Ruokohelven käytön lisääminen Joensuun voimalaitoksen kattilassa – käytettävyys, hyötysuhde ja taloudellisuus

Ruokohelpi soveltuu ympäristöystävällisyyden ja korkean lämpöarvon vuoksi hyvin energiantuotantoon. Fortumin Joensuun voimalaitoksella ruokohelpi on syötetty kattilaan tähän asti pääasiassa pääpolttoaineisiin, turpeeseen tai hakkeeseen seostettuna pieninä energiaosuuksina. Pääpolttoaineisiin verrattuna ruokohelvellä on alhaisempi irto- ja energiatiheys, korkeampi klooripitoisuus ja kattilaa likaavampi tuhka, mikä asettaa rajoitteita sen käytön lisäämiselle voimalaitoksella. Alhaisesta irto- ja energiatiheydestä johtuvan holvautumisen sekä tukoksien lisääntymisen ja Joensuun voimalaitoksen nykyisten kuljettimien kapasiteettiongelmien vuoksi ruokohelven osuuden lisääminen suuremmaksi kuin 5 % polttoaine-energiasisällöstä on riskialtista ja edellyttää täten investointia erilliseen ruokohelven käsittely- ja syöttöjärjestelmään. Yksi vaihtoehto on murskata ruokohelpipaalit joko sähkökäyttöisellä, puolikiinteällä ja nopeakäyntisellä Haybuster H1130 tilt -murskaimella tai kiinteällä ja hidaskäyntisellä Raumaster-murskaimella ja ohjata ruokohelpisilppu joko pitkän mekaanisen kuljettimen ja sen perässä olevien lyhyiden pneumalinjojen tai pelkkien pitkien pneumalinjojen kautta suoraan kattilapesään. Työssä tutkitut investoinnit ovat taloudellisesti sitä kannattavampia mitä enemmän ruokohelpeä voidaan vuositasolla polttaa voimalaitoksella. Ruokohelven käyttömäärää voimalaitoksella kannattanee lisätä kuljetusmatkaa pidentämällä. Investointien valinta ei ole itsestäänselvyys. Nopeakäyntinen murskain on hidaskäyntistä murskainta edullisempi investointi, tosin hidaskäyntisen murskaimen käyttövarmuus on parempi kuin nopeakäyntisen murskaimen. Kattilan käytettävyyden kannalta ruokohelven käytön lisääminen edellyttää kattilan palamistekniikan analysointia laskennallisesti virtausmallinnuksella ennen kuin lopullisia päätöksiä investointien suhteen voidaan tehdä.

Kattilatekniikat biopolttoaineille alle 5 MW teholuokassa

Tässä kandidaatintyössä on tarkoituksena kertoa mahdollisista eri biopolttoaineista ja niiden polttamiseen kehitetyistä kattilatekniikoista alle 5MW:n kokoluokassa. Eri kattilatyyppejä esitellään ja vertaillaan niiden toiminta-arvojen ja investointihintojen perusteella. Lisäksi työssä esitellään näiden kattilatyyppien kotimaisia polttokattilavalmistajia ja -myyjiä tarkastellun tehoalueen rajoissa. Työssä käsitellään vain pienitehoisia biopolttoainekattiloita, jolloin kattilaratkaisut rajoittuvat lähinnä arina- ja leijukerroskattiloihin. Kaasutuskattilat rajattiin työn ulkopuolelle työn rajatun laajuuden takia. Kaasutuskattiloilla on myös Suomessa vähän ja niiden tarjonta on pientä. Kattiloista on pyritty selvittämään niiden paineluokat ja tuotetun veden tai höyryn lämpötila. Kattilavalmistajilta kerättiin tietoa kyselyillä ja internetsivujen avulla. Valmistajien ja toimittajien halukkuus kertoa omista tuotteistaan vaihteli jonkin verran. Tämän takia myös tiedon määrä tuotteista vaihtelee yrityksien välillä.

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.

Kiertoleijupetikattilateknologia ja sen matemaattinen mallinnus energiantuotantoprosessissa

Työn teoreettisessa osuudessa tehdään katsaus kiertoleijupetiteknologian eri osa-alueisiin: leijupedin virtausdynamiikkaan, hiukkaserottimeen ja kiintoaineen palautusmekanismiin. Myös teknologian historiaa ja muita käyttötarkoituksia energiantuotannon ohella käydään läpi. Termodynamiikkaa sekä lämmönsiirron ja voimalaitosprosessien teoriaa käsitellään mallinnuksessa tarvittavilta osin. Mallinnusosiossa käydään läpi kiertoleijupetihöyrykattilan matemaattisen mallin tekoprosessia. Malli perustuu yleisesti saatavilla oleviin yhtälöihin ja korrelaatioihin. Mallintaminen koostuu höyrykattilan jakamisesta lämpöpintoihin ja niiden mitoittamisesta. Mallissa esitetään myös näkemys siitä, miten lämpö siirtyy savukaasuun ja miten petimateriaalin kierto tapahtuu tulipesässä.

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.

Ash Particle Erosion on Steam Boiler Convective Section

In this study, equations for the calculation of erosion wear caused by ash particles on convective heat exchanger tubes of steam boilers are presented. Anew, three-dimensional test arrangement was used in the testing of the erosion wear of convective heat exchanger tubes of steam boilers. When using the sleeve-method, three different tube materials and three tube constructions could be tested. New results were obtained from the analyses. The main mechanisms of erosionwear phenomena and erosion wear as a function of collision conditions and material properties have been studied. Properties of fossil fuels have also been presented. When burning solid fuels, such as pulverized coal and peat in steam boilers, most of the ash is entrained by the flue gas in the furnace. In bubbling andcirculating fluidized bed boilers, particle concentration in the flue gas is high because of bed material entrained in the flue gas. Hard particles, such as sharp edged quartz crystals, cause erosion wear when colliding on convective heat exchanger tubes and on the rear wall of the steam boiler. The most important ways to reduce erosion wear in steam boilers is to keep the velocity of the flue gas moderate and prevent channelling of the ash flow in a certain part of the cross section of the flue gas channel, especially near the back wall. One can do this by constructing the boiler with the following components. Screen plates can beused to make the velocity and ash flow distributions more even at the cross-section of the channel. Shield plates and plate type constructions in superheaters can also be used. Erosion testing was conducted with three types of tube constructions: a one tube row, an inline tube bank with six tube rows, and a staggered tube bank with six tube rows. Three flow velocities and two particle concentrations were used in the tests, which were carried out at room temperature. Three particle materials were used: quartz, coal ash and peat ash particles. Mass loss, diameter loss and wall thickness loss measurements of the test sleeves were taken. Erosion wear as a function of flow conditions, tube material and tube construction was analyzed by single-variable linear regression analysis. In developing the erosion wear calculation equations, multi-variable linear regression analysis was used. In the staggered tube bank, erosion wear had a maximum value in a tube row 2 and a local maximum in row 5. In rows 3, 4 and 6, the erosion rate was low. On the other hand, in the in-line tube bank the minimum erosion rate occurred in tube row 2 and in further rows the erosion had an increasing value, so that in a six row tube bank, the maximum value occurred in row 6.

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.

Influence of mixed fuels combustion on boiler operation

The aim of this work is to study the effect of different fuel mixtures on the operation of circulating fluidized bed (CFB) boiler. The applicability of heat balance modeling software IPSEpro to simulate CFB boiler operation is also investigated. The work discusses various types of boilers and methods of boiler operation. The fuel properties and the possible fuel influence on the boiler efficiency are described. Various biofuel types that are possible to use in combination with other fuels are presented. Some examples of the fuel mixtures use are given. A CFB boiler model has been constructed using IPSEpro and applied to analyze boiler operation outside design conditions. In the simulations, the effect of different load levels and moisture contents for the fuel mixture has been studied.

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.

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.