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.

Tarkkuusannostelulaitteen kehittäminen

Prosessiteollisuuden aloilla, kuten lasin raaka-ainelaitoksissa ja laasti- ja tasoitetehtaissa, prosessin onnistumisen kannalta jauhemaisten raaka-aineiden tarkka annostelu on avainasemassa. Diplomityön tarkoituksena oli kehittää olemassa olevan idean pohjalta uusi materiaalin annostelulaite jauhemaisille ja fluidisoituville aineille. Tavoitteena oli suunnitella annostelulaite toimivalle prototyyppiasteelle ja saamaan siitä informaatiota materiaalilaboratoriossa tehtävien annostuskokeiden avulla. Työssä tarkasteltiin aluksi yleisesti jauhemaisen aineen ominaisuuksia ja ongelmia, tyypillisiä annostelulaitteita ja annostustarkkuuteen ja punnitustarkkuuteen vaikuttavia tekijöitä. Varsinainen laitekehitys eteni tyypillisen tuotekehitystyön mukaisesti. Annostuslaite kattaa laaj an dynaamisen toiminta-alueen eli massavirran säätömandollisuus on samalla toimilaitteella aikaisempia annostelulaitteita laajempi. Laite soveltuu erittäin tarkkaan annostukseen hyvin lyhyellä annostusajalla. Hyvät ja luotettavat annostusjärjestelmät myötävaikuttavat merkittävästi koko tehdaskaupan saamiseen, koska asiakas säästää työvoimakustannuksissa ja laatukustannuksissa. Kehittämällä jauhemaisten aineiden annostusta saadaan tekninen etumatka kilpailijoihin nähden.

CFD study of penetration and mixing of fuel in a circulating fluidized bed furnace

The aim of this thesis is to study the mixing of fuel and, also to some extent, the mixing of air in a circulating fluidized bed boiler. In the literature survey part of this thesis, a review is made of the previous experimental studies related to the fuel and air mixing in the circulating fluidized beds. In the simulation part of it the commercial computational fluid dynamics software (FLUENT) is used with the Eulerian multiphase model for studying the fuel mixing in the two and three-dimensional furnace geometries. The results of the three-dimensional simulations are promising and, therefore suggestions are made for the future simulations. The two-dimensional studies give new information of the effects of the fluidization velocity, fuel particle size and fuel density on the fuel mixing. However, the present results show that three-dimensional models produce more realistic representation of the circulating fluidized bed behavior.

Kiertoleijukattilan tulipesän lämmönsiirtoprofiilien määritys ja mallinnus

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

Leijukerroslämmönsiirtimen leijutusjärjestelyjen säätö ja optimointi

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

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

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

The intrinsic mechanisms of softwood fiber damage in brown stock fiber line unit operations Lappeenranta 2010

The effects of pulp processing on softwood fiber properties strongly influence the properties of wet and dry paper webs. Pulp strength delivery studies have provided observations that much of the strength potential of long fibered pulp is lost during brown stock fiber line operations where the pulp is merely washed and transferred to the subsequent processing stages. The objective of this work was to study the intrinsic mechanisms which maycause fiber damage in the different unit operations of modern softwood brown stock processing. The work was conducted by studying the effects of industrial machinery on pulp properties with some actions of unit operations simulated in laboratory scale devices under controlled conditions. An optical imaging system was created and used to study the orientation of fibers in the internal flows during pulp fluidization in mixers and the passage of fibers through the screen openings during screening. The qualitative changes in fibers were evaluated with existing and standardized techniques. The results showed that each process stage has its characteristic effects on fiber properties: Pulp washing and mat formation in displacement washers introduced fiber deformations especially if the fibers entering the stage were intact, but it did not decrease the pulp strength properties. However, storage chests and pulp transfer after displacement washers contributed to strength deterioration. Pulp screening proved to be quite gentle, having the potential of slightly evening out fiber deformations from very deformed pulps and vice versa inflicting a marginal increase in the deformation indices if the fibers were previously intact. Pulp mixing in fluidizing industrial mixers did not have detrimental effects on pulp strength and had the potential of slightly evening out the deformations, provided that the intensity of fluidization was high enough to allow fiber orientation with the flow and that the time of mixing was short. The chemical and mechanical actions of oxygen delignification had two distinct effects on pulp properties: chemical treatment clearly reduced pulp strength with and without mechanical treatment, and the mechanical actions of process machinery introduced more conformability to pulp fibers, but did not clearly contribute to a further decrease in pulp strength. The chemical composition of fibers entering the oxygen stage was also found to affect the susceptibility of fibers to damage during oxygen delignification. Fibers with the smallest content of xylan were found to be more prone to irreversibledeformations accompanied with a lower tensile strength of the pulp. Fibers poor in glucomannan exhibited a lower fiber strength while wet after oxygen delignification as compared to the reference pulp. Pulps with the smallest lignin content on the other hand exhibited improved strength properties as compared to the references.

Kaasun dispergoituminen tehdasmittakaavaisessa keskisakean massan sekoittimessa

Työn tarkoituksena oli selvittää Proto 10 kemikaalisekoittimen kyky dispergoida kaasua keskisakean valkaistun mäntysellun joukkoon. Työssä käytettiin kuvantamistekniikkaa, jonka avulla pystyttiin näkemään sekoittimen ja putkiston sisälle sekoitustapahtuman aikana. Muodostunutta dispersiota tarkasteltiin kolmesta kuvauspisteestä, joista yksi sijaitsi sekoittimen pesässä ja kaksi putkistossa sekoittimen jälkeen. Työssä verrattiin myös laboratoriosekoittimella saatuja tuloksia teollisen mittakaavan sekoittimella saatuihin tuloksiin, sekä määritettiin tarvittava pinta-aktiivisen aineen konsentraatio, jolla saavutettiin ruskeaa massaa vastaava vaahtoaminen. Työn kokeellinen osuus koostui kolmesta osasta. Ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin ruskeasta mänty- ja koivumassasta lingotun suodoksen vaahtoamista ja verrattiin sitä vedellä ja pesuaineella saatavaan vaahtoon. Toisessa vaiheessa suoritettiin referenssiajot laboratoriosekoittimen ja teollisen mittakaavan sekoittimen vertailua varten Quantum Mark IV laboratoriosekoittimella. Kolmannessa vaiheessa tutkittiin Proto 10 sekoittimen kykyä dispergoida kaasua mäntysellun joukkoon eri pyörimisnopeuksilla ja virtaamilla. Työn tuloksien perusteella energiankäytön kannalta paras pyörimisnopeus Proto 10 sekoittimelle on 1500 min-1. Nostamalla kierrosnopeutta yli tämän ei saavutettu merkittävää parannusta dispersion laadussa varsinkaan suuremmilla virtaamilla. Virtaamalla todettiin olevan suuri merkitys sekoitustulokseen. Laboratoriosekoittimella tehtyjen kokeiden todettiin vastaavan parhaiten teollisen mittakaavan tuloksia pyörimisnopeudella 1200 min-1.

Biopolttoaineiden leijutusominaisuuksien karakterisointi

Tässä diplomityössä selvitettiin biopolttoaineiden ominaisuuksia leijutuksen kannalta. Ensiksi tutkittavat biopolttoaineet, hake ja turve, seulottiin ja seulotut näytteet analysoitiin. Seuraavaksi turvetta ja haketta leijutettiin eri nopeuksilla ja eri leijutusnopeuksilla saadut näytteet analysoitiin kuva-analysilla. Partikkeleista selvitettiin runsaasti mittoja, kuten keskihalkaisija, pinta-ala ja muotokerroin. Kirjallisuudesta löytyvien korrelaatioiden avulla laskettiin leijutettujen partikkelien vastuskertoimet ja terminaalinopeudet. Korrelaatioiden tuloksia verrattiin mittaustuloksiin. Tässä työssä myös laskettiin kyseisiin biopolttoaineisiin vaikuttavat ominaisvoimat leijutuksessa sekä laskettiin korjauskerroin, jota käytettiin ominaisvoimien korjaamiseen. Referenssiaineina käytettiin hiekkaa ja lasikuulia.

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.

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.

Heterogeneous mass transfer in fluidized beds by computational fluid dynamics

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

Hiukkasten leijutusominaisuuksien määrittäminen

Leijuttaminen on tärkeä tekniikan sovellus energiantuotannossa. Leijutusreaktorin suunnittelussa ongelmana on kuitenkin oikeiden leijutusnopeuksien käyttäminen halutun tuloksen saamiseksi. Eri korrelaatiot leijutusnopeuksille antavat hyvinkin erilaisia vastauksia, jolloin niitä on vertailtava ja niistä on valittava paras tilanteen mukaan. Leijuttamista tapahtuu, kun hienojakoisesta aineesta koostuvan kerroksen alapuolelta puhalletaan kaasua sen läpi. Leijutusnopeuden ja leijutettavan aineen perusteella leijutilat jaetaan eri tyyppeihin ja niitä kuvaavat erilaiset referenssinopeudet. Nopeuksista tärkeimmät ovat minimileijutusnopeus, terminaalinopeus sekä siirtymäaluenopeus. Eri leijutustilat ja -nopeudet sekä aineen koosta ja tiheydestä kertovat tekijät, Geldart-luokat, voidaan koota yhdeksi diagrammiksi. Diagrammi on dimensiottomien muuttujien ansiosta universaali ja täten hyvin käyttökelpoinen työkalu leijutusnopeuksia ja -tiloja määritettäessä. Työssä esitetyn teorian pohjalta tehty laskentatyökalu hyödyntää Matlabia ja Exceliä. Se vertailee eri leijutuskorrelaatioita ja valitsee niistä tilanteen mukaan parhaan. Lisäksi se havainnollistaa vallitsevaa leijutilaa piirtämällä pisteen Excelissä tehtyyn leijutila-diagrammiin. Laskentatyökalu näyttää, että korrelaatioiden välillä on suuriakin eroja. Terminaalinopeuteen vaikuttaa suuresti partikkelin muoto, joten sen olettaminen palloksi voi antaa moninkertaisen nopeuden todellisuuteen nähden. Siirtymäaluenopeudelle on eri tuloksia antavia mittausmenetelmiä, jolloin korrelaatiotkin antavat toisistaan suuresti poikkeavia tuloksia.