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.

Forecasting coal resources and reserves in heterogeneous coal zones using 3D facies models (As Pontes Basin, NW Spain)

Forecasting coal resources and reserves is critical for coal mine development. Thickness maps are commonly used for assessing coal resources and reserves; however they are limited for capturing coal splitting effects in thick and heterogeneous coal zones. As an alternative, three-dimensional geostatistical methods are used to populate facies distributionwithin a densely drilled heterogeneous coal zone in the As Pontes Basin (NWSpain). Coal distribution in this zone is mainly characterized by coal-dominated areas in the central parts of the basin interfingering with terrigenous-dominated alluvial fan zones at the margins. The three-dimensional models obtained are applied to forecast coal resources and reserves. Predictions using subsets of the entire dataset are also generated to understand the performance of methods under limited data constraints. Three-dimensional facies interpolation methods tend to overestimate coal resources and reserves due to interpolation smoothing. Facies simulation methods yield similar resource predictions than conventional thickness map approximations. Reserves predicted by facies simulation methods are mainly influenced by: a) the specific coal proportion threshold used to determine if a block can be recovered or not, and b) the capability of the modelling strategy to reproduce areal trends in coal proportions and splitting between coal-dominated and terrigenousdominated areas of the basin. Reserves predictions differ between the simulation methods, even with dense conditioning datasets. Simulation methods can be ranked according to the correlation of their outputs with predictions from the directly interpolated coal proportion maps: a) with low-density datasets sequential indicator simulation with trends yields the best correlation, b) with high-density datasets sequential indicator simulation with post-processing yields the best correlation, because the areal trends are provided implicitly by the dense conditioning data.

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.

Assessment of Customer Needs in Fine Coal Dewatering

Työn tavoitteena on kartoittaa ja arvioida asiakastarpeita hienojakoisen hiilen ja nesteen erotuksessa. Aluksi työssä kuvataan hiiliteollisuutta, jonka jälkeen syvennytäänhiilen ja nesteen erotukseen. Tämän jälkeen keskitytään asiakastarpeiden kartoittamiseen. Jo olemassaolevan tiedon keräämiseen käytetään haastatteluja ja kysymyslomakkeita. Saatyn AHP-mallia hyödynnetään asiakastarpeiden arvioinnissa. Yksi suurimmista haasteista puhtaan hiiliteknologian käytössä on kustannustehokas nesteen ja hienojakoisen hiilen erotus, joka on tärkeää rahtauskustannusten minimoinnin, laatuvaatimusten täyttämisen ja prosessiveden kierrättämisen kannalta. Tekniset ominaisuudet ja kustannukset ovat tärkeimmät ominaisuudet hiilen ja veden suodatinratkaisussa asiantuntijoiden mukaan. Asiakkaan mukaan laatu, tekniset ominaisuudet ja tukipalvelut ovat tärkeitä.Sekä asiakkaan että asiantuntijoiden mielestä korkea yksikkökapasiteetti, matala lopputuotteen kosteus ja luotettavuus ovat tärkeimmät tekniset ominaisuudet. Investointikustannukset ovat noin kolme kertaa tärkeämpiä kuin käyttökustannukset. Asiakkaan mukaan laitetoimittajan ominaisuudet ovat tärkeämpiä kuin teknologiset ominaisuudet.

The First World War and Coal Trade Geography in Latin America and the Caribbean, 1890-1930

This paper aims to illustrate the dynamics of coal trade between Latin America and its main trade partners, i.e., the USA, Great Britain, and Germany, before and after the enormous disruption caused by the First World War. The coal trade was used as an indicator of modernization for Latin American countries, given that oil was at that time of secondary importance. Energy imports have determined the possibilities of each Latin American country in its process of development. Here, we address this question and place special emphasis on supply channels, concluding that the trade link with main suppliers was of key significance. Although this was very clear by the end of the period, the process had started well before the First World War, at least for the majority of LA&C countries. These points are developed through a gravity model applied to the bilateral coal trade. The importance of the market supplier share is addressed through cluster methodologies.

The coal bearing Cenozoic As Pontes Basin (NW Spain): Geological influence on its coal's characteristics

Lignite deposits in the Cenozoic As Pontes strike-slip basin (northwestern Spain)were formed as a function of specific paleoclimatic conditions and tectonic evolution of the basin.

Coal deposition in carbonate rich shallow Lacustrine systems: The Calaf and Mequinenza sequences (Oligocene, eastern Ebro Basin, NE Spain)

Two main coal-bearing sequences developed during the Oligocene in the Tertiary Ebro Basin, the Calaf (early Oligocene) and Mequinenza (late Oligocene) coal basins. Coal deposition took place in shallow marsh-swamp-lake complexes which sometimes became closed and evolved under warm climatic conditions with fluctuating humidity. These shallow lacustrine systems are closely interrelated with the terminal parts of the distributive fluvial systems which spread from the tectonically active Ebro basin margins. Laterally extensive lignite-bearing sequences, including rather thin, lenticular autochthonous and/or hypautochthonous coal seams with high ash and sulphur contents, characterized coal deposition in the shallow lacustrine systems. Coal seam geometry, which makes them nearly subeconomic, resulted from the tectonic instability during basin margin evolution and the sometimes closed, arid conditions under which the lacustrine systems evolved. High ash and sulphur contents resulted from the inadequate isolation of peat forming environments from clastic influx and from the very low acidity and sometimes high sulphate contents of the lacustrine waters. Coal exploration in shallow lacustrine sequences similar to those described here must take into account that the spread of coal-forming environments and maxima of coal deposition are usually coincident with lake expansions and retraction or shifting of the terminal fluvial zones interrelated with the lacustrine areas.

Puunpolton mahdollisuudet Suomenojan voimalaitoksella

Puuenergian käyttö on viime vuosina lisääntynyt kaukolämmön tuotannossa sekä yhdistetyssä sähkön ja lämmön tuotannossa. Puun kilpailukykyä polttoaineena ovat lisänneet polttotekniikan ja korjuutekniikoiden kehittyminen. Puun energiakäyttöä on edistänyt myös valtiovalta tukien ja veroratkaisuiden avulla, koska fossiilisten polttoaineiden korvaaminen puupolttoaineilla tukee Suomen ilmastopoliittisia tavoitteita. Tämän työn tavoitteena oli selvittää puupolttoaineiden käytön mahdollisuudet Espoon Sähkön Suomenojan voimalaitoksella. Nykyiset Suomenojan pääpolttoaineet ovat kivihiili ja maakaasu. Suomenojalle toimitetut puupolttoaineet koostuisivat sahoilta saatavista sivutuotteista, metsätähdehakkeesta ja kierrätyspuusta. Puupolttoaineiden taloudellinen saatavuus vaihtelee alueittain huomattavasti. Espoo ei tässä suhteessa ole sijainniltaan edullinen. Saatujen polttoainetarjousten perusteella puunpolton kustannukset nousevat kivihiilen kustannuksia korkeammiksi kuljetusetäisyyksistä johtuen, kun puunpoltto on yli 300 GWh/a. Tämä vastaisi 10 prosenttia Espoon Sähkön vuoden 2000 kokonaispolttoainekäytöstä ja 8 prosenttia arvioidusta polttoaineiden käytöstä vuodelle 2010. Puuta voidaan polttaa leijukerrostekniikkaan perustuvissa kattiloissa, arinakattiloissa, pölypolttona tai kaasuttamalla ja johtamalla tuotekaasu poltettavaksi. Puun ravinneaineista kloori voi aiheuttaa kuumakorroosiota höyrykattiloiden tulistimissa. Tätä pyritään estämään seospoltolla rikkipitoisten polttoaineiden, kuten turpeen tai kivihiilen kanssa. Seospoltto muiden polttoaineiden kanssa parantaa myös puun palamistulosta. Puupolttoaineiden kosteus voi olla jopa 60 prosenttia. Tässä työssä tutkittiin puun energiakäytölle pääasiassa kuutta eri ratkaisua. Ne olivat: kaasuttimen rakentaminen ja tuotekaasun poltto nykyisessä hiilipölykattilassa, hiilipölykattilan muuttaminen leijukerrospolttoon, uuden vastapainevoimalaitoksen rakentaminen, Suomenojalla olevan hiilivesikattilan muuttaminen puupolttoaineille, kivihiilen ja puun yhteispoltto hiilipölykattilassa puu/hiilipölypolttimilla sekä leijukerroskattilan rakentaminen ja sen yhdistäminen olemassa olevaan höyryturbiiniin. Taloudellisesti kannattaviksi ratkaisuiksi osoittautui kaksi viimeksi mainittua. Jos voimalaitostonttia halutaan säästää myöhempää maakaasuvoimalaitoshanketta varten, nousee puun ja kivihiilen yhteispoltto puu/hiilipölypolttimilla oleellisesti paremmaksi vaih-toehdoksi. Tämän vaihtoehdon korollinen takaisinmaksuaika on 7-11 vuotta, riippuen puunpolton laajuudesta. Kannattavuudelle on hyvin tärkeää puulla tuotetun sähkön tuki. Yhteispolton ansiosta hiilipölykattilan rikkidioksidi- ja hiilidioksidipäästöt sekä mahdollisesti myös typenoksidipäästöt vähenisivät. Puunpoltto lisää savukaasuvirtaa, nostaa savukaasun loppulämpötilaa ja mahdollisesti laskee hyötysuhdetta. Laitoksen rekkaliikenne lisääntyy. Kaikki esitetyt ratkaisuvaihtoehdot vähentäisivät hiilidioksidipäästöjä. Puunpolttoratkaisuilla ei kuitenkaan pystytä vähentämään Espoon Sähkön energiantuotannon hiilidioksidipäästöjä alle vuoden 1990 tason, mutta hiilidioksidin ominaispäästöissä edellä mainitun tason alle päästäisiin.

Fouling tendency in biomass-fired boilers

Although it is well known that firing biomass fuels leads to increased deposition buildup on heat transfer surfaces in boiler compared with firing coal, existing empirical knowledge about combustion of different types of biofuels is limited. The aim of this study is to give greater awareness and understanding of the circumstances which are able to decrease considerably deposition build up on heat transfer surfaces when firing different types of biofuels. The crucial part of this thesis is experimental investigation of fouling tendency while firing biomass fuels, such as straw, bark, and peat having different chemical composition. In order to give comprehensive overview of ash deposition phenomena the number of not less important issues such as mechanisms of ash deposition, effect of fouling on heat transfer, and design of boilers subjected to ash buildup were examined as well. The answers obtained in this study may be a step towards a better knowledge of firing biofuels as separately as in mixtures, and may provide solutions for successful combustion technique of biomass fuels.

O efeito da granulometria na decrepitação durante a decomposição térmica de calcários e carvão

The use of fluidized bed combustors to burn coal is largely studied to permit the addition of limestone to capture SO2. The particle size for coal and limestone is an important parameter in this process. Thermogravimetry (TG) is used to elucidate the combustion and sulfation processes, but the experimental parameters must be evaluated to be representative in fluidized bed combustors. In the present study the effect of particle size is analyzed in the calcination of limestones and the combustion of coal through the thermogravimetric curve for limestone and derivative thermogravimetric curve for coal. Small peaks representing mass losses between 400 and 500 ºC are observed due to the jumping of particles out of the crucible. This effect, recognized as decrepitation is observed for mid-sized particles provoked by the release of water vapor trapped within their lattice.

Quantitative analysis of phenol and alkylphenols in Brazilian coal tar

The main purpose of this work is the identification and quantification of phenolic compounds in coal tar samples from a ceramics factory in Cocal (SC), Brazil. The samples were subjected to preparative scale liquid chromatography, using Amberlyst A-27TM ion-exchange resin as stationary phase. The fractions obtained were classified as "acids" and "BN" (bases and neutrals). The identification and quantification of phenols, in the acid fraction, was made by gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC/MS). Nearly twenty-five phenols were identified in the samples and nine of them were also quantified. The results showed that coal tar has large quantities of phenolic compounds of industrial interest.

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.

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.

Diesel/biodiesel soot oxidation with ceo2 and ceo2-zro2-modified cordierites: a facile way of accounting for their catalytic ability in fuel combustion processes

CeO2 and mixed CeO2-ZrO2 nanopowders were synthesized and efficiently deposited onto cordierite substrates, with the evaluation of their morphologic and structural properties through XRD, SEM, and FTIR. The modified substrates were employed as outer heterogeneous catalysts for reducing the soot originated from the diesel and diesel/biodiesel blends incomplete combustion. Their activity was evaluated in a diesel stationary motor, and a comparative analysis of the soot emission was carried out through diffuse reflectance spectroscopy. The analyses have shown that the catalyst-impregnated cordierite samples are very efficient for soot oxidation, being capable of reducing the soot emission in more than 60%.