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.

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.

Diagnostiikkamenetelmät höyrykattilan leijukerroksen tilan ja käytettävyysongelmien tunnistamiseksi

Diplomityön tavoitteena oli tutkia höyrykattiloiden leijukerrosten käytettävyysongelmia ja kirjallisuudesta löytyvien diagnostiikkamenetelmien toimivuutta leijukerroksen tilan ja käytettävyysongelmien tunnistamiseksi. Diagnostiikkamenetelmien toimivuutta testattiin VTT:n kiertoleijukoelaitteen prosessimittauksiin perustuen. Analysoinnissa käytettiin prosessimittauksia, jotka ovat yleisesti käytössä energiantuotannon leijukerroskattiloissa. Analysoitavina koeajotapauksina olivat kylmäkokeet partikkelikokojakaumaltaan vaihtelevalle leijutusmateriaalille, tuhkapartikkelien aiheuttama petimateriaalin karkeneminen ja agglomeroituminen, sekä vaihtelevien ajoarvojen vaikutus leijukerroksen hydrodynaamiseen käyttäytymiseen. Kokeellisesta osiosta saaduista tuloksista selvisi leijutusilman tilavuusvirran, petimassan ja partikkelikoon vaikutus analysoitavaan prosessimittaukseen. Tuloksista oli havaittavissa myös kiertävän petimateriaalin ja pohjapedin osuuksien vaikutus mitattuun painesignaaliin. Petipartikkelien agglomeroitumisen ja karkenemisen todettiin lisäävän kiertoleijukoelaitteistossa nousuputken pohjapedin määrää suhteessa kiertävään petimateriaaliin, mikä voitiin havaita painemittauksista.

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.

Leijukattilan savukaasujen loppulämpötilan hallinta

Nykyaikaista leijukattilaa voidaan ohjata ja säätää erilaisten säätöpiirien ja sekvenssien kautta erittäin tarkasti. Toiminnot on optimoitu parhaan hyötysuhteen saavuttamiseksi ja kunnossapitokustannusten minimoimiseksi. Tehokkaasta automaatiosta ja nykyaikaisista laitevalinnoista huolimatta leijukattiloissa on usein yksi osa-alue, jota ei pystytä hallitsemaan tehokkaasti. Useilla voimalaitoksilla savukaasu poistuu liian korkeassa lämpötilassa viimeiseltä lämpöpinnalta. Kun kattilahyötysuhdetta tarkastellaan epäsuoralla menetelmällä, savukaasuhäviö on merkittävin tekijä kaikista häviöstä. Tässä diplomityössä on etsitty mahdollisuuksia savukaasun loppulämpötilan hallintaan kattilan ajoarvojen muutoksella sekä lämpöpintoja muuttamalla. Tutkimus keskittyy Järvi-Suomen Voima Oy:n Ristiinan voimalaitokselle. Tutkimus on tehty yhteistyössä laitoksen omistajien Pohjolan Voima Oy:n, UPM-Kymmene Oyj:n sekä laitetoimittaja Valmet Oyj:n kanssa.

Reciclagem de resíduo a partir de cinzas de carvão mineral: produção de argamassas

Este trabalho tem como objetivo avaliar a possibilidade de aproveitamento do resíduo obtido a partir da combustão do carvão mineral em caldeiras de leito fluidizado, de uma refinaria de alumina no estado do Pará. Neste contexto, foi avaliada a incorporação de cinzas volantes, como pozolana, em substituição parcial do cimento na produção de argamassas. Para tanto, foram elaborados corpos de prova utilizando-se o cimento do tipo Portland CPII-E-32. As misturas foram definidas na proporção 4:1, ou seja, 4 partes de agregado (sílica) e 1 parte de aglomerante (cimento e cinza), com a inserção de cinza nos teores de 10, 20, 30, 40 e 50 em porcentagem com relação ao cimento, além da argamassa sem adição. Foram definidas duas relações água/aglomerante, 0,4 e 0,8. Após tempo de cura de 7 e 28 dias, foram feitos testes de resistência à compressão para análise de comportamento. Além disso, as argamassas com a relação água/aglomerante 0,8 foram sujeitas a análises complementares de Difração de Raios-X, Microscopia Eletrônica de Varredura, absorção de água, porosidade aparente e massa específica aparente, cujos resultados obtidos mostraram-se compatíveis quando comparados com os dados da literatura, demonstrando ser viável a aplicação das cinzas estudadas na indústria da construção civil.

Estudo de parâmetros físicoquímicos para a produção de argamassas utilizando resíduos industriais e da construção civil

As argamassas podem ser consideradas como a mistura de aglomerantes e agregados com água, possuindo capacidade de endurecimento e aderência. Como alternativa, é proposto produção de argamassas utilizando como agregado miúdo resíduos de construção civil (RCC), rico em silicoaluminatos, gerado nas obras de demolições e reformas, e cinza volante (CV) como material pozolânico, obtida a partir da combustão do carvão mineral em caldeiras de leitos fluidizados, em substituição parcial ao cimento Portland. Neste contexto, o resíduo de construção civil foi beneficiado e caracterizado pelas análises de espectrofotometria de raios- X e difração de raios-X, a cinza volante foi caracterizada pela análise granulométrica e espectrofotometria de raios-X. Para produção das argamassas formularam-se composições de RCC nas proporções de 95, 90, 85, 80, 75 e 70%; CV de 0, 5, 10, 15, 20 e 25% e 5% de cimento Portland CP II Z 32, sendo que em cada composição do traço de argamassa foi adicionado 0,8% em volume de água e para o ensaio reológico utilizou-se as mesmas proporções de resíduos (RCC e CV) com 35% em volume de água. Após a cura de 28 dias os corpos de prova foram submetidos a ensaios físicos de absorção, porosidade e massa específica aparente; ensaio mecânico de resistência à compressão e análise de difração de raios-X e microscopia eletrônica de varredura, cujos resultados obtidos mostraram-se ser viável a utilização da cinza volante e RCC na construção civil, na produção de argamassas.

Reaproveitamento de cinzas de carvão mineral na formulação de argamassas

Este trabalho tem como objetivo o estudo da incorporação de cinzas provenientes da combustão do carvão mineral em caldeiras de leito fluidizado, na produção de argamassas, em substituição parcial do cimento. Foram elaborados corpos de prova utilizando-se os cimentos Portland com as especificações CPII-E-32 de características normais e areia de classificação abaixo da malha 100. Foram preparadas misturas na proporção 4 partes de agregado e 1 parte de cimento, com a inserção de cinzas nas proporções 0, 10, 20, 30, 40 e 50%. A argamassa foi desenvolvida em misturador e a moldagem foi feita em moldes de 5 cm x 10 cm. Foi analisado o comportamento de resistência à compressão após 28 dias. A resistência diminui conforme o aumento da porcentagem de cinzas. Foram feitas análises complementares de difração de raios X e constatou-se que a substituição desse resíduo pode ser feita com sucesso em argamassas com teores de até 30%.

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.

Hydrogen production from soft-drink wastewater in an upflow anaerobic packed-bed reactor

The production of hydrogen from soft-drink wastewater in two upflow anaerobic packed-bed reactors was evaluated. The results show that soft-drink wastewater is a good source for hydrogen generation. Data from both reactors indicate that the reactor without medium containing macro- and micronutrients (R2) provided a higher hydrogen yield (3.5 mol H(2) mol(-1) of sucrose) as compared to the reactor (R1) with a nutrient-containing medium (3.3 mol H(2) mol(-1) of sucrose). Reactor R2 continuously produced hydrogen, whereas reactor R1 exhibited a short period of production and produced lower amounts of hydrogen. Better hydrogen production rates and percentages of biogas were also observed for reactor R2, which produced 0.4 L h(-1) L(-1) and 15.8% of H(2), compared to reactor R1, which produced 0.2 L h(-1) L(-1) and 2.6% of H(2). The difference in performance between the reactors was likely due to changes in the metabolic pathway for hydrogen production and decreases in bed porosity as a result of excessive biomass growth in reactor R1. Molecular biological analyses of samples from reactors R1 and R2 indicated the presence of several microorganisms, including Clostridium (91% similarity), Enterobacter (93% similarity) and Klebsiella (97% similarity). Copyright (C) 2011, Hydrogen Energy Publications, LLC. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Evaluation of flow regimes in a semi-cylindrical spouted bed through statistical, mutual information, spectral and Hurst`s analysis

Hydrodynamic studies were conducted in a semi-cylindrical spouted bed column of diameter 150 mm, height 1000 mm, conical base included angle of 60 degrees and inlet orifice diameter 25 mm. Pressure transducers at several axial positions were used to obtain pressure fluctuation time series with 1.2 and 2.4 mm glass beads at U/U-ms from 0.3 to 1.6, and static bed depths from 150 to 600 mm. The conditions covered several flow regimes (fixed bed, incipient spouting, stable spouting, pulsating spouting, slugging, bubble spouting and fluidization). Images of the system dynamics were also acquired through the transparent walls with a digital camera. The data were analyzed via statistical, mutual information theory, spectral and Hurst`s Rescaled Range methods to assess the potential of these methods to characterize the spouting quality. The results indicate that these methods have potential for monitoring spouted bed operation.

IDENTIFICATION OF THE STATE OF A WET SPOUTED BED THROUGH TIME-FREQUENCY ANALYSIS OF PRESSURE FLUCTUATION TIME SERIES

The feasibility of detecting instability in wet spouted beds via pressure fluctuation (PF) time-series analyses was investigated. Experiments were carried out in a cylindrical Plexiglas column of diameter 150 mm with a conical base of internal angle 60 degrees, an inlet orifice diameter of 25 mm and glass beads of diameter 2.4 mm. Transducers at several axial positions measured PF time series with incremental addition of aqueous sucrose solutions of different concentrations. Liquid addition affected the spouted bed dynamics, causing irregular spouting, increased voidage in the annulus, increased fountain height, irregular annulus height, channelling, agglomeration, and adhesion of particles to the column walls. Autocorrelations indicated the appearance of periodicities in the PF signals with increasing sucrose addition. Dominant peaks in power-spectral density developed at low frequencies with changing system dynamics. The results indicate that PF signals furnish relevant information on system dynamics, useful for monitoring and control of spouted bed operations such as particle coating and drying of paste-like materials.

Hot melt granulation of coarse pharmaceutical powders in a spouted bed

The hot melt granulation of a coarse pharmaceutical powder in a top spray spouted bed is described. The substrate was lactose-polyvinylpyrrolidone particles containing or not acetaminophen as a drug model. Polyethylene glycol (MW, 4000) used as binder was atomized onto the bed by a two-fluid spray nozzle. The granulation experiments followed a 2(3) factorial design with triplicates at the center point and were carried out by varying the spray nozzle vertical position, the atomizing air flow rate and the binder feed rate. Granules were evaluated by their pharmacotechnical properties like size distribution, bulk and tapped densities, Carr index, Hausner ratio and tableting characteristics. Analysis of variance showed that granule sizes were affected by the PEG feed rate and atomizing air pressure at the significance levels of 1.0 and 5.0%. respectively, but spray nozzle distance to the substrate bed was not significant. The spray conditions also affected granule flow and consolidation properties. measured by the Carr index and Hausner ratio. Measured densities, Carr indexes and Hausner ratios proved that granules flowability and consolidation properties are adequate for pharmaceutical processing and tableting. Tablets prepared with acetaminophen-containing granules showed good properties and adequate release profiles in in vitro dissolution tests. The results indicate the suitability of spouted beds for the hot melt granulation of pharmaceutical coarse powders. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Segregation in binary and ternary liquid fluidized beds

The mechanism underlying segregation in liquid fluidized beds is investigated in this paper, A binary fluidized bed system not at a stable equilibrium condition. is modelled in the literature as forming a mixed part-corresponding to stable mixture-at the bottom of the bed and a pure layer of excess components always floating on the mixed part. On the basis of this model: (0 comprehensive criteria for binary particles of any type to mix/segregate, and (ii) mixing, segregation regime map in terms of size ratio and density ratio of the particles for a given fluidizing medium, are established in this work. Therefore, knowing the properties of given particles, a second type of particles can be chosen in order to avoid or to promote segregation according to the particular process requirements. The model is then advanced for multicomponent fluidized beds and validated against experimental results observed for ternary fluidized beds. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.