Arinakattilan lämmönsiirron laskentamallin kehittäminen

Kattilalaitosten polttoaineen syötössä ilmenevät häiriöt ja biopolttoaineiden laatuvaihtelut aiheuttavat epävakaata palamista ja tekevät prosessin hallinnasta vaikeampaa. Polttoaineen laatuvaihtelut vaikuttavat koko prosessiin ja näkyvät lopulta myös höyryntuotannossa. Kompensoinnilla pyritään estämään häiriöiden suuret vaikutukset höyryn tuotantoon. Tarkoituksena on saada kattilan toiminta ja tehon tuotanto tasaisemmaksi ja helpommin hallittavaksi. Tässä diplomityössä tarkastellaan polttoaineen ominaisuuksien, säteilylämmönsiirron sekä säätöjen vaikutusta toisiinsa ja merkitystä kattilan toiminnan kannalta. Työssä muodostetaan säteilylämmönsiirron laskentamalli arinakattilan tulipesälle käyttäen hyväksi hyvin sekoittuneen tulipesän menetelmää. Menetelmällä voidaan määrittääsavukaasujen keskimääräinen lämpötila tulipesässä, lämpövirta tulipesän seiniin tai poltossa vapautuva lämpöteho. Mallin avulla voidaan paremmin ymmärtää prosessin käyttäytymistä polttoaineen laadun muuttuessa sekä helpottaa ja nopeuttaa kattilan käyttäytymisen ennustamista. Laskentamalli tehtiin Excel –laskentaohjelmaan, jossa se testataan. Verifioinnin jälkeen malli on tarkoitus siirtää toimimaan apros –simulointiympäristöön.

Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation:

Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation: S drive = H steam (ρ down + ρ mix) g where: ρ down - density of water in downcomer tubes; ρ mix - density of water in riser tubes; H steam - height of steam content section; g - acceleration of gravity. In steam boilers with natural circulation the circulation rate is usually between 10 and 30. Thus, consumption of water in the circulation circuit “circulation rate times” more than steam output of the boiler. There are two aspects of the design of natural water circulation loops. One is to ensure a sufficient mass flux of circulating water to avoid burnout of evaporator tubes. The other is to avoid tube wall temperature fluctuation and tube vibration due to oscillation of circulation velocity. The design criteria are therefore reduced, in principle, to those of critical heat flux, critical flow rate for burnout, and flow instability. In practical design, however, the circulation velocity and the void fraction at the evaporator tube outlet are used as the design criteria (Seikan I., et. al., 1999). This study has been made with assumption that the heat flux in the furnace of the boiler even all the time. The target of the study was to define the circulation rate of the boiler, thus average heat flux do not change it. I would like to acknowledge professionals from “Foster Wheeler” company for good and comfortable cooperation.

Kuumailmapolttolaitteiston numeerinen virtausmallinnus

Tämä diplomityö perustuu Lappeenrannan teknillisen yliopiston Uusiutuvien energiajärjestelmien laboratorion koelaitteistoon, jolla tutkitaan voimakkaan savukaasunkierrätyksen ja kuumailmapolton soveltuvuutta pienen kokoluokan energiantuotantoprosesseihin. Työn teoriaosassa esitellään tavanomaisesta palamisesta eroavaa kuumailmapolttoa ja tarkastellaan sen ominaisuuksia. Myös työssä käytetyn tutkimusmenetelmän, numeerisen virtauslaskennan, periaatteita ja ominaisuuksia tarkastellaan. Työssä tutkitaan numeerisella virtausmallinnuksella kuumailmapolttolaitteiston virtauskentän käyttäytymistä, kun takaisin tulipesään kierrätettävän savukaasun määrä sekä tulipesän lämpöhäviöiden suuruus vaihtelevat. Virtauskentän tarkastelu on tärkeää, sillä palamisilman ja kierrätetyn savukaasun täytyy sekoittua kuumailmapolton aikaansaamiseksi. Työn virtausmallinnus suoritettiin Finflo-virtausratkaisijalla kaksiulotteisena palamisreaktioita mallintamatta. Vaikka työssä käytetyt mallit olivat kaksiulotteisia ja niissä käytettiin yksinkertaistuksia, virtausten käyttäytymisestä tulipesässä saatiin olennaista tietoa, jota voidaan mahdollisesti hyödyntää jatkotutkimuksissa.

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.

Boundary identification in the domain of a parabolic partial differential equation

Bakgrunden och inspirationen till föreliggande studie är tidigare forskning i tillämpningar på randidentifiering i metallindustrin. Effektiv randidentifiering möjliggör mindre säkerhetsmarginaler och längre serviceintervall för apparaturen i industriella högtemperaturprocesser, utan ökad risk för materielhaverier. I idealfallet vore en metod för randidentifiering baserad på uppföljning av någon indirekt variabel som kan mätas rutinmässigt eller till en ringa kostnad. En dylik variabel för smältugnar är temperaturen i olika positioner i väggen. Denna kan utnyttjas som insignal till en randidentifieringsmetod för att övervaka ugnens väggtjocklek. Vi ger en bakgrund och motivering till valet av den geometriskt endimensionella dynamiska modellen för randidentifiering, som diskuteras i arbetets senare del, framom en flerdimensionell geometrisk beskrivning. I de aktuella industriella tillämpningarna är dynamiken samt fördelarna med en enkel modellstruktur viktigare än exakt geometrisk beskrivning. Lösningsmetoder för den s.k. sidledes värmeledningsekvationen har många saker gemensamt med randidentifiering. Därför studerar vi egenskaper hos lösningarna till denna ekvation, inverkan av mätfel och något som brukar kallas förorening av mätbrus, regularisering och allmännare följder av icke-välställdheten hos sidledes värmeledningsekvationen. Vi studerar en uppsättning av tre olika metoder för randidentifiering, av vilka de två första är utvecklade från en strikt matematisk och den tredje från en mera tillämpad utgångspunkt. Metoderna har olika egenskaper med specifika fördelar och nackdelar. De rent matematiskt baserade metoderna karakteriseras av god noggrannhet och låg numerisk kostnad, dock till priset av låg flexibilitet i formuleringen av den modellbeskrivande partiella differentialekvationen. Den tredje, mera tillämpade, metoden kännetecknas av en sämre noggrannhet förorsakad av en högre grad av icke-välställdhet hos den mera flexibla modellen. För denna gjordes även en ansats till feluppskattning, som senare kunde observeras överensstämma med praktiska beräkningar med metoden. Studien kan anses vara en god startpunkt och matematisk bas för utveckling av industriella tillämpningar av randidentifiering, speciellt mot hantering av olinjära och diskontinuerliga materialegenskaper och plötsliga förändringar orsakade av “nedfallande” väggmaterial. Med de behandlade metoderna förefaller det möjligt att uppnå en robust, snabb och tillräckligt noggrann metod av begränsad komplexitet för randidentifiering.

Model development for circulating fluidized bed boiler operation

Comprehensive understanding of the heat transfer processes that take place during circulating fluidized bed (CFB) combustion is one of the most important issues in CFB technology development. This leads to possibility of predicting, evaluation and proper design of combustion and heat transfer mechanisms. The aim of this thesis is to develop a model for circulating fluidized bed boiler operation. Empirical correlations are used for determining heat transfer coefficients in each part of the furnace. The proposed model is used both in design and offdesign conditions. During off-design simulations fuel moisture content and boiler load effects on boiler operation have been investigated. In theoretical part of the thesis, fuel properties of most typical classes of biomass are widely reviewed. Various schemes of biomass utilization are presented and, especially, concerning circulating fluidized bed boilers. In addition, possible negative effects of biomass usage in boilers are briefly discussed.

Jätteenpolton typenoksidipäästöjen vähentäminen

Työn tavoitteena oli selvittää jätteenpolton typenoksidipäästöjen puhdistusmahdollisuuksia. Työssä käydään läpi typen oksidien muodostuminen poltossa ja typen oksidien poistomenetelmät. Poistomenetelmiä käsiteltäessä painotus on arinapoltossa ja erityisesti selektiivisessä ei-katalyyttimenetelmässä (SNCR). Työn kokeellinen osa tehtiin Ekokem Oy Ab:n jätevoimalassa Riihimäellä. Kokeellisessa osassa selvitettiin ensin ammoniakkiveden massavirran, SNCR-laitteiston veden massavirran ja räjähdysnuohouksen vaikutusta typenoksidipitoisuuteen. Samalla selvitettiin muita typenoksidipitoisuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä SNCR-laitteiston puhdistustehokkuus. Sen jälkeen selvitettiin parhaita toiminta-arvoja öljyisen veden massavirralle, SNCR-laitteiston massavirralle ja primääri- ja sekundääri-ilman suhteelle typenoksidipitoisuuden, ammoniakki-slip:n, ilokaasupitoisuuden, ammoniakkiveden kulutuksen ja höyryn tuotannon kannalta. Tulokseksi saatiin, että ammoniakkiveden massavirran lisääminen pienentää typenoksidipitoisuutta, mutta voi aiheuttaa ammoniakkipäästön. Paras SNCR-laitteiston veden massavirta on suurin tutkittu, 800 kg/h, jolloin typenoksidipitoisuus sekä typenoksidipitoisuuden hetkittäinen vaihtelu, ammoniakkiveden kulutus ja ammoniakkipäästö ovat pienimmät. Samalla tosin höyryn virtaama pienenee. SNCR-laitteiston puhdistustehokkuudeksi saatiin 60 %. Räjähdysnuohouksella ei ole havaittavaa, eikä öljyisen veden massavirralla merkittävää vaikutusta typenoksidipitoisuuteen. Ammoniakkiveden kulutuksen kannalta paras öljyisen veden määrä on 600 kg/h, kun taas ammoniakki-slip:n kannalta paras öljyisen veden määrä on 950 kg/h. Primääri-ilman osuuden pienentäminen pienentää ammoniakki-slip:iä ja ammoniakkiveden kulutusta.

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.

Laskentasovelluksen kehittäminen modulaariselle vesiputkikattilalle

Modulaarisella vesiputkikattilalla tarkoitetaan täysin konepajalla valmistettavissa olevaa kattilaa, joka voidaan kuljettaa yhtenä tai muutamana suurena moduulina työmaalle. Tässä diplomityössä käsiteltiin modulaarisen vesiputkikattilan laskentasovelluksen ke-hittämistä KPA Unicon Oy:lle. Työn tavoitteena oli tarkastella modulaarisen vesiputkikattilan lämpöteknistä mitoitusta ja suunnittelua sekä kehittää laskentasovellus, jonka avulla voidaan arvioida kattilan mittoja ja painoa. Laskentasovellus laadittiin Microsoftin Excel-alustalle, josta se on myöhemmin mahdollista siirtää muille ohjelma-alustoille. Laskentasovelluksessa hyödynnetään lämmönsiirron ja virtaustekniikan laskentayhtälöitä sekä -menetelmiä. Sovellukseen valitut laskentayhtälöt sekä -menetelmät ovat yleisesti hyväksyttyjä ja käytännössä testattuja. Diplomityön tuloksena valmistui laskentasovellus, joka kykenee modulaarisen vesiputkikattilan lämpötekniseen mitoittamiseen. Sovelluksen avulla voidaan mitoittaa kattilan tulipesä, tulistimet, höyrystinpinnat sekä ekonomaiseri. Laskentasovellusta on tarkoitus hyödyntää yrityksen tarjousvaiheen projekteissa sekä mahdollisesti kattiloiden esisuunnittelussa. Laskentasovelluksen laatimista varten ei ollut mahdollista hyödyntää toiminnassa olevien kattiloiden prosessitietoja, koska ensimmäiset tämän tyyppiset kattilat ovat asenteilla. Sen sijaan sovelluksen antamia laskentatuloksia verrattiin toisen mitoitusohjelman antamiin tuloksiin, joiden perusteella laskentasovelluksen voidaan olettaa antavan oikeita tuloksia.

Validation of a 3D model for oxygen combustion in a circulating fluidized bed

In this thesis, a model called CFB3D is validated for oxygen combustion in circulating fluidized bed boiler. The first part of the work consists of literature review in which circulating fluidized bed and oxygen combustion technologies are studied. In addition, the modeling of circulating fluidized bed furnaces is discussed and currently available industrial scale three-dimensional furnace models are presented. The main features of CFB3D model are presented along with the theories and equations related to the model parameters used in this work. The second part of this work consists of the actual research and modeling work including measurements, model setup, and modeling results. The objectives of this thesis is to study how well CFB3D model works with oxygen combustion compared to air combustion in circulating fluidized bed boiler and what model parameters need to be adjusted when changing from air to oxygen combustion. The study is performed by modeling two air combustion cases and two oxygen combustion cases with comparable boiler loads. The cases are measured at Ciuden 30 MWth Flexi-Burn demonstration plant in April 2012. The modeled furnace temperatures match with the measurements as well in oxygen combustion cases as in air combustion cases but the modeled gas concentrations differ from the measurements clearly more in oxygen combustion cases. However, the same model parameters are optimal for both air and oxygen combustion cases. When the boiler load is changed, some combustion and heat transfer related model parameters need to be adjusted. To improve the accuracy of modeling results, better flow dynamics model should be developed in the CFB3D model. Additionally, more measurements are needed from the lower furnace to find the best model parameters for each case. The validation work needs to be continued in order to improve the modeling results and model predictability.

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 of fireside deposit formation in two industrial furnaces

Fireside deposits can be found in many types of utility and industrial furnaces. The deposits in furnaces are problematic because they can reduce heat transfer, block gas paths and cause corrosion. To tackle these problems, it is vital to estimate the influence of deposits on heat transfer, to minimize deposit formation and to optimize deposit removal. It is beneficial to have a good understanding of the mechanisms of fireside deposit formation. Numerical modeling is a powerful tool for investigating the heat transfer in furnaces, and it can provide valuable information for understanding the mechanisms of deposit formation. In addition, a sub-model of deposit formation is generally an essential part of a comprehensive furnace model. This work investigates two specific processes of fireside deposit formation in two industrial furnaces. The first process is the slagging wall found in furnaces with molten deposits running on the wall. A slagging wall model is developed to take into account the two-layer structure of the deposits. With the slagging wall model, the thickness and the surface temperature of the molten deposit layer can be calculated. The slagging wall model is used to predict the surface temperature and the heat transfer to a specific section of a super-heater tube panel with the boundary condition obtained from a Kraft recovery furnace model. The slagging wall model is also incorporated into the computational fluid dynamics (CFD)-based Kraft recovery furnace model and applied on the lower furnace walls. The implementation of the slagging wall model includes a grid simplification scheme. The wall surface temperature calculated with the slagging wall model is used as the heat transfer boundary condition. Simulation of a Kraft recovery furnace is performed, and it is compared with two other cases and measurements. In the two other cases, a uniform wall surface temperature and a wall surface temperature calculated with a char bed burning model are used as the heat transfer boundary conditions. In this particular furnace, the wall surface temperatures from the three cases are similar and are in the correct range of the measurements. Nevertheless, the wall surface temperature profiles with the slagging wall model and the char bed burning model are different because the deposits are represented differently in the two models. In addition, the slagging wall model is proven to be computationally efficient. The second process is deposit formation due to thermophoresis of fine particles to the heat transfer surface. This process is considered in the simulation of a heat recovery boiler of the flash smelting process. In order to determine if the small dust particles stay on the wall, a criterion based on the analysis of forces acting on the particle is applied. Time-dependent simulation of deposit formation in the heat recovery boiler is carried out and the influence of deposits on heat transfer is investigated. The locations prone to deposit formation are also identified in the heat recovery boiler. Modeling of the two processes in the two industrial furnaces enhances the overall understanding of the processes. The sub-models developed in this work can be applied in other similar deposit formation processes with carefully-defined boundary conditions.

Fate of fuel-bound nitrogen and sulfur in biomass-fired Industrial boilers

Användning av biomassa som energikälla för produktion av el och värme är ett sätt att minska beroendet av fossila bränslen och höja självförsörjningen av energi. Fossila bränslen är den främsta källan till koldioxid utsläpp förorsakad av människan. Biomassa, å andra sidan, betraktas som en koldioxidneutral energikälla. Svavlet och kvävet i biomassan bildar dock föroreningar såsom kväveoxider (NOX) och svaveldioxid (SO2), som bidrar till försurning av mark och sjöar. Svavlet i bränslet kan även både förorsaka och förhindra korrosion i en förbränningsanläggning, beroende på förbränningen och bränslet. Huvudsyftet med detta arbete var att få en bättre förståelse om hur utsläppen av NOX och SO2 bildas från bränslebundet kväve och svavel vid förbränning av olika biobränslen. Mätkampanjer i fullskaliga förbränningsanläggningar utfördes, där gassammansättningen mättes i eldstaden och rökgasen. Förståelsen om gaskemin i eldstaden är viktig, för att möjliggöra utvecklandet av renare och effektivare förbränningsanläggningar. Ett annat syfte med arbetet var att klargöra om sulfatering av askkomponenter vid förbränning av biobränslen med olika askegenskaper. Alkaliklorider som bildas vid biomassaförbränning kan orsaka korrosion av värmeöverföringsytor. Svavlet i bränslet visade sig ha en viktig roll i att sulfatera alkaliklorider till mindre korrosiva alkalisulfater. Närvaron av gasformig svavelsyra i rökgaskanalen av förbränningsanläggningar studerades även. Kondensering av svavelsyra leder till korrosion av rökgaskanalen och dess delar. Om svavelsyrakoncentrationen i rökgasen är känd, kan daggpunktstemperaturen beräknas och kondensering av svavelsyra förhindras. I arbetet utvecklades en mätmetod för att mäta låga koncentrationer av gasformig svavelsyra i rökgaser. Denna metod användes för att undersöka risken av lågtemperaturkorrosion orsakad av svavelsyra i förbränningsanläggningar. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Käyttämällä biomassaa energianlähteenä voidaan vähentää sähkön- ja lämmöntuotannon riippuvuutta fossiilisiin polttoaineisiin. Biomassan käytöllä voidaan myös lisätä energiantuotannon omavaraisuutta. Fossiiliset polttoaineet ovat pääasiallinen syy ihmisen aiheuttamiin hiilidioksidipäästöihin. Biomassa sen sijaan luetaan hiilidioksidineutraaleihin energianlähteisiin. Biopolttoaineiden käytössä tosin vapautuu typpi- ja rikkioksideja, jotka edesauttavat maaperän ja merien happamoitumista. Lisäksi biopolttoaineen rikki voi sekä vähentää että aiheuttaa laitteiden korroosiota energiantuotannossa riippuen biopolttoaineesta ja palamisesta. Tämän työn päätavoitteena oli selvittää mitä biopolttoaineeseen sitoutuneelle typelle ja rikille tapahtuu teollisissa polttolaitoksissa. Kyseisten oksidien muodostumista tutkittiin polttamalla eri biomassoja polttolaitoksissa. Tutkimukset toteutettiin mittauskampanjoilla useissa polttolaitoksissa. Kaasujen koostumusta mitattiin sekä tulipesässä, että savukaasuista. Kaasujen koostumus varsinkin tulipesässä on tärkeää, jotta tulevaisuudessa voidaan rakentaa puhtaampia ja tehokkaampia polttolaitoksia. Työn toisena tavoitteena oli selvittää biomassan polton yhteydessä tapahtuvaa tuhkan sulfatoitumista. Alkalikloridit, joita muodostuu biomassan poltossa, voivat aiheuttaa lämmönsiirtopintojen korroosiota. Rikki osoittautui tärkeäksi osaksi prosessia, jossa korroosiota aiheuttavat alkalikloridit sulfatoituivat vähemmän korrosoiviksi alkalisulfaateiksi. Myös kaasumaisen rikkihapon läsnäoloa savukaasuissa tutkittiin. On todettu, että kaasumuotoinen rikkihappo johtaa korroosioon savukaasukanavan kylmässä päässä ja sen eri osissa rikkihapon tiivistyessä lämpötilan laskiessa. Mikäli rikkihapon pitoisuus savukaasussa tiedetään, sen kastepiste voidaan laskea ja tiivistyminen estää. Tässä työssä kehitettiin mittausmenetelmä rikkihapon alhaisten pitoisuuksien mittaamiseen. Menetelmää hyödynnettiin polttolaitoksissa, joissa tutkittiin rikkihapon tiivistymisestä johtuvaa korroosiota.

Towards sustainable Iron- and steelmaking with economic optimization

The iron and steelmaking industry is among the major contributors to the anthropogenic emissions of carbon dioxide in the world. The rising levels of CO2 in the atmosphere and the global concern about the greenhouse effect and climate change have brought about considerable investigations on how to reduce the energy intensity and CO2 emissions of this industrial sector. In this thesis the problem is tackled by mathematical modeling and optimization using three different approaches. The possibility to use biomass in the integrated steel plant, particularly as an auxiliary reductant in the blast furnace, is investigated. By pre-processing the biomass its heating value and carbon content can be increased at the same time as the oxygen content is decreased. As the compression strength of the preprocessed biomass is lower than that of coke, it is not suitable for replacing a major part of the coke in the blast furnace burden. Therefore the biomass is assumed to be injected at the tuyere level of the blast furnace. Carbon capture and storage is, nowadays, mostly associated with power plants but it can also be used to reduce the CO2 emissions of an integrated steel plant. In the case of a blast furnace, the effect of CCS can be further increased by recycling the carbon dioxide stripped top gas back into the process. However, this affects the economy of the integrated steel plant, as the amount of top gases available, e.g., for power and heat production is decreased. High quality raw materials are a prerequisite for smooth blast furnace operation. High quality coal is especially needed to produce coke with sufficient properties to ensure proper gas permeability and smooth burden descent. Lower quality coals as well as natural gas, which some countries have in great volumes, can be utilized with various direct and smelting reduction processes. The DRI produced with a direct reduction process can be utilized as a feed material for blast furnace, basic oxygen furnace or electric arc furnace. The liquid hot metal from a smelting reduction process can in turn be used in basic oxygen furnace or electric arc furnace. The unit sizes and investment costs of an alternative ironmaking process are also lower than those of a blast furnace. In this study, the economy of an integrated steel plant is investigated by simulation and optimization. The studied system consists of linearly described unit processes from coke plant to steel making units, with a more detailed thermodynamical model of the blast furnace. The results from the blast furnace operation with biomass injection revealed the importance of proper pre-processing of the raw biomass as the composition of the biomass as well as the heating value and the yield are all affected by the pyrolysis temperature. As for recycling of CO2 stripped blast furnace top gas, substantial reductions in the emission rates are achieved if the stripped CO2 can be stored. However, the optimal recycling degree together with other operation conditions is heavily dependent on the cost structure of CO2 emissions and stripping/storage. The economical feasibility related to the use of DRI in the blast furnace depends on the price ratio between the DRI pellets and the BF pellets. The high amount of energy needed in the rotary hearth furnace to reduce the iron ore leads to increased CO2 emissions.