:TEKES-hanke /04 Leijukerroksen kuplien ilmiöiden ja olosuhteiden kokeellinen ja laskennallinen tutkiminen

Transkriptio

1 FB-kupla :TEKES-hanke 40121/04 Leijukerroksen kuplien ilmiöiden ja olosuhteiden kokeellinen ja laskennallinen tutkiminen Ryhmähankkeen osapuolet: Tampereen teknillinen yliopisto Osahanke: Biopolttoaineiden palamismallien kehittäminen numeerisen mallinnuksen tarpeisiin Energia- ja prosessitekniikan laitos Risto Raiko (hankkeen koordinaatio ja osahankkeen vast. joht.) Antti Oksanen Jani Lehto Ilkka Saarenpää Merja Tokola Evgeny Podlednikov Vesa Wallen VTT/Prosessit Osahanke: Leijureaktorin toiminnan mallinnus Veikko Taivassalo (osahankkeen vast.joht.) Lars Kjäldman

2 FB-kupla :TEKES-hanke 40121/04 Leijukerroksen kuplien ilmiöiden ja olosuhteiden kokeellinen ja laskennallinen tutkiminen Kesto Budjetti: euroa Teollisuusosapuolet: Foster Wheeler Energia Oy Kvaerner Power Oy Outokumpu Research Oy

3 Mittalaitekanta Polton massanmenetyksen mittaamiseen Laminaari virtausreaktori (LFR), pudotusputkiuuneja (DTF), termovaaka (TGA), pilot-kokoluokan kaksidimensioinen kupliva leijukerrosreaktori (BFBR), sähkölämmitteinen laboratoriomittakaavan leijukerrosreaktori (FBR), vaakoja Reaktiopinta-alan mittaamiseen BET-menetelmä (perustuu CO 2 :n ja typen erilaiseen adsorptioon) termovaa alla Hiukkaskoon mittaamiseen Coulter-luokitin Hiukkasten lämpötilojen luokittelemiseen ja mittaamiseen Pyrometrejä, optisia sondeja Kaasufaasin mittauksiin Spektroskopisia analysaattoreita, FTIR-analysaattori, termoelementtejä tiedonkeruulaitteessa

4 FB-kupla :TEKES-hanke 40121/04 Leijukerroksen kuplien ilmiöiden ja olosuhteiden kokeellinen ja laskennallinen tutkiminen Tutkittavat polttoaineet: Turve Puu, kuori Liete Pyrolyysi-malli pyrolyysinopeus pyrolyysituotteet Hiiltojäännöksen palamismalli Mittausmenetelmän kehittäminen

5 Kiinteän polttoaineen palamismekanismit I Kemiallisen kinetiikan rajoittama a Kemiallisen kinetiikan ja huokosdiffuusion rajoittama II Huokosdiffuusion rajoittama b Rajakerrosdiffuusion ja huokosdiffuusion rajoittama III Rajakerrosdiffuusion rajoittama

6 Haihtuvien aineiden vapautumisen ja jäännöshiilen hapettumisen päällekkäisyyden havaitseminen x, daf [-] % 24 % 48 % 0 % t [ms] Suomalaisen jyrsinturpeen käyttäytyminen laminaarissa virtausreaktorissa 1350 K:ssä, kun hapen mooliosuus on: a) ppm tasolla b) 3 %, c) 24 % ja d) 48 %. Jyrsinturpeen kokonaiskonversio laminaarissa virtausreaktorissa 1350 K:n lämpötilassa viipymäajan ja happipitoisuuden funktiona.

7 Termogravimetria jäännöshiilen kemiallinen reaktiivisuus ja pinta-ala ala Massanmenetyskäyrästä määritetään jäännöshiilen kokonaisreaktiivisuus. 14 Thermogram for a peat char 1200 Brunauer-Emmet-Teller (BET) menetelmä yhdistää kaasujen kokonaisadsorption ja jäännöshiilen pintaalan. 12 CO 2 Adsorption for BET SA: A Peat Char 1200 weight [mg] 12 weight temperature time [s] temperature [ºC] weight [mg] weight 5 pressure time [s] pressure [kpa]

8 Kokeellisten tulosten ja teorian vertailua Jyrsinturpeen jäännöshiilelle neljän reaktion mallille sovitetut Arrhenius-yhtälön kineettiset parametrit esim. 24 mol-% happipitoisuudessa ja 67 ms:n viipymäajalla (k = A exp(-e/rt); A in s -1, m 3 mol -1, m 2 mol -1 ; E in kj/mol). Ri,c [10-6 gm -2 s -1 ] x C [-] Ri,c Experiment 1) 2 C af + O 2 C(O) + CO + C af 2) C af + C(O) + O 2 CO 2 + C(O) + C af 3) C af + C(O) + O 2 CO + 2 C(O) 4) C(O) CO + C af 24 mol-% O 2, 67 ms A E A E A E A E

9 ρ c p Pyrolyysin mallintamista varten rakennettu laskentatyökalu: p T t = 1 r 2 λpr r T r Yleinen pyrolyysimalli sisäisen ja ulkoisen lämmönsiirto kemiallisen kinetiikan vaikutukset 2 c p, vol m&,, vol T r jolloin partikkelin lämpötilajakauma pyrolyysin aikana voidaan laskea antaa pyrolyysituotteiden määrän ja koostumuksen + q pyr ρ t p

10 Pyrolyysimalli Mallissa partikkelin massanmenetys voidaan laskea k = Aexp R g E T Yhden reaktion mallilla Kahden kilpailevan reaktion mallilla Jatkuvan jakauman mallilla Datan käsittelyä varten oma ohjelma, joka etsii kineettiset parametrit dv dt dv dt i = = k k i ( ) V * V ( V V ) * i i

11 Pyrolyysimalli

12 Pyrolyysimalli

13 Pyrolyysimalli

14 Lam.. Pudotusuuni versio x -syöttölaite -kantokaasun syöttö -kaasun esilämmitin -lämmitetty reaktori -jäähdytin -suodatin -lämpötilan mittaukset -kaasuanalysaattori

15 Pudotusuunin syöttölaite Polttoaineiden esikäsittelyt: -murskaus, jauhaminen -erilaiset seulonnat -vesi-käsittelyt, kuivaus Jokainen polttoaine vaatii erilaisen esikäsittelyn!