattilan tuhkien. Lisäksi havaittiin metsätähdehaketuhkan kelpaavan useammin hyötykäyttöön kuin rankahaketuhkan.

Tutkimuskattilan taselaskenta

Diplomityön tavoitteena oli luoda Varkauden energiatutkimuskeskuksen tutkimuskäyttöön tarkoitetun kuplapetikattilan tase- ja säätölaskenta. Työssä on esitelty yleisesti kuplapetikattiloiden teoriaa ja tarkasteltu lyhyesti kuplapetikattilan muodostamaa kokonaisuutta energiantuotannossa. Työssä käsitelty tutkimuskattila ei ehtinyt valmistua ennen tätä diplomityötä, joten mittauksia käytön ajalta ei voitu suorittaa ja sisällyttää tähän työhön. Lisäksi mahdolliset käytössä havaittavat korjaukset ja parannukset taselaskentaan jäivät tämän työn tarkastelun ulkopuolelle. Taselaskennan muodostamisessa hyödynnettiin kattilan suunnitteluvaiheessa luotuja säätö- ja PI-kaavioita. Säätömekaniikkaa luodessa huomioitiin mahdollisimman tarkasti automaatiojärjestelmän vaatimukset ja suorituskyky. Työssä on esitetty suuri määrä kattilalaskennan kannalta keskeisiä yhtälöitä. Prosessia ja säätömekaniikkaa mallinnettiin laskentaperusteisesti, työssä on esitetty yhtälöistä saatavat tulokset kattilaa ajettaessa tyypillisillä arvoilla 100 %:n teholla. Työn tuloksena tutkimuskattilalle saatiin säätömekaniikka, jolla pystytään arvioimaan viipymäaikaa kattilassa. Lasketun viipymäajan avulla polttoprosessi kattilassa voidaan suunnitella ja suorittaa tutkimuskäyttöön vaaditulla tarkkuudella ja laissa säädettyjen määräyksien mukaan, mikäli kierrätyspolttoainetta käytetään yli 50 tonnia vuodessa.

Chemistry of potassium halides and their role in corrosion in biomass and waste firing

Compared to the use of traditional fossil fuels (coal, oil, natural gas), combustion of biomass and waste fuels has several environmental and economic advantages for heat and power generation. However, biomass and waste fuels might contain halogens (Cl, Br, F), alkali metals (Na, K) and heavy metals (Zn, Pb), which may cause harmful emissions and corrosion problems. Hightemperature corrosion occurs typically on furnace waterwalls and superheaters. The corrosion of the boiler tube materials limits the increase of thermal efficiency of steam boilers and leads to costly shutdowns and repairs. In recent years, some concerns have been raised about halogen (Cl, Br, and F)-related hightemperature corrosion in biomass- and waste-fired boilers. Chlorine-related high-temperature corrosion has been studied extensively. The presence of alkali chlorides in the deposits is believed to play a major role in the corrosion observed in biomass and waste fired boilers. However, there is much less information found in literature on the corrosion effect of bromine and fluorine. According to the literature, bromine is only assumed to play a role similar to chlorine; the role of fluorine is even less understood. In this work, a series of bubbling fluidized bed (BFB) bench-scale tests were carried out to characterize the formation and sulfation behaviors of KCl and KBr in BFB combustion conditions. Furthermore, a series of laboratory tests were carried out to investigate the hightemperature corrosion behaviors of three different superheater steels (10CrMo9-10, AISI 347 and Sanicro 28) exposed to potassium halides in ambient air and wet air (containing 30% H2O). The influence of H2O and O2 on the high-temperature corrosion of steels both with and without a salt (KCl) in three gas atmospheres (2% H2O-30% O2-N2, 2% H2O-2% O2-N2 and 30% H2O-2% O2-N2) was also studied. From the bench-scale BFB combustion tests, it was found that HBr has a clearly higher affinity for the available K forming KBr than HCl forming KCl. The tests also indicated that KCl has a higher tendency for sulfation than KBr. From the laboratory corrosion tests in ambient air (also called “dry air” in Paper III and Paper IV), it was found that at relatively low temperatures (≤ 550 °C) the corrosivity of KBr and KF are similar to KCl. At 600 °C, KF showed much stronger corrosivity than KBr and KCl, especially for 10CrMo9-10 and AISI 347. When exposed to KBr or KF, 10CrMo9-10 was durable at least up to 450 °C, while AISI 347 and Sanicro 28 were durable at least up to 550 °C. From the laboratory corrosion tests in wet air (30% H2O), no obvious effect of water vapor was detected at 450 °C. At 550 °C, the influence of water vapor became significant in some cases, but the trend was not consistent. At 550 °C, after exposure with KBr, 10CrMo9-10 suffered from extreme corrosion; after exposure with KF and KCl, the corrosion was less severe, but still high. At 550 °C, local deep pitting corrosion occurred on AISI 347 and Sanicro 28 after exposure with KF. Some formation of K2CrO4 was observed in the oxide layer. At 550 °C, AISI 347 and Sanicro 28 suffered from low corrosion (oxide layer thickness of < 10 μm) after exposure with KBr and KCl. No formation of K2CrO4 was observed. Internal oxidation occurred in the cases of AISI 347 with KBr and KCl. From the laboratory corrosion tests in three different gas atmospheres (2% H2O-30% O2-N2, 2% H2O-2% O2-N2 and 30% H2O-2% O2-N2), it was found that in tests with no salt, no corrosion occurred on AISI 347 and Sanicro 28 up to 600 °C in both the “O2-rich” (2% H2O-30% O2-N2) and “H2O-rich” (30% H2O-2% O2-N2) gas atmospheres; only 10CrMo9-10 showed increased corrosion with increasing temperature. For 10CrMo9-10 in the “O2-rich” atmosphere, the presence of KCl significantly increased the corrosion compared to the “no salt” cases. For 10CrMo9-10 in the “H2O-rich” atmosphere, the presence or absence of KCl did not show any big influence on corrosion. The formation of K2CrO4 was observed only in the case with the “O2-rich” atmosphere. Considering both the results from the BFB tests and the laboratory corrosion tests, if fuels containing Br were to be combusted, the corrosion damage of superheaters would be expected to be higher than if the fuels contain only Cl. Information generated from these studies can be used to help the boiler manufacturers in selecting materials for the most demanding combustion systems.

Heterogeneous mass transfer in fluidized beds by computational fluid dynamics

The main objective of this research is to estimate and characterize heterogeneous mass transfer coefficients in bench- and pilot-scale fluidized bed processes by the means of computational fluid dynamics (CFD). A further objective is to benchmark the heterogeneous mass transfer coefficients predicted by fine-grid Eulerian CFD simulations against empirical data presented in the scientific literature. First, a fine-grid two-dimensional Eulerian CFD model with a solid and gas phase has been designed. The model is applied for transient two-dimensional simulations of char combustion in small-scale bubbling and turbulent fluidized beds. The same approach is used to simulate a novel fluidized bed energy conversion process developed for the carbon capture, chemical looping combustion operated with a gaseous fuel. In order to analyze the results of the CFD simulations, two one-dimensional fluidized bed models have been formulated. The single-phase and bubble-emulsion models were applied to derive the average gas-bed and interphase mass transfer coefficients, respectively. In the analysis, the effects of various fluidized bed operation parameters, such as fluidization, velocity, particle and bubble diameter, reactor size, and chemical kinetics, on the heterogeneous mass transfer coefficients in the lower fluidized bed are evaluated extensively. The analysis shows that the fine-grid Eulerian CFD model can predict the heterogeneous mass transfer coefficients quantitatively with acceptable accuracy. Qualitatively, the CFD-based research of fluidized bed process revealed several new scientific results, such as parametrical relationships. The huge variance of seven orders of magnitude within the bed Sherwood numbers presented in the literature could be explained by the change of controlling mechanisms in the overall heterogeneous mass transfer process with the varied process conditions. The research opens new process-specific insights into the reactive fluidized bed processes, such as a strong mass transfer control over heterogeneous reaction rate, a dominance of interphase mass transfer in the fine-particle fluidized beds and a strong chemical kinetic dependence of the average gas-bed mass transfer. The obtained mass transfer coefficients can be applied in fluidized bed models used for various engineering design, reactor scale-up and process research tasks, and they consequently provide an enhanced prediction accuracy of the performance of fluidized bed processes.

Formation and Control of Trace Metal Emissions in Co-Firing of Biomass, Peat, and Wastes in Fluidised Bed Combustors

Environmentally harmful consequences of fossil fuel utilisation andthe landfilling of wastes have increased the interest among the energy producers to consider the use of alternative fuels like wood fuels and Refuse-Derived Fuels, RDFs. The fluidised bed technology that allows the flexible use of a variety of different fuels is commonly used at small- and medium-sized power plants ofmunicipalities and industry in Finland. Since there is only one mass-burn plantcurrently in operation in the country and no intention to build new ones, the co-firing of pre-processed wastes in fluidised bed boilers has become the most generally applied waste-to-energy concept in Finland. The recently validated EU Directive on Incineration of Wastes aims to mitigate environmentally harmful pollutants of waste incineration and co-incineration of wastes with conventional fuels. Apart from gaseous flue gas pollutants and dust, the emissions of toxic tracemetals are limited. The implementation of the Directive's restrictions in the Finnish legislation is assumed to limit the co-firing of waste fuels, due to the insufficient reduction of the regulated air pollutants in the existing flue gas cleaning devices. Trace metals emission formation and reduction in the ESP, the condensing wet scrubber, the fabric filter, and the humidification reactor were studied, experimentally, in full- and pilot-scale combustors utilising the bubbling fluidised bed technology, and, theoretically, by means of reactor model calculations. The core of the model is a thermodynamic equilibrium analysis. The experiments were carried out with wood chips, sawdust, and peat, and their refuse-derived fuel, RDF, blends. In all, ten different fuels or fuel blends were tested. Relatively high concentrations of trace metals in RDFs compared to the concentrations of these metals in wood fuels increased the trace metal concentrations in the flue gas after the boiler ten- to hundred-folds, when RDF was co-fired with sawdust in a full-scale BFB boiler. In the case of peat, lesser increase in trace metal concentrations was observed, due to the higher initial trace metal concentrations of peat compared to sawdust. Despite the high removal rate of most of the trace metals in the ESP, the Directive emission limits for trace metals were exceeded in each of the RDF co-firing tests. The dominat trace metals in fluegas after the ESP were Cu, Pb and Mn. In the condensing wet scrubber, the flue gas trace metal emissions were reduced below the Directive emission limits, whenRDF pellet was used as a co-firing fuel together with sawdust and peat. High chlorine content of the RDFs enhanced the mercuric chloride formation and hence the mercury removal in the ESP and scrubber. Mercury emissions were lower than theDirective emission limit for total Hg, 0.05 mg/Nm3, in all full-scale co-firingtests already in the flue gas after the ESP. The pilot-scale experiments with aBFB combustor equipped with a fabric filter revealed that the fabric filter alone is able to reduce the trace metal concentrations, including mercury, in the flue gas during the RDF co-firing approximately to the same level as they are during the wood chip firing. Lower trace metal emissions than the Directive limits were easily reached even with a 40% thermal share of RDF co-firing with sawdust.Enrichment of trace metals in the submicron fly ash particle fraction because of RDF co-firing was not observed in the test runs where sawdust was used as the main fuel. The combustion of RDF pellets with peat caused an enrichment of As, Cd, Co, Pb, Sb, and V in the submicron particle mode. Accumulation and release oftrace metals in the bed material was examined by means of a bed material analysis, mass balance calculations and a reactor model. Lead, zinc and copper were found to have a tendency to be accumulated in the bed material but also to have a tendency to be released from the bed material into the combustion gases, if the combustion conditions were changed. The concentration of the trace metal in the combustion gases of the bubbling fluidised bed boiler was found to be a summary of trace metal fluxes from three main sources. They were (1) the trace metal flux from the burning fuel particle (2) the trace metal flux from the ash in the bed, and (3) the trace metal flux from the active alkali metal layer on the sand (and ash) particles in the bed. The amount of chlorine in the system, the combustion temperature, the fuel ash composition and the saturation state of the bed material in regard to trace metals were discovered to be key factors affecting therelease process. During the co-firing of waste fuels with variable amounts of e.g. ash and chlorine, it is extremely important to consider the possible ongoingaccumulation and/or release of the trace metals in the bed, when determining the flue gas trace metal emissions. If the state of the combustion process in regard to trace metals accumulation and/or release in the bed material is not known,it may happen that emissions from the bed material rather than the combustion of the fuel in question are measured and reported.

Ash Particle Erosion on Steam Boiler Convective Section

In this study, equations for the calculation of erosion wear caused by ash particles on convective heat exchanger tubes of steam boilers are presented. Anew, three-dimensional test arrangement was used in the testing of the erosion wear of convective heat exchanger tubes of steam boilers. When using the sleeve-method, three different tube materials and three tube constructions could be tested. New results were obtained from the analyses. The main mechanisms of erosionwear phenomena and erosion wear as a function of collision conditions and material properties have been studied. Properties of fossil fuels have also been presented. When burning solid fuels, such as pulverized coal and peat in steam boilers, most of the ash is entrained by the flue gas in the furnace. In bubbling andcirculating fluidized bed boilers, particle concentration in the flue gas is high because of bed material entrained in the flue gas. Hard particles, such as sharp edged quartz crystals, cause erosion wear when colliding on convective heat exchanger tubes and on the rear wall of the steam boiler. The most important ways to reduce erosion wear in steam boilers is to keep the velocity of the flue gas moderate and prevent channelling of the ash flow in a certain part of the cross section of the flue gas channel, especially near the back wall. One can do this by constructing the boiler with the following components. Screen plates can beused to make the velocity and ash flow distributions more even at the cross-section of the channel. Shield plates and plate type constructions in superheaters can also be used. Erosion testing was conducted with three types of tube constructions: a one tube row, an inline tube bank with six tube rows, and a staggered tube bank with six tube rows. Three flow velocities and two particle concentrations were used in the tests, which were carried out at room temperature. Three particle materials were used: quartz, coal ash and peat ash particles. Mass loss, diameter loss and wall thickness loss measurements of the test sleeves were taken. Erosion wear as a function of flow conditions, tube material and tube construction was analyzed by single-variable linear regression analysis. In developing the erosion wear calculation equations, multi-variable linear regression analysis was used. In the staggered tube bank, erosion wear had a maximum value in a tube row 2 and a local maximum in row 5. In rows 3, 4 and 6, the erosion rate was low. On the other hand, in the in-line tube bank the minimum erosion rate occurred in tube row 2 and in further rows the erosion had an increasing value, so that in a six row tube bank, the maximum value occurred in row 6.

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.

Combustibility of Paper Mill Rejects

Tämän työn tarkoituksena oli selvittää mekaanisen massan valmistuksen käsittävän paperitehtaan rejektija jätevirtojen poltettavuutta, jos paperitehtaan vesikiertojen sulkemisastetta lisätään. Jotta prosessin tilannetta sulkemisen jälkeen saatiin arvioitua, Anjalan paperitehtaan nykypäivän PK3:n prosessia tutkittiin kuorimolta jätevesilaitokselle. Kirjallisuusosassa käsiteltiin rejekti- ja jätevirtojen alkuperää mekaanista massaa käyttävässä paperitehtaassa. Myös tämän päivän jätevedenkäsittelyprosessit sekä sulkemisessa mahdolliset prosessiveden puhdistustekniikat esiteltiin lyhyesti. Lisäksikäytiin läpi nykypäivänä metsäteollisuudessa käytössä olevat polttotekniikat sekä polttoaineiden karakterisointi kattilan käytettävyyden ja päästöjen kannalta. Anjalan PK3:lla käytetään sekä peroksidi- että ditioniittivalkaistua tai pelkästään ditioniittivalkaistua hioketta riippuen tuotannossa olevasta lajista. PK3-prosessissa syntyneet jätevesi-, liete- ja muut jätevirrat selvitettiin molemmissa valkaisuolosuhteissa. Prosessin eniten liuennutta orgaanista ainesta sisältävät jätevesijakeet, 3-hiomon kuumankierron ja kirkassuodoksen ulosajot sekä kuoripuristimen suodos, valittiin puhdistettaviksi virroiksi prosessin sulkemista arvioitaessa. Kun peroksidivalkaisua käytettiin 3-hiomolla, TOC-kuorma jokeen oli 30 % suurempi kuin pelkällä ditioniittivalkaisulla. Jos prosessin sulkemisastetta lisättäisiin, TOC-kuorma olisi 30 %pienempi kuin tänäpäivänä peroksidivalkaisua käytettäessä (80 % puhdistustehokkuudella). Prosessin sulkemisastetta lisättäessä biolietettä muodostuisi n. 30 % vähemmän verrattuna nykytilanteeseen, sillä mikrobien ravintona käyttämää orgaanista ainesta päätyisi vähemmän jäteveteen. 3-hiomon peroksidivalkaisun vaikutus kattilan käytettävyyteen ja päästöihin oli pieni, sillä biolietteen osuus polttoaineen syötöstä oli vain 4 %. Vain osa biolietteestä muodostui 3-hiomolta peräisin olevaa orgaanista ainesta poistettaessa. Jos nykyisen pääpolttoaineen, PDF:n,osuuden jättää huomioimatta, SO2- ja NOx-päästöt sekä leijupedin sintrautuvuus ovat hiukan suuremmat käytettäessä peroksidivalkaisua 3-hiomolla kuin pelkästään ditioniittivalkaisulla. Jos kuoripuristimen ja hiomon suodosten puhdistuksen konsentraatit johdetaan poltettaviksi BFB-tyyppiseen kattilaan, leijupedin sintrautuminen tulisi olemaan suurin ongelma. Myös raskasmetalli-, SO2- ja NOx-päästöt lisääntyisivät merkittävästi verrattuna nykyiseen tilanteeseen. Sen sijaan kattilan korroosioriski tuskin lisääntyisi. Lisäksi konsentraattien kosteuspitoisuus olisi korkea, mikä tekisi poltosta kannattamatonta veden haihdutuksen vaatiessa paljon energiaa. Yksityiskohtaisempaa tutkimusta tarvitaan vielä prosessin sulkemisen vaikutuksista päästöihin ja kattilan käytettävyyteen. Myös muita konsentraattien hävittämismahdollisuuksia tulisi tutkia lisää.