Kiinteäkerroskaasuttimen toiminnan teoreettinen tarkastelu ja puupellettien kaasutuskokeet myötävirtareaktorilla

Tämä työ on osa tutkimusprojektia, jonka tarkoituksena on kehittää uudentyyppinen kaasutustekniikkaan perustuva kiinteistöjen lämmitysjärjestelmä. Työ on tehty osaksi kirjallisuustutkimuksena käyttämällä hyödyksi alalla tehtyjä tutkimuksia ja kirjallisuutta. Kirjallisuustutkimuksen tavoitteena oli luoda yhtenäinen tietopaketti lämmitysjärjestelmän kehityksen tueksi. Työn kokeellisen osion tavoitteena oli tutkia lämmitysjärjestelmän kaasuttimen prototyypin toimintaa ja selvittää sen käyttöön liittyviä ongelmia. Kirjallisuusosiossa käsitellään kaasutuksen vaiheita: alkulämpeneminen ja kuivuminen, syttyminen, pyrolyysi sekä jäännöshiilen palaminen ja kaasutus. Varsinkin pyrolyysiprosessin tunteminen on merkittävää, kun halutaan parantaa biomassan poltto- ja kaasutusprosessien suunnittelua. Lisäksi kirjallisuusosiossa käsitellään kaasutuksessa syntyvän tuotekaasun ominaisuuksia: koostumus, lämpöarvo, tiheys ja palamisominaisuudet. Tuotekaasun ominaisuudet vaihtelevat suuresti kaasutusprosessista ja -olosuhteista sekä polttoaineesta riippuen. Tuotekaasun kohdalta käsitellään myös sen käyttökohteita. Perinteisesti kaasutuksen tuotekaasua käytetään lämmöntuotantoon, mutta tulevaisuuden haasteena on tuotekaasun käyttö kaasuturbiineissa sähköntuotantoon. Tuotekaasun käyttöä laajemmin rajoittaa sen sisältämät epäpuhtaudet. Tämän vuoksi kirjallisuusosiossa käsitellään myös tuotekaasun puhdistusmenetelmiä ja sen poltossa syntyvien päästöjen vähentämiskeinoja. Kokeellisessa osiossa suoritettiin puupellettien kaasutuskokeita TTKK:n Energia- ja prosessitekniikan laitoksen raskaaseen laboratorioon rakennetulla kaasutusreaktorilla. Kaasutuskokeiden avulla löydettiin kaasutusreaktorin toiminnan ongelmakohdat ja pystyttiin aloittamaan lämmitysjärjestelmän jatkokehitys.

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.

Epäsuoralla lämmöntuonnilla varustetut mikroturbiinit

Epäsuorassa lämmöntuonnissa biomassan poltto ja mikroturbiinin kiertoprosessi on erotettu toisistaan lämmönsiirtimen avulla. Tämän avulla mikroturbiiniprosessissa voidaan hyö-dyntää myös likaavia savukaasuja tuottavia polttoaineita kuten biomassaa. Prosessissa hyö-tysuhde ei nouse niin korkealle kuin kaasumaista polttoainetta käytettäessä lähinnä turbiinin alemmasta sisääntulolämpötilasta johtuen. Lämmönsiirtimen suunnittelu on erittäin tärkeässä asemassa prosessin sähköntuottohyötysuhdetta ajatellen. Mitä suurempi osa bio-massan savukaasujen lämpöenergiasta saadaan hyödynnettyä sitä suurempi on hyötysuhde. Kaupallisessa tarjonnassa on vielä hieman ongelmia juuri näistä syistä. Lämmönsiirrin ei välttämättä kestä korkeita lämpötiloja. Suuremmilla lämpötiloilla (yli 800 °C) joudutaan käyttämään seostettuja teräslaatuja tai jopa keraamisia ratkaisuja. Hyötysuhteeltaan ja in-vestointikustannuksiltaan epäsuoralla lämmöntuonnilla varustettu mikroturbiini on etuase-massa muihin teknologioihin nähden, kunhan lämmönsiirtimen materiaaliongelma ja opti-maalinen biomassan poltto ratkaistaan.

The role of nuclear and other conventional power plants in the flexible energy system

This thesis reviews the role of nuclear and conventional power plants in the future energy system. The review is done by utilizing freely accesible publications in addition to generating load duration and ramping curves for Nordic energy system. As the aim of the future energy system is to reduce GHG-emissions and avoid further global warming, the need for flexible power generation increases with the increased share of intermittent renewables. The goal of this thesis is to offer extensive understanding of possibilities and restrictions that nuclear power and conventional power plants have regarding flexible and sustainable generation. As a conclusion, nuclear power is the only technology that is able to provide large scale GHG-free power output variations with good ramping values. Most of the currently operating plants are able to take part in load following as the requirement to do so is already required to be included in the plant design. Load duration and ramping curves produced prove that nuclear power is able to cover most of the annual generation variation and ramping needs in the Nordic energy system. From the conventional power generation methods, only biomass combustion can be considered GHG-free because biomass is considered carbon neutral. CFB combusted biomass has good load follow capabilities in good ramping and turndown ratios. All the other conventional power generation technologies generate GHG-emissions and therefore the use of these technologies should be reduced.

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.

Biomassan termisen konversion ja palamisen mallinnus leijupetikattilassa

Tässä tutkimusraportissa käsitellään eri biopolttoaineiden ominaisuuksia sekä biomassan termistä konversiota ja palamista. Erityisesti tutkimuksessa keskitytään edellä mainittuja prosesseja kuvaaviin malleihin. Tutkimuksessa käydään lyhyesti läpi myös biopolttoaineiden palamisesta syntyviin päästöihin sekä polton seurauksena aiheutuviin ongelmiin liittyviä ilmiöitä. Tavoitteena on tiivistää ja tuoda esille olennaisimpia biomassan palamiseen liittyviä prosesseja. Työssä keskitytään vain tiettyihin, kohdassa 2.3 esiteltyihin biopolttoaineisiin. Sen lisäksi tarkastelu kohdistetaan erityisesti leijupetikattiloihin, joiden on koetulosten perusteella osoitettu soveltuvan hyvin erilaisten biomassojen polttoon.

Biomassan happipoltto leijukattilassa

Kandidaatintyössä tarkastellaan biomassan happipolttoa leijukerroskattilassa. Happipolttoisia laitoksia ei vielä suuressa mittakaavassa ole. Työssä mietitään, miten biomassan happipoltosta tulisi kannattavaa. Tutkielmassa tuodaan esille biomassaan, happipolttoon ja leijukerrostekniikkaan liittyviä ongelmia ja mahdollisuuksia yhdessä ja erikseen. Uusissa teknologioissa investointien suuruus ja muut kustannukset ovat tärkeässä roolissa. Työssä otetaan esille eri skenaarioita happipolton tulevaisuudesta päästöoikeuden hinnan noustessa ja haasteita liittyen kivihiilen nykyiseen hyvään kilpailukykyyn verrattuna biomassaan.

Puuhakkeen käsittely- ja poltto-ominaisuuksien parantaminen

Nykyaikana yhteiskunta tavoittelee uusiutuvaa ja ympäristöä säästävää energiantuotantoa. Biopolttoaineiden käyttö vähentää fossiilisten polttoaineiden osuutta energiantuotannossa. Jotta biopolttoaineilla voidaan korvata fossiilisia polttoaineita, biopolttoaineita täytyy jalostaa. Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää puuhakkeen jalostuksen merkitystä hakkeen käytölle ja kannattavuudelle. Hakkeen kuivaamisella ja seulonnalla voidaan parantaa hakkeen käsittely- ja poltto-ominaisuuksia. Kosteuden ja tasalaatuisuuden merkitys suurenee, kun haketta käytetään pienissä kattiloissa. Pienissä kattiloissa lämmöntuotannon hyötysuhde pienenee merkittävästi kosteuden suurentuessa. Tällöin polttoaineen kulutus ja energiantuotantokustannukset suurenevat. Suuremmissa kattiloissa hyvälaatuisella hakkeella on mahdollista korvata kalliimpia vara- ja huippukuormapolttoaineita, kuten öljyä. Tällöin fossiilisten polttoaineiden osuus pienenee. Lisäksi kuivaaminen ja seulominen ovat edullisia jalostusprosesseja esimerkiksi pelletin tuotantoon verrattuna.

Modelling the super-equilibria in thermal biomass conversion : applications and limitations of the constrained free energy method

Bioenergi ses som en viktig del av det nu- och framtida sortimentet av inhemsk energi. Svartlut, bark och skogsavfall täcker mer än en femtedel av den inhemska energianvändningen. Produktionsanläggningar kan fungera ofullständigt och en mängd gas-, partikelutsläpp och tjära produceras samtidigt och kan leda till beläggningsbildning och korrosion. Orsaken till dessa problem är ofta obalans i processen: vissa föreningar anrikas i processen och superjämviktstillstånd är bildas. I denna doktorsavhandling presenteras en ny beräkningsmetod, med vilken man kan beskriva superjämviktstillståndet, de viktigaste kemiska reaktionerna, processens värmeproduktion och tillståndsstorheter samtidigt. Beräkningsmetoden grundar sig på en unik frienergimetod med bivillkor som har utvecklats vid VTT. Den här så kallade CFE-metoden har tidigare utnyttjats i pappers-, metall- och kemiindustrin. Applikationer för bioenergi, vilka är demonstrerade i doktorsavhandlingen, är ett nytt användingsområde för metoden. Studien visade att beräkningsmetoden är väl lämpad för högtemperaturenergiprocesser. Superjämviktstillstånden kan uppstå i dessa processer och det kemiska systemet kan definieras med några bivillkor. Typiska tillämpningar är förbränning av biomassa och svartlut, förgasning av biomassa och uppkomsten av kväveoxider. Också olika sätt att definiera superjämviktstillstånd presenterades i doktorsavhandlingen: empiriska konstanter, empiriska hastighetsuttryck eller reaktionsmekanismer kan användas. Resultaten av doktorsavhandlingen kan utnyttjas i framtiden i processplaneringen och i undersökning av nya tekniska lösningar för förgasning, förbränningsteknik och biobränslen. Den presenterade metoden är ett bra alternativ till de traditionella mekanistiska och fenomenmodeller och kombinerar de bästa delarna av både. --------------------------------------------------------------- Bioenergia on tärkeä osa nykyistä ja tulevaa kotimaista energiapalettia. Mustalipeä, kuori ja metsätähteet kattavat yli viidenneksen kotimaisesta energian kulutuksesta. Tuotantolaitokset eivät kuitenkaan aina toimi täydellisesti ja niiden prosesseissa syntyy erilaisia kaasu- ja hiukkaspäästöjä, tervoja sekä prosessilaitteita kuluttavia saostumia ja ruostumista. Usein syy näihin ongelmiin on prosessissa esiintyvä epätasapainotila: tietyt yhdisteet rikastuvat prosessissa ja muodostavat supertasapainotiloja. Väitöstyössä kehitettiin uusi laskentamenetelmä, jolla voidaan kuvata nämä supertasapainotilat, tärkeimmät niihin liittyvät kemialliset reaktiot, prosessin lämmöntuotanto ja tilansuureet yhtä aikaa. Laskentamenetelmä perustuu VTT:llä kehitettyyn ainutlaatuiseen rajoitettuun vapaaenergiamenetelmään. Tätä niin kutsuttua CFE-menetelmää on aiemmin sovelluttu onnistuneesti muun muassa paperi-, metalli- ja kemianteollisuudessa. Väitöstyössä esitetyt bioenergiasovellukset ovat uusi sovellusalue menetelmälle. Työ osoitti laskentatavan soveltuvan hyvin korkealämpöisiin energiatekniikan prosesseihin, joissa kemiallista systeemiä rajoittavia tekijöitä oli rajallinen määrä ja siten super-tasapainotila saattoi muodostua prosessin aikana. Tyypillisiä sovelluskohteita ovat biomassan ja mustalipeän poltto, biomassan kaasutus ja typpioksidipäästöt. Työn aikana arvioitiin myös erilaisia tapoja määritellä super-tasapainojen muodostumista rajoittavat tekijät. Rajoitukset voitiin tehdä teollisiin mittauksiin pohjautuen, kokeellisia malleja hyödyntäen tai mekanistiseen reaktiokinetiikkaan perustuen. Tulevaisuudessa väitöstyön tuloksia voidaan hyödyntää prosessisuunnittelussa ja tutkittaessa uusia teknisiä ratkaisuja kaasutus- ja polttotekniikoissa sekä biopolttoaineiden tutkimuksessa. Kehitetty menetelmä tarjoaa hyvän vaihtoehdon perinteisille mekanistisille ja ilmiömalleille yhdistäen näiden parhaita puolia.

Biomassan käsittely voimalaitoksissa

Tässä diplomityössä tutkitaan biomassan esikäsittelyä suurissa voimalaitoksissa. Työssä keskitytään puusta saataviin polttoaineisiin. Biomassan esikäsittely on tärkeä osa voimalaitoksen toimintaa. Sillä pyritään saamaan puulle halutut ominaisuudet loppukäyttöä, kuten polttoa tai kaasutusta varten. Puubiomassan tärkeimpiä ominaisuuksia ovat kosteus, palakoko ja tasalaatuisuus. Työ on jaettu neljään osaan. Ensimmäisessä osassa tutkitaan kiinteän biomassan ominaisuuksia ja ongelmia. Toisessa osassa esitellään erilaisia voimalaitoksissa käytettäviä puubiomassoja ja niiden erityisominaisuuksia ja -vaatimuksia. Kolmannessa osassa esitellään biomassan käsittelyä voimalaitoksella. Käsittely jaotellaan vastaanottoon, esikäsittelyyn, varastointiin ja käsittelylaitteistoihin. Kolmannessa osassa tutkitaan myös käsittelyn erityisvaatimuksia ja esitellään esimerkkejä biomassan kokonaiskäsittelystä laitoksella. Työn neljäs osa paneutuu biomassan käsittelyn turvallisuus- ja ympäristöasioihin. Puubiomassan esikäsittely on suunniteltava käytettävien puulaatujen ja -määrien mukaan. Biomassan kosteuden ollessa korkea, on tutkittava onko kuivurien käyttö kannattavaa ja perusteltua. Jos voimalaitokselle tuleva puu on epätasalaatuista tai sisältää epäpuhtauksia, on käytettävä erilaisia puhdistus- ja murskainlaitteistoja. Biomassan käsittelyssä syntyy melua ja päästöjä. Ympäristö- ja terveyshaittojen ehkäisemiseksi käsittelylaitteistoihin on suunniteltava tarpeelliset suojat ja varojärjestelmät.

Growth of and partitioning between shoot and storage root of carrot in a northern climate

Selostus: Porkkanan kasvu ja biomassan jakautuminen varastojuuren ja verson välillä pohjoisissa oloissa

Variation in biomass related variables of reed canary grass

Selostus: Ruokohelven biomassan tuotantoon vaikuttavien ominaisuuksien vaihtelu