MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka. Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU

Transkriptio

1 MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU HARJOITUSTYÖOHJE

2 SISÄLLYS SYMBOLILUETTELO 3 1 JOHDANTO 4 2 TYÖOHJE Lähtötiedot Polttoaineen koostumus ja lämpöarvo Palamistaulukko Kattilan ainevirrat Vesihöyrypiirin suunnittelu Savukaasun lämpötilojen tarkastelu 9 3 TYÖN RAKENNE JA ARVOSTELU 11 LÄHTEET 12 LIITTEET Liite 1. Palamistaulukko

3 3 SYMBOLILUETTELO c p h H u m q m r T w ominaislämpökapasiteetti [kj/kg C] entalpia [kj/kg] lämpöarvo [MJ/kg] massa [kg] massavirta [kg/s] ominaishöyrystymislämpö [MJ/kg] lämpötila [ C] [K] virtausnopeus [m/s] λ ilmakerroin [-] teho [kw]

4 4 1 JOHDANTO Energiatekniikka-opintojakson harjoitustyössä suunnitellaan höyrykattila käytettävän polttoaineen ja vaadittavien höyryn arvojen mukaisesti. Kattilassa käytettävän polttoaineen palamisominaisuuksien mukaan määritetään tarvittava polttoaineen määrä, tarvittava palamisilmamäärä ja muodostuva savukaasujen määrä. Kattilan lämmönsiirtimien mitoitusta tarkastellaan ainoastaan virtaavien aineiden lämpötilojen perusteella. Harjoitustyön tavoitteena on oppia ymmärtämään, millä tavalla polttoaineen palamisesta saatava lämpöenergia voidaan käyttää höyryn tuotantoon ja millaisia laitteita sekä laiteratkaisuja tarvitaan. Harjoitustyö palautetaan PDF-muodossa Moodlen kautta viimeistään TYÖOHJE 2.1 Lähtötiedot Alla olevassa taulukossa on esitetty ryhmäkohtaiset alkuarvot. Taulukko 1. Alkuarvot. RYHMÄ TURPEEN OSUUS TUOREHÖYRYN TUOREHÖYRYN TUOREHÖYRYN POLTTOAINEESSA LÄMPÖTILA PAINE MASSAVIRTA [%] [ C] [bar] [kg/s]

5 5 2.2 Polttoaineen koostumus ja lämpöarvo Kattilassa käytetään polttoaineena hakkeen ja turpeen seosta. Turpeen massaosuus polttoaineseoksessa saadaan taulukosta 1. Hakkeen kosteus on 50 % ja turpeen kosteus on 40 %. Taulukko 2. Polttoaineiden kuiva-ainekoostumus (%) C H S O N tuhka hake 50,4 6,2 0,0 42,5 0,5 0,4 turve 55,0 5,5 0,2 32,6 1,7 5,0 Polttoaineseokselle määritetään kuiva-ainekoostumus sekä kosteus taulukon 1 ja 2 mukaisista arvoista. Kuivan polttoaineen lämpöarvo lasketaan alkuainekoostumuksen mukaan yhtälöstä 1. Kostean polttoaineen lämpöarvo määritetään kuivan polttoaineen lämpöarvosta (yhtälö 2). (1) (2) joissa H u lämpöarvo [MJ/kg] m r 25 C komponentin massa yhdessä kilossa polttoainetta [kg] veden ominaishöyrystymislämpö (2,443 MJ/kg) 2.3 Palamistaulukko Polttoainetta poltetaan teoreettista ilmamäärää suuremmalla ilmamäärällä, jotta epätäydellistä palamista ei muodostuisi. Palamisilmakerroin on 1,3. Ilmakerroin tarkoittaa todellisen ilmamäärän suhdetta teoreettiseen ilmamäärään. Palamisilman oletetaan olevan täysin kuivaa, jolloin ilman mukana ei tule vettä savukaasuihin. Polttoaineen palamista voidaan havainnollistaa siten, että polttoaineesta ja ilmasta muodostuu savukaasua ja tuhkaa. Yli-ilmamäärän osuus siirtyy savukaasujen joukkoon. (kuva 1)

6 6 Kuva 1. Palaminen Polttoainekilon palamisessa tarvittava ilmamäärä sekä muodostuvien savukaasujen määrä ja koostumus määritetään liitteessä 1 olevan palamistaulukon avulla. Polttoaineessa olevat palavat komponentit reagoivat hapen kanssa seuraavien reaktioyhtälöiden mukaisesti. hiili: C + O 2 CO 2 vety: H 2 + ½O 2 H 2 O rikki: S + O 2 SO 2 Oletetaan, että typen oksidien ja hiilimonoksidin muodostuminen on pientä.

7 7 2.4 Kattilan ainevirrat Kattilan hyötyteho määritetään kiertoaineen massavirran ja entalpianmuutoksen avulla. Kattilan hyötysuhde on 88 % ja syöttöveden lämpötila on 200 C. Polttoaineen, palamisilman sekä savukaasun massavirrat määritetään polttoainetehon, polttoaineen lämpöarvon sekä palamistaulukosta saatujen arvojen mukaan. (3) (4) joissa q m h H u teho [kw] massavirta [kg/s] entalpia [kj/kg] lämpöarvo [kj/kg] Kuva 2. Kattilan ainevirrat

8 8 2.5 Vesihöyrypiirin suunnittelu Kattilan vesihöyrypiiri suunnitellaan alla olevan kuvan mukaisesti. Kuva 3. Kattilan vesihöyrypiiri Syöttövesi virtaa veden esilämmittimen (1) kautta höyrylieriöön (2). Höyrylieriön alaosassa on kylläistä vettä, mutta veden esilämmittimessä vesi lämmitetään jonkin verran kylläistä lämpötilaa matalammaksi. Tällä estetään veden kiehuminen esilämmittimessä. Höyrystin (3) lämmittää syöttöveden kylläiseksi höyryksi. Kylläinen höyry tulistetaan tulistimessa tuorehöyryksi (4). Seuraavat asiat yksinkertaistetaan vesihöyrypiirin suunnittelussa: - vesi lämpenee esilämmittimessä 15 C alle kylläisen lämpötilan - ulospuhallusta ja ruiskutusta ei huomioida (veden/höyryn massavirta on vakio) - tulistinvaiheita tarkastellaan yhtenä kokonaisuutena - putkistoissa ei ole painehäviöitä (veden/höyryn paine on vakio) Lämmönsiirtimissä siirtyvä teho määritetään veden/höyryn massavirran ja entalpianmuutoksen kautta.

9 9 2.6 Savukaasun lämpötilojen tarkastelu Kattilan savukaasupuolen suunnittelu aloitetaan laskemalla polttoaineen adiabaattinen palamislämpötila. Adiabaattisella palamislämpötilalla tarkoitetaan polttoaineen palamista siten, että lämpöä ei siirry ympäristöön. Tällöin kaikki polttoaineen sisältämä kemiallinen energia siirtyy savukaasujen lämmitykseen. (5) jossa T ad adiabaattinen palamislämpötila [ C] H u c pi T i q mi q mpa c psk q msk polttoaineen lämpöarvo [kj/kg] ilman ominaislämpökapasiteetti [kj/kg C] palamisilman lämpötila [ C] palamisilman todellinen massavirta [kg/s] polttoaineen massavirta [kg/s] savukaasun ominaislämpökapasiteetti [kj/kg C] savukaasun todellinen massavirta [kg/s] Ilman ja savukaasun ominaislämpökapasiteetit oletetaan vakioiksi, ilmalle 1,0 kj/kg C ja savukaasulle 1,25 kj/kg C. Palamisilman lämpötila on 300 C. Kattilan höyrystinosassa siirtyvän tehon sekä adiabaattisen palamislämpötilan mukaan määritetään savukaasun lämpötila tulipesässä. Savukaasu poistuu myös tässä samassa lämpötilassa tulipesästä. (6) jossa q m c p T teho [kw] massavirta [kg/s] ominaislämpökapasiteetti [kj/kg C] lämpötila [ C] Savukaasun lämpötila muiden lämmönsiirtimien jälkeen määritetään samalla periaatteella eli kuinka paljon savukaasujen on jäähdyttävä, jotta tarvittava teho siirtyisi.

10 10 Kattilassa käytetään lisäksi palamisilman esilämmitystä. Palamisilman lämpötilaksi valitaan 300 C, koska tämä on sopiva palamisilman lämpötila kiinteille polttoaineille. Kuva 4. Kattilan savukaasupuolen lämpötilojen määritys

11 11 3 TYÖN RAKENNE JA ARVOSTELU Harjoitustyö on kirjoitettava johdonmukaiseksi kokonaisuudeksi tekstinkäsittelyohjelmalla. Oletetut asiat ja valitut lukuarvot on perusteltava. Laskuissa on oltava numeroarvojen sijoitukset näkyvissä. Lopussa on oltava tulosten tarkasteluosio, jossa esitetään saadut tulokset ja pohditaan ovatko tulokset järkeviä. Arvostelun painotus muodostuu seuraavista asioista. - raportin ulkoasu 20 % - laskentatulokset 70 % - tulosten tarkastelu 10 % Lisäksi oma-aloitteinen työskentely on suotavaa. Laskettujen tulosten perusteella voi esimerkiksi hahmotella kattilaa jollakin piirto-ohjelmalla (esim. AutoCAD) tai verrata palamisilmantarvetta ja savukaasujen määrää kirjallisuuslähteisiin. Hyvin tehdyistä lisäselvityksistä voi saada lisäpisteitä harjoitustyöhön.

12 12 LÄHTEET Huhtinen, M. & al Höyrykattilatekniikka. 6. painos. Helsinki: Edita. ISBN

13 LIITE 1 Kemiallisiin reaktioihin perustuva polttoaineen palaminen ilmakerroin POLTTOAINE SAVUKAASUT polttoaineen kosteus % m-% m [g] M [g/mol] n [mol] O2-tarve [mol] CO2 [mol] H2O [mol] SO2 [mol] O2 [mol] N2 [mol] kosteaa polttoainetta g C 12,01 H2 2,02 kuiva polttoaine S 32,06 C % O2 32,00 H % N2 28,02 S % tuhka O % H2O 18,02 N % yhteensä tuhka % typpeä ilmasta [mol] = 79/21 * hapen määrä [mol] ylimäärähappi [mol] = (ilmakerroin - 1) * hapen määrä [mol] ylimäärätyppi [mol] = (ilmakerroin - 1) * typpeä ilmasta [mol] yhteensä [mol] moolimassa [g/mol] 44,01 18,02 64,06 32,00 28,02 moolitilavuus [m3n/kmol] 22,26 22,40 21,89 22,39 22,40 PALAMISILMA PÄÄSTÖT ilman tilavuus [m3n] CO2 H2O SO2 O2 N2 yhteensä ilman massa [g] savukaasujen tilavuus [m3n] savukaasun massa [g] pitoisuus, kuiva sk [til-%] pitoisuus, kostea sk [til-%]