Palamisen ja kalkkikivireaktioiden mallintaminen kiertoleijukattilan tulipesän kolmiulotteisessa virtausympäristössä

Transkriptio

1 Palamisen ja kalkkikivireaktioiden mallintaminen kiertoleijukattilan tulipesän kolmiulotteisessa virtausympäristössä Kari Myöhänen Lappeenrannan teknillinen yliopisto Liekkipäivä

2 Sisältö Kiertoleijukattiloiden kehitystrendit ja ominaispiirteet Kiertoleijukattiloiden mallintamisesta Työssä kehitetty mallikehys ja esimerkkituloksia Johtopäätökset

3 Sähköteho (MWe) Kiertoleijukattiloiden tehojen kehittyminen 600 Samcheok, KR 500 Łagisza, PL Tri-State, Nucla, US Duisburg, DE Kauttua, FI Pihlava, FI Lünen, DE Provence/Gardanne, FR Turow, PL Nova Scotia, CA NPS, Tha Toom, TH Emile Huchet, FR Kajaani, FI Jacksonville, US Ebensburg, US Baima, CN Seward, US Alholmen, FI EC Tychy, PL Vuosi CN Kiina DE Saksa FI Suomi FR Ranska KR Etelä-Korea PL Puola TH Thaimaa US Yhdysvallat

4 Tehollinen lämpöarvo LHV (MJ/kg, saapumistila) Polttoainevalikoima Petrokoksi Antrasiitti ANTRACITE Bituminen hiili Ruskohiili Polyolefiinit (PE,PP,PC) Standardipolttoaineet Lastulevy Värjätyt muovit, puhtaat Vaneri Värjätyt muovit, sekoit. Kaupan ja teollisuuden energiajäte (REF I) Kuluttajilta kerätty energiajäte (REF II - III) REF pelletit REF PELLETS Agro biomassa Sek. muovit Puu & muovit RDF PVC 10 5 Turve Kuori Puuperäinen biomassa Purkupuu Turve, korkea Ca,Cl,Br Paperi & puu Öljyliuske Eesti Lähi-itä/ P. Afrikka Bio- & kuituliete Siistausliete Viemäriliete MSW Lieviä haasteita Suuria haasteita REF (recovered fuel) = erilliskerätty energiajäte RDF (refuse derived fuel) = yhdyskuntajätteen kuivajakeesta valmistettu MSW (municipal solid waste) = yhdyskuntajäte

5 Uudet menetelmät: happipoltto Happi Hiilidioksidi Vesihöyry Typpi Muut Happi Hiilidioksidi Vesihöyry Typpi Muut Savukaasu Savukaasu Kiertoleijukattila Polttoaine Kiertoleijukattila Polttoaine Palamisilma Happi Ilmapoltto Happipoltto

6 Kiertoleijukattilan mallinnuksen haasteet 1) Pienet virtausrakenteet -> laskentaverkon vaatimukset. Koko tulipesän "tarkka" malli vaatisi miljardeja laskentasoluja. 2) Ajasta riippuva (transientti) virtausprosessi. Aika-askel luokkaa 1 ms -> pitkä laskenta-aika. 3) Prosessiin osallistuvien aineiden ja yhdisteiden määrä. Kaasukomponentit (O 2, CO 2, CO,...). Kiintoaineet (palava polttoaine, tuhka, kalkkikivikomponentit, hiekka, eri raekokoluokat). 4) Ilmiöiden määrä ja riippuvuus toisistaan. Virtausdynamiikka. Reaktiot. Jauhautuminen. Lämmönsiirto. Kuva kiertoleijuvirtauksesta kaksiulotteisessa testireaktorissa (Åbo Akademi). Reaktorin leveys 1 m. Hilan mitta 0.2 m. Yhteenveto: kiertoleijukattiloiden kattava mallintaminen on erittäin haasteellista.

7 Erityishaaste: suuret tulipesät Łagisza CFB 460 MWe

8 Time scale Virtausdynamiikan mallinnusmenetelmät Micro-scale Meso-scale Macro-scale Lumped scale 1 year 1 h...1 d 1 s Steady state Quasi steady Transient Averaged CFD 2D/3D Empirical and semi-empirical models 1D/1.5D/3D Correlation models 0D 1 ms 1 µs Particle scale DNS,LBM,DEM/DPM 2D/3D Eulerian-Eulerian continuum models CFD / TFM 2D/3D Lagrangian-Eulerian DEM/DPM-CFD,DSMC 2D/3D 1 µm 1 mm 0.1 m 1 m m Space scale Global

9 Fluent KTGF: kiintoainefaasin liikemääräyhtälö (yksinkertaistettu)

10 Kattavat kolmiulotteiset prosessimallit 1) Technical University Hamburg-Harburg Ensimmäinen julkaisu ) Chalmers University of Technology. Ensimmäinen julkaisu ) Tässä työssä esitetty malli Ensimmäinen versio Tässä työssä mallikehys (kokonaismalli) kokonaan päivitetty. Palamismallin kehitys. Uusi malli kalkkikivireaktioille.

11 Tässä työssä kehitetty mallikehys Lämmönsiirto seinämiin ja sisäisiin lämpöpintoihin Reaktiot (palaminen, kaasutus, kalkkikivireaktiot, NOx-reaktiot) Lähteet - sek. ilma - polttoaine - kalkkikivi - hiekka Leijutusilma Pohjatuhka ulos Kaasu, kiintoaine Kiintoaine Kaasu Kiintoaineen palautus Savukaasu, lentotuhka Erottimet - erotuskyky - lämmönsiirto - reaktiot Kiintoaine Erilliset lämmönvaihtimet - lämmönsiirto - reaktiot Leijutusilma Savukaasun / lentotuhkan kierrätys

12 Palamismalli Inertti tuhka Haihtuvien vapautuminen HCN, NH 3 H 2 S CO, CO 2 CH 4, C 2 H 4 Tuhka Höyrystyminen Kosteus Haihtuvat Jäännöshiili Kaasutusreaktiot +H 2 O, +CO 2 Jäännöshiilen palaminen CO H 2 H 2 S +O 2 H 2 O NO, N 2 O H 2 O CO, CO 2 SO 2 Esimerkkituloksia tulipesän pohjalta Haihtuvien vapautuminen Jäännöshiilen palaminen Max H 2 N 2 H 2 CO Kaasujen palaminen CO + 0.5O 2 CO 2 H O 2 H 2 O CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O C 2 H 4 + 3O 2 2CO 2 + 2H 2 O H 2 S + 1.5O 2 H 2 O + SO 2 Vaihtokonversio CO + H 2 O CO 2 + H 2 Min

13 Kalkkikivimalli CO 2 CaCO 3 CO 2 CaO Kalsinointi CaCO 3 CaO + CO 2 Karbonointi CaO + CO 2 CaCO 3 Sulfatointi CaO + SO 2 + ½O 2 CaSO 4 Suora sulfatointi CaCO 3 + SO 2 + ½O 2 CaSO 4 + CO 2 Desulfatointi (sulfaatin hajoaminen) CaSO 4 + CO CaO + SO 2 + CO 2 CaSO 4 Karbonointi Mallinnettu rikkidioksidiprofiili happipolttotapauksessa SO 2 +CO 2 Desulfatointi CaCO 3 CaO

14 Gas Concentration (%-dry). Temperature T ( C) Mallin kelpoistaminen tulipesämittauksilla Mallinnetut vs. mitatut profiilit: Relative Width O2 (measured) CO (measured) CH4 (measured) T (measured) O2 (calculated) CO (calculated) CH4 (calculated) T (calculated) Laskentaverkko Happi (0-16%) Häkä (0-10%) Lt. ( C) Max Mittaussondi Min

15 Esimerkkilaskenta: Compostilla 300 MWe Espanjaan suunnitteilla oleva kiertoleijukattila, jossa voidaan käyttää sekä ilmapolttoa että happipolttoa. Lämpötila Rikinsidonta

16 Yhteenveto Kiertoleijukattiloiden kehitys tarvitsee tuekseen malleja, jotka pystyvät huomioimaan todellisen kolmiulotteisen palamisprosessin. Tällä hetkellä suurten tulipesien kattava 3D-mallintaminen on mahdollista vain semiempiirisillä, yksinkertaistetuilla malleilla. Jatkossa eri menetelmät lähentyvät toisiaan. Tässä työssä kehitetty kolmiulotteinen mallikehys, jota voidaan käyttää suurten kiertoleijutulipesien kattavaan laskentaan ja alimallien jatkokehitykseen. Mallikehitys on jatkuva prosessi: eri alimalleja voi jatkuvasti parantaa, kun uutta tietoa kertyy. Lisätietoja: Myöhänen, K. (2011). Modelling of combustion and sorbent reactions in three-dimensional flow environment of a circulating fluidized bed furnace Ph.D. thesis. Lappeenranta University of Technology. URL: