Syttyminen ja palamisen eteneminen partikkelikerroksessa

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

Development of chemical looping combustion process

Chemical looping combustion (CLC) provides a promising technology to help cut carbon dioxide emissions. CLC is based on separated oxidation and reduction processes. Oxygen carrier, which is made from metal and supporting material, is in continuous recirculation between the air and fuel reactors. The CLC process does not require separation unit for carbon dioxide. The fuel reactor can produce an almost pure carbon dioxide feed which decrease costs of carbon capture and storage (CCS). The CLC method is one of the most promising ones for energy efficient carbon capture. A large amount of literature was examined for this study and from it the most promising methods and designs were chosen. These methods and designs were combined as reactor system design which was then sized during the making of this thesis. Sizing was done with a mathematical model that was further improved during the study.

Three-dimensional model of bubbling fluidized bed combustion

 Diplomityön tarkoituksena on kehittää kolmiulotteinen malli kerrosleijupoltolle. Työn kirjallisuusosa sisältää seuraavat perusteet kerrosleijupolton tekniikasta: yleistiedot, leijutus- ja palamisilmiöt, kiinteän aineen ja kaasun sekoittuminen, päästöt ja lämmönsiirto. Lisäksi palamissysteemin mallinnuksen perusteet ja ratkaisumenetelmät ovat esitelty. Työn mallinnusosassa kehitetty koodi on ohjelmoitu Fortran-ohjelmointikielellä. Kehitetty malli perustuu olemassa olevaan malliin kiertoleijupoltosta. Yhtälö kiintoainekonsentraatioprofiilille on vaihdettu ja kiertovirta on poistettu koodista. Mallilla on tehty herkkyystarkasteluja polttoaineen ja kaasun sekoittumisen sekä reaktiokertoimen vaikutukselle. Visualisointi on tehty ohjelmassa Tecplot 360 ja mallinnustuloksia on vertailtu mitattuihin tuloksiin. Mallin laskemattulokset vastaavat hyvin mittaustuloksia ja kokemusperäisiä tietoja; monissa tapauksissa malli pystyy kvantitatiivisesti kuvaamaan parametrien variointia ja kaikissa tapauksissa malli antaa ainakin kvalitatiivisesti oikeita tuloksia. Työhön liittyvän kehityksen ja mallinnuskokemuksen perusteella on tehty ehdotukset mallin tulevaa kehitystä ja mittauksia varten.

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.

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

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

Model-based study of a chemical-looping combustion process

Chemical-looping combustion (CLC) is a novel combustion technology with inherent separation of the greenhouse gas CO2. The technique typically employs a dual fluidized bed system where a metal oxide is used as a solid oxygen carrier that transfers the oxygen from combustion air to the fuel. The oxygen carrier is looping between the air reactor, where it is oxidized by the air, and the fuel reactor, where it is reduced by the fuel. Hence, air is not mixed with the fuel, and outgoing CO2 does not become diluted by the nitrogen, which gives a possibility to collect the CO2 from the flue gases after the water vapor is condensed. CLC is being proposed as a promising and energy efficient carbon capture technology, since it can achieve both an increase in power station efficiency simultaneously with low energy penalty from the carbon capture. The outcome of a comprehensive literature study concerning the current status of CLC development is presented in this thesis. Also, a steady state model of the CLC process, based on the conservation equations of mass and energy, was developed. The model was used to determine the process conditions and to calculate the reactor dimensions of a 100 MWth CLC system with bunsenite (NiO) as oxygen carrier and methane (CH4) as fuel. This study has been made in Oxygen Carriers and Their Industrial Applications research project (2008 – 2011), funded by the Tekes – Functional Material program. I would like to acknowledge Tekes and participating companies for funding and all project partners for good and comfortable cooperation.

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.

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.

Modelling of combustion and sorbent reactions in three-dimensional flow environment of a circulating fluidized bed furnace

This thesis presents a three-dimensional, semi-empirical, steady state model for simulating the combustion, gasification, and formation of emissions in circulating fluidized bed (CFB) processes. In a large-scale CFB furnace, the local feeding of fuel, air, and other input materials, as well as the limited mixing rate of different reactants produce inhomogeneous process conditions. To simulate the real conditions, the furnace should be modelled three-dimensionally or the three-dimensional effects should be taken into account. The only available methods for simulating the large CFB furnaces three-dimensionally are semi-empirical models, which apply a relatively coarse calculation mesh and a combination of fundamental conservation equations, theoretical models and empirical correlations. The number of such models is extremely small. The main objective of this work was to achieve a model which can be applied to calculating industrial scale CFB boilers and which can simulate all the essential sub-phenomena: fluid dynamics, reactions, the attrition of particles, and heat transfer. The core of the work was to develop the model frame and the required sub-models for determining the combustion and sorbent reactions. The objective was reached, and the developed model was successfully used for studying various industrial scale CFB boilers combusting different types of fuel. The model for sorbent reactions, which includes the main reactions for calcitic limestones, was applied for studying the new possible phenomena occurring in the oxygen-fired combustion. The presented combustion and sorbent models and principles can be utilized in other model approaches as well, including other empirical and semi-empirical model approaches, and CFD based simulations. The main achievement is the overall model frame which can be utilized for the further development and testing of new sub-models and theories, and for concentrating the knowledge gathered from the experimental work carried out at bench scale, pilot scale and industrial scale apparatus, and from the computational work performed by other modelling methods.

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.

Model based analysis of the post-combustion calcium looping process for carbon dioxide capture

This thesis presents a one-dimensional, semi-empirical dynamic model for the simulation and analysis of a calcium looping process for post-combustion CO2 capture. Reduction of greenhouse emissions from fossil fuel power production requires rapid actions including the development of efficient carbon capture and sequestration technologies. The development of new carbon capture technologies can be expedited by using modelling tools. Techno-economical evaluation of new capture processes can be done quickly and cost-effectively with computational models before building expensive pilot plants. Post-combustion calcium looping is a developing carbon capture process which utilizes fluidized bed technology with lime as a sorbent. The main objective of this work was to analyse the technological feasibility of the calcium looping process at different scales with a computational model. A one-dimensional dynamic model was applied to the calcium looping process, simulating the behaviour of the interconnected circulating fluidized bed reactors. The model incorporates fundamental mass and energy balance solvers to semi-empirical models describing solid behaviour in a circulating fluidized bed and chemical reactions occurring in the calcium loop. In addition, fluidized bed combustion, heat transfer and core-wall layer effects were modelled. The calcium looping model framework was successfully applied to a 30 kWth laboratory scale and a pilot scale unit 1.7 MWth and used to design a conceptual 250 MWth industrial scale unit. Valuable information was gathered from the behaviour of a small scale laboratory device. In addition, the interconnected behaviour of pilot plant reactors and the effect of solid fluidization on the thermal and carbon dioxide balances of the system were analysed. The scale-up study provided practical information on the thermal design of an industrial sized unit, selection of particle size and operability in different load scenarios.

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

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