Poltto- ja kattilatekniikan perusteet

Transkriptio

1

2 Poltto- ja kattilatekniikan perusteet #1 Palaminen ja polttoaineet Esa K. Vakkilainen

3 Polttoaineet

4 Suomessa käytettäviä polttoaineita Puuperäiset polttoaineet Maakaasu Öljy Hiili Turve

5 Biopolttoaineita

6 Fossiilinen uusiutuva energianlähde Fossiilinen polttoaine on sellainen, jonka polttaminen aiheuttaa pysyvän muutoksen polttoainevaroihin Uusiutuvaa polttoainetta muodostuu enemmän kuin mitä sitä käytetään Rajana 300 vuoden uusiutumiskierto 300 vuotta määrittää esim. turpeen fossiiliseksi Nyt mietitään onko kestävää kehitystä jos ei-uusiutuvaa polttoainetta poltetaan sen vuotuista syntyä vastaava määrä

7 Voimalaitospolttoaineiden hinnat sähköntuotannossa, /MWh Tilastokeskus

8 Energialähteet tammi kesäkuussa 2007 Energialähde Kulutus Osuus Mtoe % Öljy 4,2 24 Hiili 2,2 13 Maakaasu 1,9 11 Ydinvoima 2,9 17 Sähkön nettotuonti 0,6 4 Vesi- ja tuulivoima 0,6 8 Puuperäiset polttoaineet 3,4 20 Turve 1,3 7 Muut 0,4 2 Yhteensä 17,6 100 KTM Energiakatsaus 3/7

9 Suomessa käytettäviä biopolttoaineita Teollisuus Mustalipeä Kuori, puru,.. sahateollisuuden sivutuotteet Bioliete, siistausliete metsäteollisuuden sivutuotteet Energiantuotanto Risutukki Viherhake Jäte Kotitaloudet Puu Olki?

10 Biopolttoaineita Hake Kuori Sahanpuru Palaturve Jyrsinturve

11 Polttoaineiden ominaisuuksia Lämpöarvo Tiheys (irto- ja kiintotiheys) Kosteus Tuhkapitoisuus Alkuaineanalyysi Haihtuvien osuus Tuhkan sulamiskäyttäytyminen Palakoko (kokojakauma) Mekaaninen kestävyys (pelletti ja briketti)

12 Lämpöarvo Tärkein polttoaineen ominaisuus on lämpöarvo. Se ilmoittaa poltettaessa vapautuvan lämpömäärän Lämpöarvo ilmoitetaan tavallisesti alempana lämpöarvona jolloin oletetaan palaessa muodostuvan veden Lämpöarvo mitataan kalorimetripommilla, jossa polttoainenäytteen lämpö siirretään veden lämmittämiseen Polttoaine MJ/kg(ka) Öljy 38 Hiili 28 Maakaasu 42 Turve 23 Mustalipeä 12 Kuori, puru ym. 11 Puun pienpoltto 11

13 Pommikalorimetri

14 Alempi ja ylempi lämpöarvo LHVMJ kg HHV * 2 H x x MJ kg Alempi lämpöarvo saadaan vähentämällä ylemmästä lämpöarvosta Polttoaineen sisältämän vedyn palaessa syntyneen veden lauhtumislämpö Polttoaineen sisältämän veden lauhtumislämpö

15 Lämpöarvo vs. haihtuvat Esa Vakkilainen Saastamoinen 2009

16 Kosteus Kosteus (polttoaineen sisältämä vesi) vaikuttaa polttoaineen palaessa luovuttamaan lämpömäärään Ei ole yksikäsitteistä tapaa määrittää polttoaineen vesipitoisuutta, koska vesi voi sitoutua eri tavoin Polttoainetta lämmittäessä alkaa tapahtua reaktioita joista jotkut tuottavat vettä Tyypillisesti vesipitoisuus määritetään kuivaamalla polttoainenäytettä vakiolämpötilassa (105 o C), vakioajan (24 h) ja määrittämällä painon vähenemä Polttoaine Kosteus % Öljy 0 Hiili 2 Maakaasu 0 Turve 55 Mustalipeä 20 Kuori, puru ym. 50 Puun pienpoltto 30

17 Kosteus vaikuttaa Lämpöarvoon ja energiatiheyteen Polttoon (adiabaattinen palamislämpötila) Itsesyttymiseen (varastointi) Sienien ja homeen kasvuun Kosteus määritellään biopolttoaineille painomuutoksena Kuivaamalla 105 ± 2 o C Kuivausaika tuntia (paino ei muutu) Näyte > 300 g, vaa an tarkkuus 0,1 g

18 Tuhkapitoisuus Polttoaineen tuhkalla tarkoitetaan sitä epäorgaanista osuutta polttoaineesta joka jää jäljelle poltettaessa Tuhka määritetään polttamalla näyte vakiolämpötilassa (815 o C 500 o C) ja määrittämällä painon vähenemä Oikeassa poltossa voivat tuhkan ominaisuudet poiketa vakiolämpötilapolton arvoista Polttoaine Tuhka %-ka Öljy <0.1 Hiili 3 Maakaasu 0 Turve 5 Mustalipeä 55 Kuori, puru ym. 0.5 Puun pienpoltto 0.2

19 Alkuaineanalyysi Alkuaineanalyysillä tarkoitetaan polttoaineen palavan osan alkuainejakaumaa Tärkeimmät ovat C hiili H vety O happi S rikki N typpi

20 Haihtuvien osuus Haihtuvilla tarkoitetaan sitä osaa polttoaineesta, joka kaasuuntuu polttoainetta kuumentaessa Haihtuvat määritetään laittamalla näyte vakiolämpötilaiseen uuniin (900 o C) vakioajan (7 min) ja määrittämällä painon vähenemä Oikeassa poltossa voi haihtuvien määrä poiketa standardimäärityksen arvoista merkittävästikin Polttoaine Haihtuvat-% Öljy 100 Hiili 34 Maakaasu 100 Turve 72 Mustalipeä 30 Kuori, puru ym. 85 Puun pienpoltto 87

21 Tuhkan sulamiskäyttäytyminen Polttoaineen tuhkan ominaisuuksilla on merkitystä kattilan likaantumisen hallinnassa, tuhkan poiston suunnittelussa ja leijukerroskattilan keon pitämisessä leijuvana Tyypillisesti tuhkalle määritetään pehmenemispiste ja sulamispiste Määritys tehdään lämmittämällä tuhkaa uunissa ja tarkkailemalla sen käyttäytymistä lämpötilan noustessa

22 Raskasmetallit ja halonit Ympäristösyistä on usein tarpeen määritellä polttoaineen sisältämät raskasmetallit (Cr, Cd, As, Cr, V ) jotka aiheuttavat polton jälkeisessä muodossa ongelmia eliöstöille Samoin ongelmallisia ovat fluori ja elohopea

23 Palaminen

24 Palaminen Palamisella (poltto) tarkoitetaan lämpöä tuottavaa kokonaisreaktiota kun polttoaine ja hapetin reagoivat keskenään Palamisreaktio tuottaa yleensä lämpöä ja valoa Tyypillisesti hapetin on ilma tai happikaasu Yleensä palamisen lopputuote on kaasumainen Kontrolloimaton palaminen voi johtaa räjähdykseen

25 Liekki putkessa

26 Polttimet / suspensiopoltto Poltossa on kaksi päätapaa Polttoaine poltetaan liekissä (poltinpoltto) tai yhtä aikaa useamman polttimen muodostamassa kokonaisuudessa Polttoaine palaa suspensiossa, arinapoltto, leijukerrospoltto, soodakattila Joka tapauksessa kiinteän polttoaineen palaminen etenee samalla lailla

27 Polttimia Esa Vakkilainen Oilon

28 Liekkejä Propaaniliekki Raskasöljyliekki Maakaasuliekki Vetyliekki (lähde: Dark et al. John Zink Combustion Handbook) Esa Vakkilainen

29 Neljän polttimen aikaansaama pyörre From, Mitsubishi Heavy Industries Ltd

30 Suspensiopoltto leijukerroksessa From Metso Power

31 Polttimet soodakattilassa Kuorma- polttimet Hajukaasu- polttimet Starttipolttimet Esko Salo

32 Polttimet kerrosleijukattilassa Oilonin polttomahdollisuudet kuplaleijukattilalle 1.Startti-polttimet pedinalapuolinen ratkaisu 2.Startti-polttimet - pedinyläpuolinen ratkaisu ratkaisu 3. Kuormapolttimet 4. Startti-polttimet pedinsisäinen ratkaisu Polttoaineet: kevytöljy, raskasöljy, maakaasu Kapasiteetit 1-45MW Esko Salo

33 Palamisreaktiot Palamisreaktiolla tarkoitetaan kemiallista yhtälöä jossa kuvataan polttoaineen ja hapen lämpöä tuottavaa reaktiota Palamisreaktio on moolipohjainen Hiili reagoi hapen kanssa muodostaen hiilidioksidia C O CO 2 2

34 Palamisreaktiot Palamisreaktio voidaan kirjoittaa myös polttoaineen oletetulle koostumukselle CH 2O CO 2H O C H x y O 4 xco y H x y O

35 Stökiömetrinen palaminen Stökiömetrisellä palamisella tarkoitetaan ideaalista palamista jossa polttoaineen palavat komponentit reagoivat täydellisesti ideaaliseen lopputuotteeseen Stökiömetrisellä ilmamäärällä tarkoitetaan stökiömetrisen palamisen vaatimaa ilmaa

36 Moolipainoja C 12,011 CO 28,010 CO 2 44,010 H 2 2,014 H 2 O 18,0153 N 2 28,0134 O 2 31,9988 S 32,065 SO 2 64,065

37 Ilma Yksinkertaisimmillaan oletetaan ilman olevan sekoitus 1 mol O 2 ja 3,77 mol N 2

38 Kuiva ilma merenpinnan tasolla Yhdiste Tilavuusosuus Typpi N % Happi O % Argon Ar % Hiilidioksidi CO % Neon Ne % Metaani CH % Helium He % Krypton Kr % Vety H % Xenon Xe %

39 Ilmakerroin Ilmakertoimella saadaan stökiömetrisen palamisen ylittävä todellinen polttoilmamäärä Termodynaaminen tasapaine edellyttää aina palamisen välituotteiden muodostumista Öljyn ja kaasun poltossa on ilmakerroin matala 1,03 1, 05 Biopolttoaineiden poltossa on ilmakerroin korkeahko 1,10.. 1,15 Ilmakertoimen määrää sallittu palamisen välituotteiden määrä savukaasuissa (CO-pitoisuus esim. <200 ppm.)

40 Yleinen palamisyhtälö ,77 2 3, zo N x z y w v u yso O H w uco N O z y w v u S N O H C y x w v u

41