Heat transfer in superheaters of the bubbling fluidized bed boiler conversions

It is often reasonable to convert old boiler to bubbling fluidized bed boiler instead of building a new one. Converted boiler consists of old and new heat surfaces which must be fitted to operate together. Prediction of heat transfer in not so ideal conditions sets challenges for designers. Two converted boilers situated in Poland were studied on the grounds of acceptance tests and further studies. Calculation of boiler process was performed with boiler design program. Main interest was heat transfer in superheaters and factors affecting it. Theory for heat transfer is presented according to information found from literature. Results obtained from experimental studies and calculations have been compared. With correct definitions calculated parameters corresponded well to measured data at boiler maximum design load. However overload situations revealed to be difficult to model at least without considering changes in the combustion process which requires readjustments to the design program input values.

Artificially Intelligent and Adaptive Methods for Prediction and Analysis of Superheater Fireside Corrosion in Fluidized Bed Boilers

Superheater corrosion causes vast annual losses for the power companies. With a reliable corrosion prediction method, the plants can be designed accordingly, and knowledge of fuel selection and determination of process conditions may be utilized to minimize superheater corrosion. Growing interest to use recycled fuels creates additional demands for the prediction of corrosion potential. Models depending on corrosion theories will fail, if relations between the inputs and the output are poorly known. A prediction model based on fuzzy logic and an artificial neural network is able to improve its performance as the amount of data increases. The corrosion rate of a superheater material can most reliably be detected with a test done in a test combustor or in a commercial boiler. The steel samples can be located in a special, temperature-controlled probe, and exposed to the corrosive environment for a desired time. These tests give information about the average corrosion potential in that environment. Samples may also be cut from superheaters during shutdowns. The analysis ofsamples taken from probes or superheaters after exposure to corrosive environment is a demanding task: if the corrosive contaminants can be reliably analyzed, the corrosion chemistry can be determined, and an estimate of the material lifetime can be given. In cases where the reason for corrosion is not clear, the determination of the corrosion chemistry and the lifetime estimation is more demanding. In order to provide a laboratory tool for the analysis and prediction, a newapproach was chosen. During this study, the following tools were generated: · Amodel for the prediction of superheater fireside corrosion, based on fuzzy logic and an artificial neural network, build upon a corrosion database developed offuel and bed material analyses, and measured corrosion data. The developed model predicts superheater corrosion with high accuracy at the early stages of a project. · An adaptive corrosion analysis tool based on image analysis, constructedas an expert system. This system utilizes implementation of user-defined algorithms, which allows the development of an artificially intelligent system for thetask. According to the results of the analyses, several new rules were developed for the determination of the degree and type of corrosion. By combining these two tools, a user-friendly expert system for the prediction and analyses of superheater fireside corrosion was developed. This tool may also be used for the minimization of corrosion risks by the design of fluidized bed boilers.

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.

Prediction of heat transfer on kraft recovery boiler

Työssä tutkittiin Andritz-Ahlstrom toimittamien soodakattiloiden lämmönsiirtoa ANITA 2.20- suunnitteluohjelmalla feedback- laskentaa apuna käyttäen. Data laskentaan saatiin kattiloiden takuukokeissa mitatuista arvoista. Mittaukset on suoritettiin Andritz-Ahlstromin henkilökunnan toimesta tehdashenkilökunnan avustuksella. Feedback -laskenta tapahtui mittaustulosten perusteella, joten tiettyä virhettä luonnollisesti esiintyi. Aluksi laskettiin taseet molempien ekojen yli erikseen sekä molemmat yhdessä Excel-taulukkolaskentaohjelmalla. Täältä saatiin oletettu savukaasuvirtaus kattilassa. Tämän jälkeen lämpöpintoja muokattiin todellisuutta vastaaviksi yleislikaisuuskerrointa muuttamalla (overall fouling factor). Kertoimet ovat liikkuivat noin 0.4 ja 1.6 välillä riipuen kattilan tyypistä ja ANITAn oletuksesta lämpöpintojen likaisuudelle. Havaittin että yhtä varsinaista syytä lämpöpintojen eroavaisuuteen oletetusta ei saatu. Syitä toiminnan poikkeamiseen oli monia. Mm. etukammion koolla havaittiin olevan suurtakin vaikutusta tulistimien, etenkin savukaasuvirrassa ensimmäisen tulistimen toimintaan. Yleisesti todettiin muiden tulistimien vastaavan oletettua toimintaa. Keittopinnan ja ekonomiserien toimintaa tutkittiin hivenen suppeammin ja havaittiin niiden toimivan huomattavasti stabiilimmin kuin tulistimien. Likaisuus kertoimet oletetusta vaihtelivat noin ±20 %.

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.

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.

Soodakattilan lentotuhkan uudentyyppisen analysaattorin arviointi

RBDA (Recovery Boiler Dust Analyzer) on soodakattilan savukaasujen hiukkasten määrää mittaava laite. Yksi laitteen mahdollisista sovelluskohteista on soodakattilan nuohouksen optimointi. Tämän työn tarkoituksena oli parantaa RBD-analysaattorin toimintaa ja erityisesti tutkia laitteen toimivuutta soodakattilan nuohouksen optimoinnis-sa. Soodakattilan nuohouksen optimoinnilla voidaan vähentää nuohoukseen kuluneen höyryn määrää ja näin saavuttaa taloudellisia säästöjä. RBD-analysaattorin toimivuutta testattiin toimivan soodakattilan avulla. Tutkimuksen tueksi testeissä käytetyn soodakattilan savukaasujen lämpötilat ja tuhkan tarttumisomi-naisuudet selvitettiin. Laitteen toimivuutta testattiin vertaamalla RBDA:n mittaustulosta standardin mukaiseen savukaasujen hiukkasmittausmenetelmään. Mittajärjestelmän soveltuvuutta soodakattilan nuohouksen optimointiin tutkittiin ajamalla nuohoimia käsin eri seisonta-aikojen jälkeen sekä mittaamalla soodakattilan normaalia nuohousjärjes-tystä. Mittausten perusteella todettiin, että RBDA havaitsee savukaasujen pölypitoisuuden ja sen muutokset luotettavasti. Nuohouksen optimointiin RBDA:n todettiin soveltuvan ny-kyisessä mallissaan vain vedenesilämmittimien osalta. Keittopinnan ja tulistimien nuo-hointen optimointiin ei saatu riittävän luotettavia mittaustuloksia. RBDA:n kehittäminen jatkotutkimuksilla todettiin mahdolliseksi.

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.

Laskentasovelluksen kehittäminen modulaariselle vesiputkikattilalle

Modulaarisella vesiputkikattilalla tarkoitetaan täysin konepajalla valmistettavissa olevaa kattilaa, joka voidaan kuljettaa yhtenä tai muutamana suurena moduulina työmaalle. Tässä diplomityössä käsiteltiin modulaarisen vesiputkikattilan laskentasovelluksen ke-hittämistä KPA Unicon Oy:lle. Työn tavoitteena oli tarkastella modulaarisen vesiputkikattilan lämpöteknistä mitoitusta ja suunnittelua sekä kehittää laskentasovellus, jonka avulla voidaan arvioida kattilan mittoja ja painoa. Laskentasovellus laadittiin Microsoftin Excel-alustalle, josta se on myöhemmin mahdollista siirtää muille ohjelma-alustoille. Laskentasovelluksessa hyödynnetään lämmönsiirron ja virtaustekniikan laskentayhtälöitä sekä -menetelmiä. Sovellukseen valitut laskentayhtälöt sekä -menetelmät ovat yleisesti hyväksyttyjä ja käytännössä testattuja. Diplomityön tuloksena valmistui laskentasovellus, joka kykenee modulaarisen vesiputkikattilan lämpötekniseen mitoittamiseen. Sovelluksen avulla voidaan mitoittaa kattilan tulipesä, tulistimet, höyrystinpinnat sekä ekonomaiseri. Laskentasovellusta on tarkoitus hyödyntää yrityksen tarjousvaiheen projekteissa sekä mahdollisesti kattiloiden esisuunnittelussa. Laskentasovelluksen laatimista varten ei ollut mahdollista hyödyntää toiminnassa olevien kattiloiden prosessitietoja, koska ensimmäiset tämän tyyppiset kattilat ovat asenteilla. Sen sijaan sovelluksen antamia laskentatuloksia verrattiin toisen mitoitusohjelman antamiin tuloksiin, joiden perusteella laskentasovelluksen voidaan olettaa antavan oikeita tuloksia.

Leijukerroslämmönsiirtimien tukkeutuminen biovoimalaitoksessa

Leijukerroslämmönsiirtimien, eli hiekanpalautuspolvessa sijaitsevien tulistimien tukkeutuminen on ollut Kaukaan Voima Oy:n biovoimalaitoksen suunnittelemattomien seisokkien suurin syy vuodesta 2012 lähtien. Tulistimet tukkeutuvat kahdella tavalla. Nopeassa tukkeutumisessa tulistinkammion seinien kuonakerrostumat romahtavat yhtäkkiä tulistimen päälle tukkien sen. Tämä johtaa aina koko laitoksen alasajoon. Hitaassa tukkeutumisessa tulistinputkien pinnalle muodostuu vähitellen kerrostuma sekä tulistinputkien väliin jää suurempia kappaleita, jotka tukkivat tulistinta. Nopea tukkeutuminen johtuu tuhkassa olevien alkali-, eli kalium- ja natriumyhdisteiden synnyttämistä kerrostumista lämmönsiirrinkammion seinille. Hidas tukkeutuminen johtuu osittain myös alkaliyhdisteistä, mutta merkittävämpi aine tulistinputkien pinnalla olevassa kerrostumissa näyttää olevan kalsiumsulfaatti, joka tukkii tulistinta. Palavan aineen pääsy tulistinkammioon ilmanjakoasetuksista ja tulistinkammion rakenteesta johtuen aiheuttaa kerrostumien syntymisen. Kerrostumien syntymiseen johtavat syyt johtuvat monesta tekijästä ja yksiselitteistä aiheuttajaa on vaikea määritellä. Selvin yhteys on lietteen epätasaisessa poltossa ja turpeen käytössä. Nykyisillä lietteenkäsittelylaitteilla lietteen tasainen syöttö on vaikeaa ja se aiheuttaa ongelmia. Turpeen poltto biopolttoaineiden rinnalla pitää tulistimet puhtaampina. Muita todennäköisiä kerrostumia lisääviä syitä ovat puhtaan hiekan vähäinen syöttömäärä ja usean huonomman polttoaineen yhtäaikainen poltto.

Wave superheater hypersonic tunnel; semiannual report,

"AEDC TDR-62-54. Program area 750A. AFSC project 4773. Contract no. AF40(600)-804."

Engineering design of a wave superheater facility for hypersonic research and development.

AFOSR-TN-59-108; AD-210224.

Chemistry of potassium halides and their role in corrosion in biomass and waste firing

Compared to the use of traditional fossil fuels (coal, oil, natural gas), combustion of biomass and waste fuels has several environmental and economic advantages for heat and power generation. However, biomass and waste fuels might contain halogens (Cl, Br, F), alkali metals (Na, K) and heavy metals (Zn, Pb), which may cause harmful emissions and corrosion problems. Hightemperature corrosion occurs typically on furnace waterwalls and superheaters. The corrosion of the boiler tube materials limits the increase of thermal efficiency of steam boilers and leads to costly shutdowns and repairs. In recent years, some concerns have been raised about halogen (Cl, Br, and F)-related hightemperature corrosion in biomass- and waste-fired boilers. Chlorine-related high-temperature corrosion has been studied extensively. The presence of alkali chlorides in the deposits is believed to play a major role in the corrosion observed in biomass and waste fired boilers. However, there is much less information found in literature on the corrosion effect of bromine and fluorine. According to the literature, bromine is only assumed to play a role similar to chlorine; the role of fluorine is even less understood. In this work, a series of bubbling fluidized bed (BFB) bench-scale tests were carried out to characterize the formation and sulfation behaviors of KCl and KBr in BFB combustion conditions. Furthermore, a series of laboratory tests were carried out to investigate the hightemperature corrosion behaviors of three different superheater steels (10CrMo9-10, AISI 347 and Sanicro 28) exposed to potassium halides in ambient air and wet air (containing 30% H2O). The influence of H2O and O2 on the high-temperature corrosion of steels both with and without a salt (KCl) in three gas atmospheres (2% H2O-30% O2-N2, 2% H2O-2% O2-N2 and 30% H2O-2% O2-N2) was also studied. From the bench-scale BFB combustion tests, it was found that HBr has a clearly higher affinity for the available K forming KBr than HCl forming KCl. The tests also indicated that KCl has a higher tendency for sulfation than KBr. From the laboratory corrosion tests in ambient air (also called “dry air” in Paper III and Paper IV), it was found that at relatively low temperatures (≤ 550 °C) the corrosivity of KBr and KF are similar to KCl. At 600 °C, KF showed much stronger corrosivity than KBr and KCl, especially for 10CrMo9-10 and AISI 347. When exposed to KBr or KF, 10CrMo9-10 was durable at least up to 450 °C, while AISI 347 and Sanicro 28 were durable at least up to 550 °C. From the laboratory corrosion tests in wet air (30% H2O), no obvious effect of water vapor was detected at 450 °C. At 550 °C, the influence of water vapor became significant in some cases, but the trend was not consistent. At 550 °C, after exposure with KBr, 10CrMo9-10 suffered from extreme corrosion; after exposure with KF and KCl, the corrosion was less severe, but still high. At 550 °C, local deep pitting corrosion occurred on AISI 347 and Sanicro 28 after exposure with KF. Some formation of K2CrO4 was observed in the oxide layer. At 550 °C, AISI 347 and Sanicro 28 suffered from low corrosion (oxide layer thickness of < 10 μm) after exposure with KBr and KCl. No formation of K2CrO4 was observed. Internal oxidation occurred in the cases of AISI 347 with KBr and KCl. From the laboratory corrosion tests in three different gas atmospheres (2% H2O-30% O2-N2, 2% H2O-2% O2-N2 and 30% H2O-2% O2-N2), it was found that in tests with no salt, no corrosion occurred on AISI 347 and Sanicro 28 up to 600 °C in both the “O2-rich” (2% H2O-30% O2-N2) and “H2O-rich” (30% H2O-2% O2-N2) gas atmospheres; only 10CrMo9-10 showed increased corrosion with increasing temperature. For 10CrMo9-10 in the “O2-rich” atmosphere, the presence of KCl significantly increased the corrosion compared to the “no salt” cases. For 10CrMo9-10 in the “H2O-rich” atmosphere, the presence or absence of KCl did not show any big influence on corrosion. The formation of K2CrO4 was observed only in the case with the “O2-rich” atmosphere. Considering both the results from the BFB tests and the laboratory corrosion tests, if fuels containing Br were to be combusted, the corrosion damage of superheaters would be expected to be higher than if the fuels contain only Cl. Information generated from these studies can be used to help the boiler manufacturers in selecting materials for the most demanding combustion systems.