Polttoaineen reaktiivisuuden määrittäminen kiertoleijupoltossa

Kehitettäessä leijupolttotekniikkaa entistä ympäristöystävällisemmäksi ja tehokkaammaksi tarvitaan lisää tietoa polttoaineen käyttäytymisestä tulipesässä. Polttoaineen palamisprofiili ja reaktiivisuus vaikuttavat oleellisesti esimerkiksi voimalaitoskattilan lämmönsiirtopintojen sijoitteluun ja suunnitteluun sekä ohjausjärjestelmän toteutukseen. Varsinkin monipolttoainekattiloilla ohjausjärjestelmän toimivuus joutuu koetukselle esimerkiksi kuormanmuutostilanteissa ja äkillisissä polttoaineen syöttöhäiriöissä. Tässä työssä on aluksi tutustuttu kiertoleijupolton ilmiöihin ja niiden matemaattiseen mallintamiseen. Lisäksi esitetään katsaus eri prosessiolosuhteiden vaikutuksesta palamiseen kiertoleijuolosuhteissa. Työn tutkimusosassa kehitettiin menetelmä polttoaineen reaktiivisuuden määrittämiseksi kiertoleijupoltossa. Kehitetty menetelmä koostuu koesarjasta ja matemaattisesta simulointimallista. Koetoiminta suoritettiin VTT Energian laboratoriokokoluokan kiertoleijukoelaitteella. Koesarja polttoaineen reaktiivisuuden määrittämiseksi sisältää eri kaasukomponenttien profiilimittauksia ja dynaamisia muutoskokeita. Menetelmän avulla voidaan tutkia eri polttoaineiden reaktiivisuuksia sekä polttoaineen reaktiivisuuden ja tietyn prosessiolosuhteen välistä riippuvuutta. Suorittamalla koeajomatriisin mukaiset kokeet tietyissä prosessiolosuhteissa voidaan polttoaineen reaktiivisuus selvittää koetulosten ja simulointimallin perusteella.

Kerrosleijukattilan sekundääri-ilmansyöttöjärjestelmän kehittäminen

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

Rikinpoiston tehostaminen leijukerroskattiloissa vähärikkisillä polttoaineilla

Leijukerroskattiloissa rikinpoisto tapahtuu useimmiten käyttämällä primäärisiä rikinpoistomenetelmiä. Tämä tarkoittaa jonkin rikkiä sitovan lisäaineen, yleensä kalkkikiven, syöttämistä tulipesään. Tämä menetelmä soveltuu hyvin leijukerrospolttoon sen edullisuuden ja tehokkuuden takia.Tulevaisuudessa tullaan kuitenkin tiukentamaan voimalaitosten rikkidioksidipäästöjen rajoja. Tällöin myös vähärikkisiä polttoaineita käyttävien voimalaitosten tulee alentaa rikkipäästöjään. Nykyisiä menetelmiä käyttäen nousisivat kustannukset korkeaksi saavutettavaan hyötyyn nähden. Tämän takia tullaan tulevaisuudessa tarvitsemaan erilaisia rikinpoiston tehostamiskeinoja.Tämän työn tarkoituksena on selvittää rikinpoistoon ja sen tehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä sekä tutkia erilaisia keinoja rikinpoiston tehostamiseksi. Kirjallisuusosassa keskitytään selvittämään nykyiset käytössä tai tutkimusasteella olevat keinot rikinpoiston tehostamiseksi. Kokeellisessa osuudessa keskitytään lentotuhkan kierrättämisen hyödyntämiseen rikinpoistossa. Tehtävissä kokeissa tavoitteena oli rikinpoistoasteen parantaminen sekä puhtaan kalkkikiven kulutuksen vähentäminen käyttämällä hyväksi lentotuhkan sisältämää reagoimatonta kalsiumoksidia.

Jätteiden energiakäytön näkymät Euroopassa leijukerrospolton kannalta

Polttaminen on tehokas jätteenkäsittelymenetelmä, jossa jätteen tilavuus pienenee huomattavasti ja energiasisältö voidaan hyödyntää. Euroopan yhtenäistyneen ja tiukentuneen jätelainsäädännön takia jätteen sijoittaminen kaatopaikoille tulee vähenemään merkittävästi, jolloin jätteenkäsittelyn kapasiteettivaje voidaan korvata ensisijaisesti jätettä hyödyntävillä käsittelymenetelmillä. Tässä työssä tarkastellaan kiinteiden polttokelpoisten jätteiden hyödyntämistä polttoaineena erityisesti Suomessa yleisesti käytettävän leijukerrospolton kannalta. Työn tavoitteena on vertailla yleisimpiä jätteen energiakäytössä käytettäviä tekniikoita ja tutkia jätteen energiakäytön nykytilaa sekä tulevaisuuden mahdollisuuksia Euroopan maissa. Työ voidaan jakaa kahteen osaan: alkuosassa on esitetty kiinteän polttoaineen palamisen teoriaa sekä erilaisten kiinteiden polttoaineiden ominaisuuksia. Lisäksi alkuosassa on perehdytty yleisimpiin jätteen energiakäytön tekniikoihin. Työn jälkimmäisessä osassa on käsitelty jätteen energiakäyttöä ohjaavia tekijöitä sekä esitetty jätehuollon nykytila Suomessa ja muutamassa muussa Euroopan maassa. Tarkoituksena on ollut antaa yleiskuva siitä, miten jätettä hyödynnetään energiantuotannossa eri puolilla Eurooppaa ja miten yhtenäistyvä lainsäädäntö vaikuttaa eri maiden jätehuoltopolitiikkaan sekä jätteen energiakäytön määriin.

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.

Puun ja turpeen sekapolton vaikutus leijukerroskattilan hiukkaspäästöihin

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

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.

Jäännöshiilen ja kalkkikiven reaktiokinetiikan mallinnus kiertoleijukattilan tulipesässä

Työn tavoitteena oli kehittää mallit jäännöshiilen ja kalkkikiven reaktiokinetiikan sekä jäännöshiilen jauhautumisen ennustamiseksi kiertoleijukattilan tulipesässä. Kehitetyt mallit toimivat tulipesämallin osamalleina. Perustuen mallinnettuihin reaktionopeuksiin ja jauhautumiskäyttäytymiseen tulipesämalli ennustaa kalkkikivihiukkasten rikinsidonnan ja jäännöshiilen jakautumisen erikokoisiksi hiukkasiksi tulipesässä ja tuhkissa. Työssä kehitetyt mallit perustuvat olemassa oleviin kalkkikiven ja polttoaineen reaktiivisuustesteihin laboratorio-kokoluokan leijukerrosreaktorissa. Mallit huomioivat myös tulipesän olosuhteet. Menetelmät kelpoistettiin onnistuneesti kaupallisen kokoluokan kiertoleijukattiloista mitattujen ja tulipesämallilla laskettujen taseiden avulla. Mallien kehittämistä tullaan jatkamaan.

Biopolttoaineseoksen poltosta aiheutuvien ongelmien arviointityökalu.

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

Kerrosleijukattilan polttoaineensyötön ja ilmasäätöjen tutkiminen

Tässä tutkimuksessa käsitellään kerrosleijukattilan kiinteän polttoaineen syöttöjärjestelmän toimintaa ja ilmanjaon vaikutusta kattilan toimintaan. Polttoainejärjestelmän tutkimisessa arvioidaan eri tekijöiden merkitystä höyrynkehityksen huojunnan aiheuttajana. Työllä pyritään tuomaan selvyyttä polttoainejärjestelmän toiminnallisiin peruskysymyksiin kuten turpeen ja kuoren väliseen lajittumiseen, ruuvipurkaukseen ja määrämittauksiin. Työssä esitetään parannusehdotus polttoaineensyötön toiminnan tasoittamiseksi. Ilmasäätöjen osalta on keskitytty tutkimaan erityisesti ilmakanavarakenteiden vaikutusta ilman jakautumiseen. Kattilan ongelmana olivat vasemman ja oikean puolen väliset erot savukaasujen O2-pitoisuuksissa, tulistuslämpötiloissa ja lieriön pinnan korkeudessa. Ilmanjakoon tehtyjen muutosten vaikutuksesta kyseiset erot tasoittuivat huomattavasti. Työssä on lisäksi tarkasteltu mahdollisuuksia kattilan ilmapäästöarvojen parantamiseen erityisesti NOx- ja CO- päästöjen osalta.

Asiantuntijajärjestelmä kattilakonseptin valintaan

Polttoaine asettaa puitteet kattilasuunnittelulle. Kiertoleijukattilakonseptin valinta kytkeytyy kiinteästi mitoitusarvoihin ja polttoaineen ominaisuuksiin. Asiakkaan vaatimuk-set kattilalle asettavat lähtökohdan kattilasuunnittelulle. Suorituskyky, kustannukset ja luotettavuus ovat asiakaslähtöisiä tekijöitä, joiden painotukset vaikuttavat kattilakonseptin valintaan. Korkeat lämpötilat tulistimien alueella tekevät tulistinjärjestelystä vaikean ja määräävän osan kattilakonseptin valintaa. Konvektiotulistimien altistuminen kuumille savukaasuille tekee niistä herkkiä likaantumiselle ja korroosiolle. Mitoitusarvojen ja tulistimien rakenteen oikeanlaisella valinnalla voidaan näitä polttoaineperäisiä ongelmia ehkäistä. Lisäksi kiertoleijukattiloissa käytetyt tulipesän ulkopuoliset tulistimet soveltuvat konvektiotulistimia korkeammille lämpötiloille huonolaatuisillakin polttoaineilla. Tässä työssä rakennettu asiantuntijajärjestelmä valitsee alustavan kattilakonseptin mitoitusta varten käyttäjän antamien vähäisten lähtötietojen pohjalta.

Pienitehoisen CHP-laitoksen verkkoonliityntä

Työn tavoitteena on pienitehoisen CHP-laitoksen verkkoonliitynnän suunnittelu. Laitos polttaa Einco Oy:n CFB-kuivurissa (Circulating fluidized-bed) termisesti kuivattua lietettä hönkäkaasujen kanssa Einco Oy:n CTC-reaktorissa (Constant temperature combustion). CFB-kuivuri ja CTC-reaktori on kytketty höyryvoimalaitosprosessiin, jonka turbogeneraattorista saadaan sähköenergiaa. Työssä on tutkittu nykypäivän hajautetun tuotannon pienvoimalaitoksen verkkoonliitynnän suojausvaatimuksia, sähkönlaatuvaatimuksia, suosituksia ja mahdollisen verkonhaltijan ohjeita sekä generaattorilaitteistojen ominaisuuksia. Generaattorilaitteistot ovat vierasmagnetoitu tahtigeneraattori tai itsemagnetoitu tahtigeneraattori, kestomagneettitahtigeneraattori tai verkkomagnetoitu epätahtigeneraattori. Lisäksi on tarkasteltu ja vertailtu generaattorilaitteistojen verkkoonliitynnässä tarvittavien eri automaatiolaitteiden ominaisuuksia. Verkkoonliitynnät on suunniteltu 400 kW generaattorilaitteistovaihtoehdoille kahdella tavalla: suoraan verkkoon kytkettynä ja taajuusmuuttajalla verkkoon kytkettynä. Työn päätuloksia ovat suunnitellut sähköliittymät sekä suojaus- ja ohjauspiirit, ensiö- ja toisiosuojaukset, toteutustason piirustukset ja automaation toimintaselostus. Lisäksi suunnitelluille automaatiokokoonpanoille on laskettu hankintakustannukset. Taajuusmuuttajan avulla verkkoon kytketty suoravetoturbogeneraattori on todettu teknisesti ja taloudellisesti toimivaksi.

A system to assess the stability of airborne nanoparticle agglomerates under aerodynamic shear

Stability of airborne nanoparticle agglomerates is important for occupational exposure and risk assessment in determining particle size distribution of nanomaterials. In this study, we developed an integrated method to test the stability of aerosols created using different types of nanomaterials. An aerosolization method, that resembles an industrial fluidized bed process, was used to aerosolize dry nanopowders. We produced aerosols with stable particle number concentrations and size distributions, which was important for the characterization of the aerosols' properties. Next, in order to test their potential for deagglomeration, a critical orifice was used to apply a range of shear forces to them. The mean particle size of tested aerosols became smaller, whereas the total number of particles generated grew. The fraction of particles in the lower size range increased, and the fraction in the upper size range decreased. The reproducibility and repeatability of the results were good. Transmission electron microscopy imaging showed that most of the nanoparticles were still agglomerated after passing through the orifice. However, primary particle geometry was very different. These results are encouraging for the use of our system for routine tests of the deagglomeration potential of nanomaterials. Furthermore, the particle concentrations and small quantities of raw materials used suggested that our system might also be able to serve as an alternative method to test dustiness in existing processes.

Radiative Heat Transfer in Boiler Furnaces

Better models are needed for radiative heat transfer in boiler furnaces. If the process is known better, combustion in the furnace can be optimized to produce low emissions. It makes the process to be environmental friendly. Furthermore, if there is a better model of the furnace it can more fully explain what is happening inside the furnace. Using of the model one can quickly and easily analyze how it operates with bio fuels, moist fuels or difficult fuels and improve the operation. Models helps with better estimation of furnace dimensions and result in more accurate understanding of operation. Key component lacking in these models is radiative heat transfer in particle laden gases. If there are no particles than radiative heat transfer can be calculated approximately. There are two problems with current models when used with flow modeling. The first one is a need to account for a particle laden gas and the second one is an absence of a fast algorithm. Fast calculation is needed if radiative heat transfer calculation is done for a large CDF model. Computations slow down if time is required for calculating radiative properties over and over again. This thesis presents a band model for radiative heat transfer in boiler furnaces. Advantage is a quickness of calculation and account of particles in the process.

Calcination of aluminum hydroxide over pressure and residence time

This work investigates the possible effect of pressure and residence time to the reaction of aluminum hydroxide into aluminum oxide. Various pressurized conditions are used as well as the help of various residence times. The aim is to increase the conversion of the reaction with the use of different pressures and residence times. The tests were performed with a laboratory scale fluidized bed reactor at the Outotec R&D Center in Frankfurt. Additional test work such as particle size analysis and differential thermal analysis were also carried out. Some calcined samples were also characterized with X-ray diffraction at the University of Auckland to obtain a reaction pathway when using pressurized conditions. All of the results are then compared with previous results.