Development of Furnace Model for Bubbling Fluidized Bed Boiler

The aim of this thesis was to develop a model, which can predict heat transfer, heat release distribution and vertical temperature profile of gas phase in the furnace of a bubbling fluidized bed (BFB) boiler. The model is based on three separate model components that take care of heat transfer, heat release distribution and mass and energy balance calculations taking into account the boiler design and operating conditions. The model was successfully validated by solving the model parameters on the basis of commercial size BFB boiler test run information and by performing parametric studies with the model. Implementation of the developed model for the Foster Wheeler BFB design procedures will require model validation with existing BFB database and possibly more detailed measurements at the commercial size BFB boilers.

Esisuunnitteluohjelmiston kehitys BFB-höyrykattiloille

Tämä diplomityö käsittelee Andritz Oy:n BFB-voimalaitosten tarjoustoimintaan kehitettävää esisuunnitteluohjelmistoa. Tässä työssä on esitelty kattiloiden tarjoustoimintaan liittyviä seikkoja etenkin laskennan ja tekniikan näkökulmasta. Työssä on myös koottu tietoa polttoaineista ja BFB-kattiloiden suunnittelusta ja mitoituksesta. Työn aikana kehitettiin ohjelmisto, jolla on mahdollista luoda eri BFB-kattila tarjousprojekteja. Projekteille on mahdollista luoda useita eri taselaskelmia eri lähtöarvoilla ja useilla eri polttoaineilla, sekä niiden seoksilla. Ohjelmakehityksessä painotettiin suunnittelun joustavuutta eri konfiguraatioille, mahdollisimman tarkkaa laskentaa ja ylläpidon merkitystä. Ohjelmistokehityksessä päätettiin käyttää Microsoft Excel ohjelmistoa laskentaympäristönä. Tällöin pystyttiin luomaan käyttäjille tuttu käyttöympäristö ja mahdollistaa vanhojen hyväksi todettujen laskentapohjien käyttö apuna kehityksessä. Tämä mahdollistaa myös ylläpidon toimialueen ammattilaisten toimesta jatkossa.

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.

Kuplivan leijukerroksen poltto- ja lämpötekninen tarkastelu

Työn tavoitteena oli luoda menetelmä leijukerroskattilan petin lämpötilojen ja toiminta-alueen arvioimiseksi annetuilla lähtötiedoilla. Toimintatapana oli tutkia polttoaineen ominaisuuksien ja kattilan geometrian vaikutuksia petin energiataseeseen ja tätä kautta petin lämpötilaan kattilan ajotapa huomioiden. Työn teoriaosassa esitellään aluksi biopolttoaineiden ominaisuuksia ja leijukerroskattilan toimintaa petin toimintaympäristön selvittämiseksi. Teoriaosan lopussa käsitellään perusteellisesti petin hydrodynamiikkaa ja reaktiokinettikkaa sekä petin alueen mekaanista mitoitusta. Lisäksi polttoaineen syöttötapa ja palaminen petissä tuodaan esille. Tutkimusosassa selvitetään petin energiatasemallin määrittämistä teoriaan ja diplomityön aikana eri kattiloilla suoritettuihin mittauksiin perustuen. Mittauksista on erillinen selvitys seitsemännessä kappaleessa. Lopuksi kuvaillaan petin energiatasetta mallintavan menetelmän toimintaa sekä siihen syötettäviä lähtötietoja. Tuloksena on saatu suppealla alueella toimiva laajennettavissa oleva petin energiataseen malli. Menetelmän testaamiseen käytetään mittaustietoa kahdelta kattilalta, joita ei olla käytetty petin energiatasemallin virityksessä.

Pienet biopolttoainekattilat

Tässä työssä selvitetään mitä kattilatyyppejä käytetään biopolttoainekattiloissa joiden lämpöteho on alle 30 MW. Näiden kattilatyyppien toimintaperiaate esitellään ja tutustaan suurimpien Suomessa toimivien kattilavalmistajien tuotteisiin ja referensseihin. Lisäksi työn alussa kerrotaan, että biopolttoaineiden käytön lisäämisen taustalla ovat EU:n asettamat tavoitteet hiilidioksidipäästöjen vähentämisessä, uusiutuvan energian osuuden lisäämisessä energiantuotannossa ja energiaomavaraisuuden parantamisessa. Tämän jälkeen esitellään sitä, kuinka tällä hetkellä energiantuotannossa keskitytään kivihiilen korvaamiseen erilaisilla biopolttoaineilla, joista tärkein on metsähake.

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.

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.

Control of Bubbling Fluidized Bed Conditions

The objectives of this master’s thesis were to understand the importance of bubbling fluidized bed (BFB) conditions and to find out how digital image processing and acoustic emission technology can help in monitoring the bed quality. An acoustic emission (AE) measurement system and a bottom ash camera system were evaluated in acquiring information about the bed conditions. The theory part of the study describes the fundamentals of BFB boiler and evaluates the characteristics of bubbling bed. Causes and effects of bed material coarsening are explained. The ways and methods to monitor the behaviour of BFB are determined. The study introduces the operating principles of AE technology and digital image processing. The empirical part of the study describes an experimental arrangement and results of a case study at an industrial BFB boiler. Sand consumption of the boiler was reduced by optimization of bottom ash handling and sand feeding. Furthermore, data from the AE measurement system and the bottom ash camera system was collected. The feasibility of these two systems was evaluated. The particle size of bottom ash and the changes in particle size distribution were monitored during the test period. Neither of the systems evaluated was ready to serve in bed quality control accurately or fast enough. Particle size distributions according to the bottom ash camera did not correspond to the results of manual sieving. Comprehensive interpretation of the collected AE data requires much experience. Both technologies do have potential and with more research and development they may enable acquiring reliable and real-time information about the bed conditions. This information could help to maintain disturbance-free combustion process and to optimize bottom ash handling system.

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.

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.

Optimisation of data analysis method for a fluidized bed combustion test rig

Nowadays the used fuel variety in power boilers is widening and new boiler constructions and running models have to be developed. This research and development is done in small pilot plants where more faster analyse about the boiler mass and heat balance is needed to be able to find and do the right decisions already during the test run. The barrier on determining boiler balance during test runs is the long process of chemical analyses of collected input and outputmatter samples. The present work is concentrating on finding a way to determinethe boiler balance without chemical analyses and optimise the test rig to get the best possible accuracy for heat and mass balance of the boiler. The purpose of this work was to create an automatic boiler balance calculation method for 4 MW CFB/BFB pilot boiler of Kvaerner Pulping Oy located in Messukylä in Tampere. The calculation was created in the data management computer of pilot plants automation system. The calculation is made in Microsoft Excel environment, which gives a good base and functions for handling large databases and calculations without any delicate programming. The automation system in pilot plant was reconstructed und updated by Metso Automation Oy during year 2001 and the new system MetsoDNA has good data management properties, which is necessary for big calculations as boiler balance calculation. Two possible methods for calculating boiler balance during test run were found. Either the fuel flow is determined, which is usedto calculate the boiler's mass balance, or the unburned carbon loss is estimated and the mass balance of the boiler is calculated on the basis of boiler's heat balance. Both of the methods have their own weaknesses, so they were constructed parallel in the calculation and the decision of the used method was left to user. User also needs to define the used fuels and some solid mass flowsthat aren't measured automatically by the automation system. With sensitivity analysis was found that the most essential values for accurate boiler balance determination are flue gas oxygen content, the boiler's measured heat output and lower heating value of the fuel. The theoretical part of this work concentrates in the error management of these measurements and analyses and on measurement accuracy and boiler balance calculation in theory. The empirical part of this work concentrates on the creation of the balance calculation for the boiler in issue and on describing the work environment.

Dynamic Model of a Small Once-Through Boiler

In this study, a model for the unsteady dynamic behaviour of a once-through counter flow boiler that uses an organic working fluid is presented. The boiler is a compact waste-heat boiler without a furnace and it has a preheater, a vaporiser and a superheater. The relative lengths of the boiler parts vary with the operating conditions since they are all parts of a single tube. The present research is a part of a study on the unsteady dynamics of an organic Rankine cycle power plant and it will be a part of a dynamic process model. The boiler model is presented using a selected example case that uses toluene as the process fluid and flue gas from natural gas combustion as the heat source. The dynamic behaviour of the boiler means transition from the steady initial state towards another steady state that corresponds to the changed process conditions. The solution method chosen was to find such a pressure of the process fluid that the mass of the process fluid in the boiler equals the mass calculated using the mass flows into and out of the boiler during a time step, using the finite difference method. A special method of fast calculation of the thermal properties has been used, because most of the calculation time is spent in calculating the fluid properties. The boiler was divided into elements. The values of the thermodynamic properties and mass flows were calculated in the nodes that connect the elements. Dynamic behaviour was limited to the process fluid and tube wall, and the heat source was regarded as to be steady. The elements that connect the preheater to thevaporiser and the vaporiser to the superheater were treated in a special way that takes into account a flexible change from one part to the other. The model consists of the calculation of the steady state initial distribution of the variables in the nodes, and the calculation of these nodal values in a dynamic state. The initial state of the boiler was received from a steady process model that isnot a part of the boiler model. The known boundary values that may vary during the dynamic calculation were the inlet temperature and mass flow rates of both the heat source and the process fluid. A brief examination of the oscillation around a steady state, the so-called Ledinegg instability, was done. This examination showed that the pressure drop in the boiler is a third degree polynomial of the mass flow rate, and the stability criterion is a second degree polynomial of the enthalpy change in the preheater. The numerical examination showed that oscillations did not exist in the example case. The dynamic boiler model was analysed for linear and step changes of the entering fluid temperatures and flow rates.The problem for verifying the correctness of the achieved results was that there was no possibility o compare them with measurements. This is why the only way was to determine whether the obtained results were intuitively reasonable and the results changed logically when the boundary conditions were changed. The numerical stability was checked in a test run in which there was no change in input values. The differences compared with the initial values were so small that the effects of numerical oscillations were negligible. The heat source side tests showed that the model gives results that are logical in the directions of the changes, and the order of magnitude of the timescale of changes is also as expected. The results of the tests on the process fluid side showed that the model gives reasonable results both on the temperature changes that cause small alterations in the process state and on mass flow rate changes causing very great alterations. The test runs showed that the dynamic model has no problems in calculating cases in which temperature of the entering heat source suddenly goes below that of the tube wall or the process fluid.

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.

Environmental requirements and environmental management system of boiler plant supplier

Työn tärkeimpänä tavoitteena oli edistää ympäristöjärjestelmän laatimista Kvaerner Pulping, Power divisioonan Kattilat-liiketoimintayksikölle. Lisäksi tavoitteena oli tarkastella yritykseen kohdistuvia ympäristövaatimuksia ja niiden vaikutusta yrityksen toimintaan. Aluksi työssä tarkasteltiin ympäristöjärjestelmästandardien sisältöjä ja niiden eroja. Työssä käsiteltiin myös erilaisia elinkaarijohtamisen malleja, joita voidaan hyödyntää yrityksen kokonaisvaltaisessa ympäristöjärjestelmässä. Työssä tarkasteltiin myös sidosryhmien vaikutusta yrityksen ympäristötoimintaan. Kattilalaitostoimittajan tärkeimpiä asiakkaita ovat sellu- ja paperiteollisuus. Näihin yrityksiin on kohdistunut runsaan kymmenen vuoden aikana paineita ympäristötoiminnan tehostamiseksi. Tämän kehityksen seurauksena vastaavat tehostamispaineet ovat siirtymässä myös alihankkijoille, kuten kattilaitostoimittajille. Tehokkaan ympäristöjohtamisen takaamiseksi työssä määriteltiin ympäristövastuut ja –valtuudet sekä ympäristöpäämäärät ja –tavoitteet. Lisäksi tunnistettiin yrityksen toimintaan liittyvät ympäristönäkökohdat ja –riskit. Työn yhteydessä laadittiin ympäristöjärjestelmän luonnos, ja se sisältää jatkuvan parantamisen periaatteen. Työn yhteydessä laadittiin lisäksi Kvaerner Pulping Oy:n koelaitokselle ympäristölupahakemus. Työssä on kuvattu koelaitosta ja sen ympäristölupahakemukseen liittyviä asioita esimerkkinä parantuneesta ympäristöasioiden hoidosta.

Development of a PC Tool for Estimating Pressure Drops in Forced-convection Boiler Tubes

Kaksifaasivirtauksen kuvaamiseen käytettävät mallit, ja menetelmät kaksifaasivirtauksen painehäviön määrittämiseksi kehittyvät yhä monimutkaisimmiksi. Höyrystinputkissa tapahtuvien painehäviöiden arvioinnin vaatiman laskennan suorittamiseksi tietokoneohjelman kehittäminen on välttämätöntä. Tässä työssä on kehitetty itsenäinen PC-ohjelma painehäviöiden arvioimiseksi pakotetulle konvektiovirtaukselle pystysuorissa höyrykattilan höyrystinputkissa. Veden ja vesihöyryn aineominaisuuksien laskentaan käytetään IAPWS-IF97 –yhtälökokoelmaa sekä muita tarvittavia IAPWS:n suosittelemia yhtälöitä. Höyrystinputkessa kulloinkin vallitsevan virtausmuodon määrittämiseen käytetään sovelluskelpoisia virtausmuotojen välisiä rajoja kuvaavia yhtälöitä. Ohjelmassa käytetään painehäviön määritykseen kirjallisuudessa julkaistuja yhtälöitä, virtausmuodosta riippuen, alijäähtyneelle virtaukselle, kupla-, tulppa- ja rengasvirtaukselle sekä tulistetun höyryn virtaukselle. Ohjelman laskemia painehäviöarvioita verrattiin kirjallisuudesta valittuihin mittaustuloksiin. Laskettujen painehäviöiden virhe vaihteli välillä –19.5 ja +23.9 %. Virheiden itseisarvojen keskiarvo oli 12.8 %.