POLTTOPROSESSIEN LASKENNALLINEN JA KOKEELLINEN TUTKIMUS

Transkriptio

1 1 IFRF Suomen kansallinen osasto Antti Oksanen, koordinaattori, Tampereen teknillinen yliopisto

2 2 Yleistä Hankerahoitusta Tekesiltä Hanketta tukevat yritykset: Kvaerner Power Oy, Foster Wheeler Energia Oy, Pohjolan Voima Oy, Oilon Energy Oy ja Gasum Oy Budjetti vv n. 1,6 M Viisi projektia Osallistujatahot TTY, Energia- ja prosessitekniikan laitos VTT Prosessit (Jyväskylä ja Espoo) TTY, Fysiikan laitos TKK, Energiatekniikka ja ympäristönsuojelu LTY, Energia ja ympäristötekniikka

3 3 1. CFD-mallinnuksen ja systemaattisen optimoinnin käyttö teollisuuskokoluokan leijupetikattiloiden typpioksidipäästöjen minimoinnissa Johdanto: Kattilalaitosten NO X -päästöjen rajoitukset tiukkenevat jatkuvasti Tarve uusille ja tehokkaammille suunnittelutyökaluille Nykyinen CFD:n käyttö perustuu lähinnä intuitioon ja yritys erehdys menetelmään Tavoitteena tehokas, tieteellinen ja työtä säästävä vaihtoehto Sovelluskohteena biomassaa polttava kupliva leijupetikattila Kattilassa ammoniakkiruiskutus typen oksidien määrän vähentämiseksi (SNCR - prosessi) Tutkimuksen tavoitteet Ratkaista yhdistetyn CFD -mallinnuksen ja optimoinnin lähestymistavan suurimpia ongelmakohtia Soveltaa lähestymistapaa teollisen kokoluokan leijupetikattilan päästöjen minimointiin, ja ratkaista erityisesti leijupolton mallinnukseen liittyviä haasteita

4 4 1. CFD-mallinnuksen ja systemaattisen optimoinnin käyttö teollisuuskokoluokan leijupetikattiloiden typpioksidipäästöjen minimoinnissa CFD mallinnus - haasteita: Kuplivan leijukerroksen käsittely Säteilylämmönsiirto Typpioksidien muodostuminen Polttoaineperäinen NO X SNCR -prosessi Turbulenssin ja kemiallisten reaktioiden vuorovaikutus Laskentaverkkoriippuvuus CFD -mallinnuksen tuloksia verrataan suuren kokoluokan laitokselta saatuun mittausdataan

5 5 1. CFD-mallinnuksen ja systemaattisen optimoinnin käyttö teollisuuskokoluokan leijupetikattiloiden typpioksidipäästöjen minimoinnissa Optimointi: NH 3 Kohdefunktio (minimoitava funktio) Savukaasujen NO ja NH 3 pitoisuudet (monitavoiteoptimointi) Suunnittelumuuttujat Syötettävä ammoniakin määrä Optimointimenetelmät Geneettinen algoritmi Deterministinen suorahakumenetelmä (Powellin menetelmä) OPTIMIZATION ALGORITHM Design Variables Objective Function CFD NO, NH 3

6 6 2. Kaasumaisten polttoaineiden simulointimallin kehittäminen sekä polttoprosessin optimointi Numeerisen virtauslaskentaan perustuvan palamismallinnuksen tarkkuus sekä tutkimuksen hyötysuhde nykyistä tasoa paremmaksi uusi työväline, joka on teollisuuden tuotekehitykseen soveltuva, tieteellisiin menetelmiin pohjautuva laskentatyökalu Sovelluskohde moderni Low-NO x kaasupoltin Terminen NO RANS malli, jossa käytetään mm. Reynoldsin jännitysmallia (RSM) turbulenssin kuvaukseen, 4 askeleen kuvaus palamiselle turbulenssin ja kemian vuorovaikutus nk. EDC mallilla Saadaan tarkempi sekä virtauksen että lämpötilan kuvaus, realistisempi NO x ennuste

7 7 2. Kaasumaisten polttoaineiden simulointimallin kehittäminen sekä polttoprosessin optimointi Nykyaikaisia koesuunnittelumenetelmiä ei toistaiseksi ole hyödynnetty tarpeeksi CFD:n avulla tehtävässä prosessien optimoinnissa Lähtökohtana toisistaan sopivalla tavalla erilaiset simuloidut tapaukset Useita lopputulokseen vaikuttavia muuttujia (ilman jako, dralli, lämpötila, p.a. koostumus jne.) muutetaan samanaikaisesti Laskennan rinnakkaistaminen helppoa Tuloksiin sovitetaan vastefunktio (NO x päästö reunaehtojen funktiona) Mahdollista saada kalliista ja aikaa vievästä CFD-laskennasta merkittävästi enemmän hyötyä Tuloksena saadaan nykyistä tarkempi ja tehokkaampi aliohjelma kaasun polton ja päästöjen muodostumisen simulointityökaluksi, työkalu, joka mahdollistaa polttoprosessien paremman hallinnan

8 8 3. HTAC-tekniikan soveltaminen nestemäisten polttoaineiden poltossa HTAC = High Temperature Air Combustion MILD Flameless Diluted Volume HEC Distributed Heat recirculation rate (Air preheat temperature) Over temperature region Stable region HTAC Auto-ignition temperature Unstable and blow-off region Higher: HFO, O 2 10% 500 C Efficiency Load Flue-gas recirculation rate (O 2 concentration decreases) Lower: Combustion temperature T fluctuations HFO, air 250 C NO X Noise

9 9 3. HTAC-tekniikan soveltaminen nestemäisten polttoaineiden poltossa Tavoitteet: Pisaran palamismallin kehittäminen HTAC olosuhteisiin Uudenlaisen koelaitteiston kehittäminen HTAC periaatteella toimivan polttimen/tulipesän optimointi Tutkimus: Laboratorio ja pilot -kokoluokan kokeet Mallin kehitys: Pääpaino orgaanisen kiintoaineen muodostumisessa ja loppuun palamisessa Validointi Vertailu olemassa oleviin malleihin Uutuusarvot: Yksi lupaavimmista uusista polttotekniikoista Muualla tutkimus keskittynyt kaasumaisiin ja kiinteisiin polttoaineisiin verkottuminen alan osaajiin

10 10 4. Palamistien monitorointi Lämpövuon mittaaminen höyrystinalueelta: Uutta mittaus- ja mallinnustietoa höyrystinalueen lämmönsiirrosta leijukerroskattiloiden suunnitteluohjelmistojen ja monipolttoainekäytön kehittämisessä tarvitaan tällaisia mittaustuloksia on vähän saatavilla kehitetään menetelmä, jolla mitataan lämpövuon suuruutta höyrystinpinnalla Lämmönsiirtomittauksen asennus vaatii suurta huolellisuutta asennukselta, materiaaleilta ja käytöltä Lämpövuomittauksen kehitystyössä keskeistä parhaan lämmönsiirtonesteen valinta? jäähdytyksen toteutus: pakotettu virtaus, heat pipe -periaate vai allaskiehuminen? evään sijoitettavan mittauslaitteen dimensiot? Testaus VTT Prosessien leijukerrospilot-laitteilla polttoainekohtaista tietoa mm. TTY:n mallinnusta varten mittauksia laitoksilla

11 11 4. Palamistien monitorointi Projektin uutuusarvot: Lisätietoa kattilan höyrystinpintojen lämpökuormista tarkemmat lämmönsiirtokorrelaatiot mm. mitoitusohjelmiin Tulipesän mitoitus paranee mittaustiedon avulla mm. uusilla polttoaineseoksilla (pesän dimensiot, viiveajat ym.) uusien kattiloiden suunnitteluun ja vanhojen modifiointiin lisätietoa Mallinnustuloksia ja parametritietoja voidaan tarkentaa mittaustuloksilla lämmönsiirtolaskenta kehittyy mallinnuksessa tulokset tarkentuvat Välillisesti lisätietoa polttoaineseoksien palamisesta tulipesäalueella ilmajakojen säätö helpottuu Tuloksia ja menetelmiä sovelletaan yritysten hankkeissa, joista saatavia tuloksia voidaan verrata mitoitusohjelmien tuloksiin

12 12 5. Polttoilman happirikastuksen ja kierrätyskaasujen käytön vaikutus kiinteiden polttoaineiden palamisen reaktiivisuuteen, tulipesäilmiöihin ja päästöihin Tausta: Happirikasteinen poltto (OEC, Oxygen-Enhanced Combustion) + savukaasujen kierrätys mahdollistavat polttoaineiden käytön energiatehokkuuden parantamisen ja päästöjen pienentämisen Happirikasteiseen polttoon liittyvä perustutkimus on ollut toistaiseksi puutteellista ja epäsystemaattista eikä ole vastannut suomalaisen laitevalmistuksen ja energiantuotannon haasteisiin Osapuolten koelaitteistot, tutkimuskokemus, mallinnusvalmius ja kansainväliset kontaktit hyödyntävät OEC:n kehitystyön vahvistamista Tehtävät: Aluksi valituilla polttoaineilla (referenssikivihiili, bituminen hiili, muu kauppahiili, jyrsinturve, liete, biopolttoaine) tehtävien mittausten koesuunnittelu haluttujen riippuvuuksien selvittämiseksi ja kokeiden määrän minimoimiseksi Nostetaan tietotasoa polttoaineiden reaktiivisuudesta happirikastetun polton olosuhteissa erilaisten koereaktorien (pudotusputkiuuneja ja virtausreaktori) avulla. Mittauksilla tarkennetaan ja validoidaan palamisen mallinnusta OEC:n olosuhteissa

13 13 5. Polttoilman happirikastuksen ja kierrätyskaasujen käytön vaikutus kiinteiden polttoaineiden palamisen reaktiivisuuteen, tulipesäilmiöihin ja päästöihin Tehtävät (jatkoa): Ennakoidaan ja ratkaistaan tuhkan avainalkuaineiden aiheuttamia ongelmia OEColosuhteissa Tarkennetaan OEC:hen soveltuvien reaktorien materiaalien valintakriteerejä Teetetään diplomityö (Lämmönsiirtomuodot OEC-olosuhteissa) Tulokset: CFD:llä voidaan mallintaa OEC:n hiukkasten ja kaasun lämpötiloja, haihtuvien aineiden vapautumisen ja jäännöshiilen palamisen päällekkäisyyttä sekä jäännöshiilen palamisnopeutta parametreina hiukkaskoko, viipymäaika sekä kaasuatmosfäärin lämpötila ja koostumus. NO x -päästön vähennysmekanismista saadaan lisää tietoa Tuhkan OEC:n olosuhteissa aiheuttamat ongelmat kartoitetaan ja niiden selvittämiseksi kehitetään ratkaisumallit Materiaalien valintakriteerimalli, jonka muuttujia ovat materiaalin avainominaisuudet, ympäristön ja materiaalin lämpötila ja lämmönsiirto-olosuhteet, kaasun koostumus ja vaikutusaika

14 Vaporisation, % Westerholt POLTTOPROSESSIEN LASKENNALLINEN JA KOKEELLINEN TUTKIMUS / PROJEKTIT Na (g) K (g) T p, K Tulosesimerkki 1. Alkalimetallien höyrystyminen hiilestä polttoaineen lämpötilan funktiona (TTY:n kanssa) VTT:n paineistettu virtausreaktori EUprojektin varustuksin vv m /m 0, % Gardanne lignite Polish coal Niederberg anthracite Göttelborn hvb Time (ms) Tulosesimerkki 2. Palava massaosuus ajan funktiona neljällä hiilellä. T ja O 2 vakiot.