Comprehensive secondary pyrolysis in fluidized-bed fast pyrolysis of biomass, a fluid dynamics based modelling effort

Homogenous secondary pyrolysis is category of reactions following the primary pyrolysis and presumed important for fast pyrolysis. For the comprehensive chemistry and fluid dynamics, a probability density functional (PDF) approach is used; with a kinetic scheme comprising 134 species and 4169 reactions being implemented. With aid of acceleration techniques, most importantly Dimension Reduction, Chemistry Agglomeration and In-situ Tabulation (ISAT), a solution within reasonable time was obtained. More work is required; however, a solution for levoglucosan (C6H10O5) being fed through the inlet with fluidizing gas at 500 °C, has been obtained. 88.6% of the levoglucosan remained non-decomposed, and 19 different decomposition product species were found above 0.01% by weight. A homogenous secondary pyrolysis scheme proposed can thus be implemented in a CFD environment and acceleration techniques can speed-up the calculation for application in engineering settings.

Conceptual Design of a Circulating Fluidized Bed Reactor as a Thermochemical Thermal Energy Storage System for Applications in Concentrated Solar Thermal Power Plants

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-08

Dimensionamento de um reactor de leito fluidizado para gasificação de biomassa

Na actualidade, quando se procura a diversificação energética, em especial de fontes renováveis, a gasificação surge como uma forma promissora de aproveitamento da biomassa, nomeadamente dos resíduos florestais, para a geração de energia eléctrica. Neste contexto, passou-se em revista as diversas formas de gasificação, a sua evolução histórica e os diversos tipos de reactores com as suas vantagens e desvantagens. De igual forma, foram analisadas as disponibilidades e características da biomassa no mundo e em Portugal, destacando-se as suas potencialidades e as dificuldades no seu aproveitamento. Fez-se o dimensionamento de um reactor-gasificador de leito fluidizado borbulhante à escala piloto, bem como dos equipamentos complementares, sistema de alimentação, ventilador, ciclone, filtro para o gás produzido e gerador eléctrico. As dimensões dum reactor para trabalhos laboratoriais foram determinadas por cálculo das condições hidrodinâmicas, que, também, permitiram calcular o caudal de ar a utilizar. Por balanços materiais, considerando-se uma composição experimental do gás de síntese citada na literatura, determinou-se uma possível composição da alimentação e um caudal de alimentação.

100MW:n biokattilan polttoaineiden hankinta ja taselaskenta

Diplomityö tehtiin Anjalankoskella sijaitsevalle Vattenfallin tytäryhtiölle, Vamy Oy:lle. Vamy toimittaa Myllykoski Paper Oy:lle prosessilämpöä ja sähköä. Vuotuinen energiantuotanto on noin 700- 900 GWh prosessilämpöä ja 150- 190 GWh sähköä paperin tuotantomäärästä riippuen. Diplomityön tavoitteena oli parantaa voimalaitoksen kiinteän polttoaineen näytteenottojärjestelmää ja sitä kautta parantaa biokattilan hyötysudetta. Voimalaitoksen biokattila on leijupetikattila, jossa poltetaan tehtaalta tulevaa kuorta ja lietettä sekä tehtaan ulkopuolisia puuperäisiä biopolttoaineita ja turvetta. Työn aikana tehtyjen selvitysten perusteella voimalaitokselle hankittiin polttoainetietojärjestelmä. Lisäksi näytteenotto- ja näytteiden käsittelyohjeet päivitettiin energiaturpeen laatuohjeen 2006 ja kiinteiden biopolttoaineiden CEN teknisten spesifikaatioiden mukaiseksi.

Kuplaleijupetikattilan dynaaminen malli

Työn tavoitteena oli rakentaa dynaaminen malli kuplaleijupetikattilasta APROS- ohjelmistoa käyttäen. Tarkoituksena oli selvittää kyseisen ohjelmiston soveltuvuutta nykyaikaisen voimalaitoskattilan mallintamiseen. Mallin rakentamisen perustana oli toiminnassa oleva kuplaleijupetillä varustettu voimalaitoskattila. Näin oli käytettävissä riittävä määrä aineistoa mallin rakenteen luomiseen ja valmiin mallin sovittamiseen. Työ on luonteeltaan kaksiosainen. Ensimmäinen osa on kirjallisuusosa, jossa esitellään mallinnuksen kohteena olevaa tekniikkaa. Tekniikasta annetaan kuva esittelemällä perusteoria ja käytännön sovellukset. Lisäksi esitellään kattilassa käytettävät polttoaineet. Kirjallisuusosassa esitellään myös käytettävä APROS-mallinnusohjelmisto. Ohjelmiston laskennan perusteita ei erikseen esitellä. Ne pohjautuvat yleiseen termodynamiikan ja lämmönsiirron teoriaan. Ohjelmiston käytöstä ja sen toiminnasta yleensä annetaan yleisluontoinen selostus. Toisessa osassa mallin rakentaminen esitellään vaiheittain ja siinä järjestyksessä kuin se mallia rakennettaessa tehtiin. Kattilamallin toimintaa testattiin vertaamalla kattilan mitoitustilaan viritettyä mallia takuukokeiden mittaustuloksiin. Lisäksi testattiin mallin toimintaa osakuormalla koeajojakson soveltuvasta osakuormatilasta saatuihin mittausarvoihin. Mallin jatkokehitys pitää sisällään laajamittaisen automaation luomisen ja erilaisten muutostilojen testaamista mallilla.

Kuplivan leijukerroksen poltto- ja lämpötekninen tarkastelu

Työn tavoitteena oli luoda menetelmä leijukerroskattilan petin lämpötilojen ja toiminta-alueen arvioimiseksi annetuilla lähtötiedoilla. Toimintatapana oli tutkia polttoaineen ominaisuuksien ja kattilan geometrian vaikutuksia petin energiataseeseen ja tätä kautta petin lämpötilaan kattilan ajotapa huomioiden. Työn teoriaosassa esitellään aluksi biopolttoaineiden ominaisuuksia ja leijukerroskattilan toimintaa petin toimintaympäristön selvittämiseksi. Teoriaosan lopussa käsitellään perusteellisesti petin hydrodynamiikkaa ja reaktiokinettikkaa sekä petin alueen mekaanista mitoitusta. Lisäksi polttoaineen syöttötapa ja palaminen petissä tuodaan esille. Tutkimusosassa selvitetään petin energiatasemallin määrittämistä teoriaan ja diplomityön aikana eri kattiloilla suoritettuihin mittauksiin perustuen. Mittauksista on erillinen selvitys seitsemännessä kappaleessa. Lopuksi kuvaillaan petin energiatasetta mallintavan menetelmän toimintaa sekä siihen syötettäviä lähtötietoja. Tuloksena on saatu suppealla alueella toimiva laajennettavissa oleva petin energiataseen malli. Menetelmän testaamiseen käytetään mittaustietoa kahdelta kattilalta, joita ei olla käytetty petin energiatasemallin virityksessä.

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.

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.

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.

Kierrätyspolttoaineen käyttö leijupetikattilan konseptiin

Diplomityö tehtiin Rautjärven kunnassa sijaitsevalle M-real Simpeleen tehtaan voimalaitokselle. Voimalaitoksella on leijupetikattila ja se tuottaa prosessilämmön ja höyryn kartonki- ja paperikoneelle. Vuotuinen energiantuotanto on noin 115 GWh. Diplomityön tavoitteena oli tutkia kierrätyspolttoaineen käyttöä osana voimalaitoksen polttoainekonseptista. Voimalaitoksen biokattila on leijupetikattila, jossa poltetaan tehtaalta tulevaa kuorta ja lietettä sekä tehtaan ulkopuolisia puuperäisiä biopolttoaineita ja turvetta. Yksi työn päätavoitteista oli laatia voimassa olevan ympäristöluvan muutoshakemus, jotta kierrätyspolttoaineen käytölle saataisiin lupa. Suurten polttolaitosten päästöjen tarkkailu- ja raportointivaatimukset ovat uudistuneet viime vuosina paljon. Suurimpia muutosten aiheuttajia ovat Valtioneuvoston asetukset 1017/2002 ja 362/2003. Tässä työssä kuvataan uusien asetusten tuomia vaatimuksia itse kattilalle ja polttoaineen syötölle, jatkuvatoimisille mittalaitteille ja muille suoritettaville mittauksille. Uutena asiana on myös ilmapäästöjen seurantamittaukset ja -tapa, jolla tulokset ilmoitetaan. Mahdollisimman pieniin leijupetikattilamuutoksiin uskotaan pääsevän korvaamalla kierrätyspolttoaine REF1:llä 5 – 10 % turpeesta tai puupolttoaineista.

Kierrätyspolttoaineiden käyttö leijukerrospoltossa vetykaasun kanssa

Tämä diplomityö on tehty Leppäkosken Energia Oy:n ja Kemira Chemicals Oy:n yhteisyritys FC Energia Oy:lle. FC Energia Oy suunnittelee rakentaa uutta bio-vetyvoimalaitosta Sastamalaan. Voimalaitoksella tuotettaisiin Kemira Chemicals Oy:n ylijäämävedystä ja biopolttoaineista sähköä, kaukolämpöä ja prosessihöyryä. Ympäristölupaa on haettu hakkeen, turpeen ja kierrätyspuun poltolle vetykaasun kanssa. Voimalaitoksen kattilan toiminta perustuu kuplivaan leijukerrostekniikkaan. Diplomityössä selvitettiin, mitä muutoksia kierrätyspolttoaineiden käyttö vaatii leijukerrospoltossa verrattuna hakkeen ja turpeen polttoon. Kierrätyspolttoaineena käytetään hyvälaatuista kierrätyspuuta. Kierrätyspuun käytössä sovelletaan jätteenpoltto-asetusta. Jätteenpolttoasetus määrää tiukemmat päästöjen raja-arvot rinnakkaispoltolle kuin hakkeen ja turpeen poltolle sekä jatkuvatoimiset savukaasujen mittauslaitteet. Rinnakkaispolton hiukkasmaisten päästöjen tiukempi raja-arvo vaatii tehokkaamman sähkösuodattimen. Lisäksi kierrätyspuuta käytettäessä tulistimen materiaaliin tulee olla kestävämpää, mikä aiheuttaa huomattavan lisäinvestoinnin. Työn päätavoitteena oli selvittää, onko kierrätyspuun käyttö taloudellisesti kannattavaa. Oletetulla kierrätyspuun hinnalla 10 €/MWh kierrätyspuuta polttavan voimalaitoksen takaisinmaksuaika on sama kuin haketta polttavan laitoksen ja vuoden lyhyempi kuin turvetta polttavan laitoksen. Tulokseksi saatiin, että rinnakkaispoltto käyttö on taloudellisesti kannattavaa hakkeenpolttoon nähden jos kierrätyspuun hinta on alle 11,2 €/MWh. Kierrätyspuun polttoon liittyy toiminnallinen riski, koska vastaavanlaisia rinnakkaispolttolaitoksia ei ole aiemmin rakennettu.

Combustion properties of biomass residues rich in phosphorus

Tillgången på traditionella biobränslen är begränsad och därför behöver man ta fram nya, tidigare outnyttjade biobränslen för att möta de uppställda CO2 emissionsmålen av EU och det ständigt ökande energibehovet. Under de senare åren har intresset riktats mot termisk energiutvinning ur olika restfraktioner och avfall. Vid produktion av fordonsbränsle ur biomassa är den fasta restprodukten ofta den största procesströmmen i produktionsanläggningen. En riktig hantering av restprodukterna skulle göra produktionen mera lönsam och mer ekologiskt hållbar. Ett alternativ är att genom förbränning producera elektricitet och/eller värme eftersom dessa restprodukter anses som CO2-neutrala. Målsättningen med den här avhandlingen var att studera förbränningsegenskaperna hos några fasta restprodukter som uppstår vid framställning av förnybara fordonsbränslen. De fyra undersökta materialen är rapskaka, palmkärnskaka, torkad drank och stabiliserat rötslam. I studien används ett stort urval av undersökningsmetoder, från laboratorieskala till fullskalig förbränning, för att identifiera de huvudsakliga utmaningarna förknippade med förbränning av restprodukterna i pannor med fluidiserad bäddteknik. Med hjälp av detaljerad bränslekarakterisering kunde restprodukterna konstateras vara en värdefull källa för värme- och elproduktion. Den kemiska sammansättningen av restprodukterna varierar stort jämfört med mera traditionellt använda biobränslen. En gemensam faktor för alla de studerade restprodukterna är en hög fosforhalt. På grund av de låga fosforkoncentrationerna i de traditionella biobränslena har grundämnet hittills inte ansetts spela någon större roll i askkemin. Experimenten visade nu att fosfor inte mera kan försummas då man studerar kemin i förbränningsprocesser, då allt flera fosforrika bränslen tränger in på energimarknaden.

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.

Puu- ja turvetuhkan hyötykäyttökelpoisuuteen vaikuttavat tekijät pienillä polttolaitoksilla

Energiantuotannossa syntyvä tuhka voi olla laadultaan hyvin vaihtelevaa ja laadunvaihtelulle on haastavaa löytää yksiselitteistä syy-seuraussuhdetta. Ympäristönsuojelulainsäädäntö ja taloudelliset intressit ohjaavat tuhkantuottajia etsimään tuhkalle sopivia hyötykäyttökohteita, ja sen vuoksi tuhkan laatuun ja hyötykäyttökelpoisuuteen vaikuttavia tekijöitä on tarpeen selvittää. Tässä diplomityössä on tutkittu pienissä, alle 50 MW:n polttolaitoksissa syntyvää tuhkaa. Tavoitteena oli selvittää, kuinka tuhkan hyötykäyttökelpoisuuteen voidaan vaikuttaa. Tutkimuksen kohteena oli polttoainekoostumuksen, poltto-olosuhteiden ja tuhkan jälkikäsittelyn vaikutus tuhkassa olevien haitta-aineiden pitoisuuksiin ja liukoisuuksin. Työhön sisältyi myös aiemmin tehtyjen tuhka-analyysien tarkastelu sekä tuhkakokeet kahdella kohderyhmään kuuluvalla laitoksella. Työssä todettiin lentotuhkan haitta-ainepitoisuuksien ja -liukoisuuksien olevan keskimäärin korkeampia kuin pohjatuhkan vastaavien, ja että tyypillisesti arinakattilan tuhkien haitta-aineet ylittävät useammin hyötykäyttökelpoisuuden raja-arvoja kuin kuplaleijupetikattilan tuhkien. Lisäksi havaittiin metsätähdehaketuhkan kelpaavan useammin hyötykäyttöön kuin rankahaketuhkan.

Tutkimuskattilan taselaskenta

Diplomityön tavoitteena oli luoda Varkauden energiatutkimuskeskuksen tutkimuskäyttöön tarkoitetun kuplapetikattilan tase- ja säätölaskenta. Työssä on esitelty yleisesti kuplapetikattiloiden teoriaa ja tarkasteltu lyhyesti kuplapetikattilan muodostamaa kokonaisuutta energiantuotannossa. Työssä käsitelty tutkimuskattila ei ehtinyt valmistua ennen tätä diplomityötä, joten mittauksia käytön ajalta ei voitu suorittaa ja sisällyttää tähän työhön. Lisäksi mahdolliset käytössä havaittavat korjaukset ja parannukset taselaskentaan jäivät tämän työn tarkastelun ulkopuolelle. Taselaskennan muodostamisessa hyödynnettiin kattilan suunnitteluvaiheessa luotuja säätö- ja PI-kaavioita. Säätömekaniikkaa luodessa huomioitiin mahdollisimman tarkasti automaatiojärjestelmän vaatimukset ja suorituskyky. Työssä on esitetty suuri määrä kattilalaskennan kannalta keskeisiä yhtälöitä. Prosessia ja säätömekaniikkaa mallinnettiin laskentaperusteisesti, työssä on esitetty yhtälöistä saatavat tulokset kattilaa ajettaessa tyypillisillä arvoilla 100 %:n teholla. Työn tuloksena tutkimuskattilalle saatiin säätömekaniikka, jolla pystytään arvioimaan viipymäaikaa kattilassa. Lasketun viipymäajan avulla polttoprosessi kattilassa voidaan suunnitella ja suorittaa tutkimuskäyttöön vaaditulla tarkkuudella ja laissa säädettyjen määräyksien mukaan, mikäli kierrätyspolttoainetta käytetään yli 50 tonnia vuodessa.