Polttolaitteet ja kattilat

Transkriptio

1 Polttolaitteet ja kattilat 2) Polttolaitteet Arinat BFB CFB 3) Kattilat Suurvesitila Vesiputkikattila Höyrykattilan rakenne 1 Arinapoltto Arinaksi kutsutaan kattilan pohjalle sijoitettavaa polttolaitetta, jonka päällä kiinteä polttoaine poltetaan joko paikallaan pysyen tai hitaasti liikkuvana kerroksena Arinaratkaisuja on useita, ja polttoaineena arinakattiloissa käytetään hiiltä, puuta, turvetta tai jätteitä Arina on vanhin kiinteiden polttoaineiden polttotapa höyrykattiloissa 1970 luvulla rakennettiin alle 100 MW polttoainetehoiset kiinteän polttoaineen kattilat arinakattiloiksi, ja suuremmat pölypolttokattiloiksi Suomessa arinakattilat korvattiin pitkälti leijukerroskattiloilla. Nykyisin Suomessa arinakattiloita rakennetaan lähinnä alle MW tehotasoille. Euroopassa arinakattiloiden asema on ollut vankempi Arinapolton sovellutuksia on runsaasti varsinkin jätteen poltossa 2 1

2 Arinatyypit Arinat jaetaan kiinteisiin ja mekaanisiiin arinoihin Kiinteät arinat sopivat pieniin laitoksiin, ja mekaaniset arinat isompiin laitoksiin Tärkeimmät arinatyypit Kiinteä tasoarina Kiinteä viisto- tai porrasarina Alasyöttöarina Mekaaninen ketjuarina Mekaaninen viistoarina Valssiarina Arinat voivat olla ilmalla tai vedellä jäähdytettyjä. Vesijäähdytetyt tyypillisesti suuria ja tarkoitettu korkealämpöarvoisille polttoaineille Suomessa KPA Unicon (ent. Wärtsilä Biopower/MW) toimittaa pyöriviä arinoita BioGrate Muutoin Suomessa arinoita lähinnä pienissä kattiloissa 3 Arinapolton periaate Palaminen arinalla Kuivaus ja lämmitys Tehoa rajoittavana syttymisnopeus tai palamisnopeus Kaasuuntuvan polttoaineen Arinapinta-ala palaminen Hiilet MW/m2 Kostea biomassa, 60% MW/m2 Kiinteän polttoaineen Kuiva biomassa, 30% MW/m2 palaminen 4 2

3 Kablitz arina KABLITZ GRATES RECIPROCATING GRATE The Detroit Reciprograte Stoker has met with wide approval for burning unprepared municipal and industrial solid waste as fuel. 5 Ketjuarina 6 TRAVELLING GRATE The Detroit RotoGrate stoker is a continuous ash discharge, traveling grate, spreader stoker that is perfect for a broad range of applications. It is recognized worldwide for its efficiency in generating steam and power from coal and refuse 3

4 Aalborg Energie Technik arina 7 8 Täryarina GRATES VIBRATING GRATE The spreader firing principle is the most widely accepted, proven and user friendly means of burning biomass fuels. Sized fuel is metered to a series of distribution devices which spread it uniformly over the stoker grate surface. Fine particles of fuel are rapidly burned in suspension assisted by carefully designed overfire air turbulence systems. Coarser, heavier fuel particles are spread evenly on the grate forming a thin, fast-burning fuel bed. The combination of suspension and the fast-burning bed makes this method of firing extremely responsive to load demand. 4

5 Arinakattila, Standard Kessel 9 BioGrate, KPA Unicon Wärtsilä Biopower BP2 arina Polttoaineteho 11.4 MW Polttoaineen kosteus 55% (60%) Polttoaineen syöttö ruuvilla Ilmakerroin 1.3 (3.33 % O2 kostea) Jäähdytys savukaasujen kierrätyksellä Arinapinta-ala 19 m 2 7 arinarengasta. 4 pyörivää arinaa 1 tuhka-arina Märkä pohjatuhkajärjestelmä Muurattu etupesä - KPA Unicon tekee arinakattiloita kokoluokassa 3-20 MWth - Etupäässä kosteille polttoaineille 10 5

6 Leijukerrospoltto Leijukerrospoltto tuli energiantuotantoon 1970 luvulla ja yleistyi biopolttoaineille 1980-luvulla Leijukerrospoltossa ilmaa puhaltamalla saatetaan inertistä materiaalista koostuva kerros leijuvaan tilaan Polttoaine poltetaan leijukerroksen sisällä tai päällä Leijukerroksen lämpövarasto tasaa palamista Leijukerrospolton etuina biopolttoaineiden poltossa Polttoainejoustavuus, Hyvä palaminen Suhteellisen alhaiset päästöt Kuplaleijukerrospoltto sopivin (hinta/laatu) biopolttoaineille Kiertoleijupoltto mikäli poltetaan hiiltä tai kuivaa biopolttoainetta Leijukerroskattilavalmistajia Suomessa Andritz Valmet Foster Wheeler Renewa 11 Leijukerrostyypit Lähde: Huhtinen, Lundqvist 12 6

7 Bubbling Fluidized Bed It Works Like Liquid Gas - Steel ball sinks - Rocks move up and down in the fluidized bed media Gas - Surface stays level Static height of bed is 50 cm in BFB Bed expansion 20-50% when fluidization starts Alkalien aiheuttama ongelma leijupoltossa - leijukerroksen sintraaminen MEKANISMI Polttoaineen sisältämät alkalimetallit (Na, K) reagoivat hiekan sisältämän piin kanssa ja muodostavat alkalisilikaatteja Partikkelien pinta tulee liimamaiseksi, joka tartuttaa partikkelit yhteen Leijutus häiriytyy, paikallisia kuumia pisteitä ja kiihtyvä agglomeraatio VAIKUTTAVAT TEKIJÄT Lämpötila Tuhkan koostumus (Na, K)) Polttoaineen ja petimateriaalin massasuhde KEINOT SINTRAUKSEN VÄLTTÄMISEKSI Alennetaan petin lämpötilaa Vaihdetaan petimateriaalia jatkuvasti Käytetään vaihtoehtoisia, inerttejä petimateriaaleja Masuunikuona, diabaasi, vulkaaninen kiviaines Lisäaineiden syöttö petiin Kaoliini 14 7

8 Kuplaleijun ja kiertoleijun eroja BFB petimateriaalin koko mm leijutusilmamäärä 40% kaasun nopeus 1-3 m/s poikkipintarasitus MW/m2 leijupedin korkeus 0.5 m petin lämpötila 850 C tulipesän lämpötila C paras reaktiivisille polttoaineille rikinpoiston tehokkuus 50% sopii kattilamuutoksiin halvempi kuin CFB omakäyttöteho alempi kuin CFB suurimmat biokattilat n. 300 MWth CFB petimateriaalin koko mm leijutusilmamäärä <40% kaasun nopeus 4-8 m/s poikkipintarasitus MW/m2 petin lämpötila 850 C tulipesän lämpötilaprofiili tasainen sopii myös hiilen polttoon 100 % rikinpoiston tehokkuus 90-95% suurimmat biokattilat n. 500 MWth 15 Kiertopetikattila - Valmet Lähde: Salmenoja 16 8

9 Kiertopetikattila - Foster Wheeler 17 Intrex tulistin Foster Wheeler Intrex tulistimessa tulistin on sijoitettu leijukerroksen sisälle Sijoituksella saadaan tulistin pois korrodoivasta savukaasuvirrasta Saavutetaan korkeampi tulistuslämpötila 18 9

10 Kiertopetikattila - Andritz 19 BFB Boiler suppliers ANDRITZ Valmet Foster Wheeler Babcock&Wilcox Main differences in Furnace floor Fuel feeding into the boiler General boiler arrangement 20 10

11 Valmetin kuplaleijukattila Lähde: Salmenoja 21 Valmetin kuplaleijuarina Lähde: Salmenoja 22 11

12 BFB by Foster Wheeler 23 BFB by Babcock&Wilcox 24 12

13 Andritz BFB 25 BFB boiler with 195 t/h of steam production Andritzin leijuarinaratkaisu Ash chutes Water cooled screw or drag chain 26 13

14 END OF PART 2 27 Höyrykattiloista Ensimmäiset höyrykattilat luvuilla olivat puoliksi vedellä täytettyjä astioita, joita lämmitettiin liekillä altapäin 1800 luvulla kehitettiin ns. suurvesitilarakenne, jossa savukaasut saatiin jäähtymään alempaan lämpötilaan ja hyötysuhde paremmaksi Höyryturbiinin keksiminen ja tarve paineen nostoon johtivat 1900-luvun alussa vesiputkikattiloiden kehittämiseen ja käyttöön Vesihöyrypiirin kehityksessä pyritty korkeampiin paineisiin ja lämpötiloihin hyötysuhteen maksimoimiseksi Kattiloiden käyttöpaine bar Kattilatyypit Suurvesitilakattilat Tulitorvi-tuliputkikattila Vesiputkikattilat Luonnonkiertokattilat Pakkokiertokattilat Läpivirtauskattilat 28 14

15 Development in boiler size 29 Kriittinen piste (wikipedia) Kriittinen piste on se piste faasidiagrammissa, jossa neste-kaasutasapainokäyrä loppuu. Kriittisen pisteen yläpuolella erilliset neste- ja kaasufaasi häviävät ja aine on yhdessä faasissa, jota kutsutaan ylikriittiseksi fluidiksi. Lähestyttäessä kriittistä pistettä neste- ja kaasufaasin välinen entalpiaero (höyrystymislämpö) pienenee, kunnes kriittisessä pisteessa höyrystymisentalpia on nolla. Sama koskee nesteja höyryfaasin välistä tiheyseroa. Kriittisen pisteen avulla on myös erotettu käsitteet höyry ja kaasu toisistaan. Höyrystä puhutaan silloin, kun faasin lämpötila on kriittisen lämpötilan alapuolella. Höyry voidaan aina tiivistää nesteeksi kohottamalla sen painetta. Jos aineen lämpötila on suurempi kuin sen kriittinen lämpötila, sitä ei voida nesteyttää. Veden kriittisessä pisteessä lämpötila on 374 C ja paine 221 bar. Kriittisen pisteen lämpötilaa ja painetta kutsutaan kriittiseksi lämpötilaksi (T c ) ja kriittiseksi paineeksi (P c )

16 Tulitorvi-tuliputkikattila (TTTP) Yleensä öljy- tai kaasulämmitteisiä. Myös biopolttoaineille suunniteltuja TTTP kattiloita tehdään Polttoaine palaa tulitorvessa, ja savukaasut kulkevat tuliputkia pitkin vesitilan läpi Tulitorven ja tuliputkien ulkopuolinen pinta on veden peitossa Seinämän läpi tuleva lämpö lämmittää tai höyrystää vettä Höyry kootaan kattilan yläpuoliseen höyrytilaan. Kattila sopii parhaiten pieneen kokoluokkaan. Suuressa kokoluokassa ja paineessa seinämäpaksuudet tekevät rakenteesta epätaloudellisen Suurvesitilakattiloita ei yleensä käytetä yli 20 bar paineessa, ja yli 12 MW teholla 31 Tulitorvi-tuliputkikattila 32 16

17 Wärtsilä Biopower arinakattila yhdistettynä vaakasuoraan tulitorvi-tuliputkikattilaan Bränsleinmatning Främre eldstad med roterande rost Efterbrännkammare Rökgasrening Askutmatning Skorsten Panna 33 Lähde: Wärtsilä Biopower Water tube boiler types 34 17

18 Luonnonkiertoinen höyrykattila Luonnonkiertokattila on vesiputkikattila, jossa höyrystyvä vesi virtaa putkissa Pääosat Lieriö Höyrystin Tulistimet tulistuksen säätö Syöttöveden esilämmitin (ekonomaiseri) Ilman esilämmitin (luvo) Veden kierto perustuu veden ja höyryn tiheyseroon Kiertoluku (kiertävä vesivirta/höyryvirta) on painetasosta riippuen Korkeapaineisilla kiertoluku on pienempi kuin matalapaineisilla Ei tarvita pumppua, omakäyttötehon tarve on pienempi kuin pakkotai läpivirtauskattiloissa. Luonnonkiertoiset kattilat alle 170 bar paineelle korkeammissa paineissa veden ja vesihöyryn tiheys on liian lähellä toisiaan. 35 Luonnonkiertoinen vesihöyrypiiri Lähde: Huhtinen 36 18

19 Vesikierto Laskuputkissa olevan veden ja höyrystimessä olevan veden ja höyryn tiheysero aiheuttaa vesikierron tarvitseman paine-eron Tämän on voitettava kiertovirtauksen painehäviö, joka koostuu Putkiston kitkavastus Virtausnopeuden vaatima dynaamisen paineen muutos Kiertovoima on sitä suurempi, mitä korkeampi kattila -> kapea ja korkea kattila 37 Vesiputkikattilan rakenne Höyrystinseinä Lieriö Sekundääri/tertiääritulistin Primääritulistin Polttoaineen syöttö Savukanavahöyrystin Ekonomaiserí Ilman esilämmittimet Laskuputki Lähde: Fortum Engineering 38 19

20 Kattilan seinämärakenteita Lähde: Huhtinen 39 Kattilan tukikehä buck stay 40 20

21 Furnace under construction 41 Lieriö ja kokoojaputket 42 Lähde: Fortum Engineering 21

22 Lieriön rakenne Lieriö toimii vesivarastona ja höyryn kuivaajana ennen tulistimia Erotusasteen on oltava hyvä, koska veteen liuenneet suolot höyryn mukaan karatessaan muodostavat kerrostumia putkistoon ja turbiiniin Erotukseen käytetään sykloneita ja demistereitä Tilavuuskuormitus yleensä yli 200: höyrymäärä (m3/h)/tilavuus (m3) Halkaisija usein n m. Pituus kattilan leveyden mukaan. 43 Lähde: Huhtinen Drum Drum is used to separate steam from water steam drying control water storage in the boiler Diameter (inner) 1,5 m Length 8,9 m Pressure (dim) 120 bar (a) Material SA302B Water/steam volume 6,9 / 9,8 m3 Equipment Feed water distribution tube Downcomer 2 pcs Cyclone 12 pcs Demister 12 pcs Service openings 2 pcs Local sight glass Level measurement 3 pcs water level Cyclones and demisters inside the drum 44 22

23 Tulistintyypit Hila staggered in-line 45 Lähde: Huhtinen biokattiloissa käytännössä vain in-line rakenteita Nokka Lähde: Fortum Engineering Sekundääritulistin (säteily) Tertiääriääritulistin (konvektio) Primääritulistin Tulistinputkea Sekundääritulistin asennettuna Primääritulistinputkea päässä kannatinkoukut 46 23

24 Vertical superheaters installed 47 Höyryn paineen ja lämpötilan säätö Kattilan painetta säädetään polttoaineen syötöllä Lämpötilan säädössä syöttöveden ruiskutus tulistinvaiheiden väliin Mikäli vesikemia on huono, käytetään ns.dolezal lauhdutinta (sweet water condenser) Siinä kylläistä höyryä lauhdutetaan syötövedellä ruiskutusvedeksi Tyypillinen ruiskutusveden määrä on n. 5% höyryvirrasta 48 24

25 Putkiluvo 49 Lähde: Fortum Engineering Lämpöpintojen puhdistus Nuohointyypit Höyrynuohoimet Seinänuohoin Ulosvedettävä nuohoin Iskullinen nuohoin Pyörivä monisuutinnuohoin Haravanuohoin Paineilmanuohoin Kuulanuohoin Mekaaninen ravistus Ääninuohoin Vesipesu Lähde: Fortum Engineering 50 25

26 Ulosvedettävä nuohoin 51 Iskullinen nuohoin 52 26

27 Ekonomaiseri ja haravanuohous 53 Ääninuohoin Source: Nirafon 54 27

28 Pneumaattinen vasara seinän puhdistuksessa 55 Jousitettu isku Optimaalinen ja tehokas värähtelytaajuus kuumalle teräsrakenteelle noin Hz Ei resonanssivärähtelyjä END OF PART