Poltto ja palaminen. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 6 - Luento 1

Transkriptio

1 Poltto ja palaminen Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 6 - Luento 1 Tavoite Tutustua palamiseen ilmiönä ja polttoprosessiin palamisen käytännön sovelluksena Tutustua polton ja palamisen käsitteistöön Kerrata liekin lämpötilan määrittäminen laskennallisesti Toimia johdantona teeman 6 esitelmille 1

2 Energia ja lämpö Metall. prosessit Polttoaineet Hyödyntäminen Polttoprosessit Sovelluskohteet Tuhkat Ympäristövaikutukset Savukaasut Mittaukset ja analytiikka Termodynamiikka Kinetiikka Virtausmallinnus Menetelmät Laitesuunnittelu Palamisreaktiot Nopeudet Tasapainot Mekanismit Ilmiöt Sisältö Palaminen Edellytykset Liekin lämpötilan määrittäminen laskennallisesti Poltto Tavoitteet Käyttökohteet (metallurgiassa) Polttoaineet Ilmakerroin Polttaminen hapella ja ilmalla; esikuumennus Liekitön happipoltto Typen oksidit 2

3 Mitä on palaminen? Kemiallinen reaktio, jossa aine (alkuaine tai yhdiste) hapettuu ja reagoi hapen kanssa HUOM! Hapettuminen on elektronien luovutusta ja voi tapahtua ilman happeakin! Palamisen tuotteena syntyy oksideja Esim. H 2 O, CO 2, jne. (Hapettumisen tuloksena voi olla muutakin kuin oksideja; esim. ioneja (Fe 2+ (aq)) tai muita yhdisteitä (MnS)) Mitä on palaminen? Palamisessa vapautuu aina energiaa Lämpö ja valo Palamislämpö (vapautuva lämpömäärä) riippuu palavasta aineesta Palamisessa syntyvä lämpötila riippuu myös palamisnopeudesta ja lämmitettävistä aineista (esim. poltetaanko ilmalla/hapella) 3

4 Palamisen edellytykset Palamisreaktion lähtöaineet Palava aine Happi Termodynaaminen ajava voima oksidin muodostumiselle: G f (Oksidi) < 0 Usein on; vrt. Ellinghamin diagrammi (teema 1) Kinetiikka ja reaktiomekanismi Sytytyslähde Häiriintymätön ketjureaktio Liekin lämpötilan (T x ) määrittäminen laskennallisesti Reaktiossa vapautuva lämpö* - Lämpöhäviöt = Palamissysteemin ( tuotteiden ) lämmittämiseen tarvittava energia * Määritetään palamislämpötilassa (T 0) H R = H f (Tuotteet) - H f (Lähtöaineet) Lämpöhäviöt mitattu, laskettu (lämmönsiirto!) tai oletettu H Lämmitys = T 0 T x ( C p ( Tuotteet ))dt Tuotteita ovat myös palamissysteemin inertit aineet, mikäli ne on lämmitettävä 4

5 Liekin lämpötilan (T x ) määrittäminen laskennallisesti Reaktiossa vapautuva lämpö määritetään palamislämpötilassa, joskin H R ei yleensä muutu paljoakaan lämpötilaa muutettaessa esim.: kcal/mol Delta H -90 C + O2(g) = CO2(g) H2(g) + O2(g) = 2 H2O(g) -130 Temperature C File: Polton tavoitteet Kemiallisesti sitoutuneen energian muuttaminen lämmöksi (ja edelleen muiksi energian muodoiksi) Tehokkuus Polttotekniikoiden kehittäminen Kiertoprosessit Energian talteenotto Ympäristövaikutukset 5

6 Polttotekniikan tutkimuskohteita 1/2 Polttoaineet ja niiden käsittely Oikea polttoaine oikeaan polttoprosessiin Tehokkuus, ympäristövaikutukset Hyötysuhde Energiantuotannossa yleisesti: Energianmuunto Mahdollisimman suuri osa energiasta käytettävään muotoon Palamisessa: Täydellinen palaminen ja pienet lämpöhäviöt Polttotekniikan tutkimuskohteita 2/2 Toimintakykyiset laitteet Turvallisuus Toimintakyky Heikommat polttoaineet: Tuhka- ja kuonaongelmia? Jätteet ja päästöt Yhtäältä poltossa syntyvät jätteet/päästöt Toisaalta muiden jätteiden käyttö energianlähteenä 6

7 Polton ja palamisen käyttökohteita metallurgiassa Polttimet sulatusprosesseissa Mahdollisuus korvata kalliimpia energiaraakaaineita (koksi, sähkö) edullisemmilla (hiili, maakaasu, kierrätettävät prosessikaasut) Polttimien avulla voidaan injektoida myös muita aineita (esim. kalkki) Polttimet hehkutus- ja kuumennusuuneissa Käyttö laajamittaista Optimointi lämmönsiirron tehokkuuden ja hilseen muodostumisen näkökulmista Kuva: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). Askelpalkkiuuni Outokummun Tornion tehtaalla. Esikuumennusvyöhykkeelle sijoitetut happilanssaukset (20 kpl) merkitty sinisellä. Kuva: Lugnet et al. Flameless Oxyfuel slab reheating experiences. AISTech 2012 Conference. 7

8 Polttoaineet ja niiden merkitys primäärienergian lähteenä Primäärienergialla tarkoitetaan ihmiskunnan käytössä olevia energiamääriä ennen energiantuotantoa (l. muunnosta käyttökelpoiseen muotoon) Polttoaineiden osuus yhteensä 91,6 % Lähde: International Energy Agency, 2013 Polttoaineet Uusiutumattomat ja uusiutuvat Helpot (esim. öljy) ja vaikeat (esim. kivihiili) Polttoaineen karakterisointi Soveltuvuus tietyntyyppiseen polttoprosessiin Soveltuvan polttoprosessin suunnittelu Polttoaineiden käsittely 8

9 Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Polttoaineet Palamislämpö Lämpö, joka liittyy jonkin (standarditilassa olevan) polttoaineen reagointiin hapen kanssa kj/mol, kcal/mol tai kwh/mol Lämpöarvo Ilmoitetaan massayksikköä (s,l) tai tilavuusyksikköä (g) kohden kj/kg, kcal/kg tai kwh/kg kj/nm 3, kcal/nm 3 tai kwh/nm 3 Ylempi lämpöarvo: H 2 O oletetaan nesteeksi Alempi lämpöarvo: H 2 O oletetaan höyryksi Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 1/10 Eksoterminen kiinteän aineen palamisreaktio Reaktion nopeusvakio on positiivinen Ts. korkeampi lämpötila Nopeampi reaktio Diffuusion nopeusvakio on positiivinen Ts. korkeampi lämpötila Nopeampi diffuusio Reaktion nopeusvakio > Diffuusion nopeusvakio Reaktio nopeutuu lämpötilaa nostettaessa enemmän kuin diffuusio Tarkastellaan reaktion lämmöntuottoa, Q g, lämpötilan, T, funktiona 9

10 Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 2/10 Lämpötilan nosto nopeuttaa reaktiota, jolloin vapautuu enemmän lämpöä. Lämpötilaa edelleen nostettaessa vapautuvan lämmön määrä kuitenkin tasautuu, koska aineensiirto (diffuusio, joka nopeutuu lämpötilaa nostettaessa reaktiota hitaammin, sekä konvektio) alkaa rajoittamaan reaktiota. Reaktiosta tulee niin nopea, että vaikka lähtöainetta syötettäisiin systeemiin koko ajan lisää, rajoittaa lähtöaineiden pääsy reaktiopaikalle reaktiota (ja siten myös siinä vapautuvan lämmön määrää). Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 3/10 Otetaan samaan tarkasteluun lämmöntuoton, Q g, lisäksi myös lämmön poistuminen polttosysteemistä, Q r Oletetaan lämmön poistumisen tapahtuvan konvektiolla savukaasujen mukana sekä lämpöhäviöinä polttosysteemistä Steady state -tilassa olevalle systeemille lämmöntuotannon ja lämmönpoistumisen on oltava yhtä suuret: Q g = Q r 10

11 Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 4/10 Kuvassa kolme esimerkkitapausta lämmönpoistumiselle. Vasemmanpuolimmaisessa tilanteessa st.st. löytyy pisteestä a, jossa lämpötila ja lämmöntuotto (ja lämmön poistuminen) ovat matalia. Esim. sytyttämätön hiilikasa Oikeanpuolimmaisessa tilanteessa st.st. löytyy pisteestä b, jossa lämpötila ja lämmöntuotto (ja lämmön poistuminen) ovat korkeita. Esim. sytytetty polttoaine Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 5/10 Keskimmäisessä tapauksessa pisteet c ja e vastaavat edellä esitettyjä pisteitä a ja b. Pisteessä d Q g = Q r, mutta systeemi ei ole stabiili, koska, jos lämpötila nousee edes hetkellisesti, on seurauksena, että Q g > Q r, jolloin lämpötila jatkaa nousuaan, kunnes päädytään stabiiliin pisteeseen e. Vastaavasto lämpötilan lasku johtaa siihen, että Q g < Q r, jolloin lämpötila jatkaa laskuaan, kunnes päädytään stabiiliin pisteeseen c. 11

12 Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 6/10 On yleistä, että reaktionopeus kasvaa nopeammin kuin diffuusio, kun lämpötilaa nostetaan Voidaan erottaa alueet, joissa reaktio tai diffuusio on kokonaistapahtumaa rajoittava tekijä Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 7/10 Lämmön poistuminen (konvektiolla) riippuu polttoilman lämpötilasta, T g Kylmempi kaasu Suuremmat lämpöhäviöt Tarkastellaan lämmönpoistumista ja sen vaikutusta palamiseen eri kaasun lämpötiloilla siten, että: T g > T g > T g 12

13 Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 8/10 T g : Jos poltettava materiaali on kylmää (lämpötila alle U ), päädytään pisteeseen L (ei syttymistä) Jos poltettava materiaali on kuumaa (lämpötila yli U ), päädytään pisteeseen H (syttyminen ja palaminen) T g : Riippumatta poltettavan materiaalin lämpötilasta päädytään pisteeseen H (syttyminen ja palaminen) Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 9/10 T g : Kriittinen lämpötila, joka on siis matalin mahdollinen kaasun lämpötila, jolla poltettava materiaali syttyy aina hapen/ilman kanssa kontaktiin päästessään. HUOM! Kyse ei ole absoluuttisesta materiaalikohtaisesta vakioarvosta, vaan ko. lämpötila riippuu kaikista tekijöistä, joilla on vaikutusta lämmön poistumiseen systeemistä Piste Q edustaa toista raja-arvoa: se on matalin lämpötila, jossa palaminen voidaan saada aikaan (tilanteessa, jossa Q r :n suora leikkaisi Q g :n käyrän ko. pisteessä). 13

14 Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 10/10 Tarkastellaan vielä tilannetta, jossa hapen/ ilman lämpötilaa nostetaan T g :stä T g :hen. Polttoaineen lämpötila nousee ensin Q g :n käyrää pitkin pisteestä L pisteeseen P ja hyppää sitten pisteeseen H (syttyminen) Jos kaasun lämpötilaa nyt lasketaan, laskee polttoaineen lämpötila nyt H :sta Q:hun ja putoaa sitten nopeasti hyvin mataliin arvoihin (sammuminen) Teoreettinen ilmakerroin Käytetyn hapen määrä suhteessa stökiömetriseen tarpeeseen Lämmitysteho laskee, jos happea on liian vähän happea on liikaa Täydellisen palamisen varmistamiseksi käytetään yleensä happiylimäärää: Kaasumaiset polttoaineet (ilmapoltto): 1,05-1,07 Öljy (ilmapoltto): 1,10-1,15 Happipolttimilla: 1,02-1,05 Kuva: Tommi Niemi (AGA) 14

15 Teoreettinen ilmakerroin Oikean ilmakertoimen saavuttamiseksi oleellisia asioita käytännön polttoprosessissa ovat mm.: Tiivis uunirakenne (ei ilmavuotoja) Toimiva säätöjärjestelmä Poltinjärjestelmän suunnittelu Puhtaat ja kunnossaolevat polttimet Hapen vaikutus palamiseen Polttoilman happipitoisuutta nostettaessa Syttymislämpötila on alhaisempi Palamislämpötila on korkeampi Palaminen nopeutuu palamislämpötilan noustessa Reaktionopeus riippuu voimakkaasti lämpötilasta (vrt. Arrheniuksen yhtälö) Reaktionopeus kaksinkertaistuu, kun O 2 -pitoisuus nostetaan 21 %:sta 24 %:iin ja kymmenkertaistuu, kun O 2 -pitoisuus nostetaan 21 %:sta 40 %:iin Palon sammuttaminen on vaikeampaa 15

16 Hapen vaikutus palamiseen: Esimerkkinä metaanin poltto CH O 2 (+ x N 2 ) = CO H 2 O (+ x N 2 ) Ilma Liekin maksimilämpötila eri O 2 /N 2 -suhteilla, kun happea on: Stökiömetrinen määrä (Sininen) Puolet st. tarpeesta (Punainen) Kaksi kertaa st. tarve (Vihreä) Happirikastus Hapen vaikutus palamiseen 16

17 Hapen vaikutus palamiseen Ilmakäyttöiset järjestelmät eli ilmapolttimet - air-fuel Happikäyttöiset järjestelmät eli happipolttimet - oxyfuel Kuvat: Tommi Niemi (AGA) Lisähapen tuominen palamissysteemiin Kuvat: Tommi Niemi (AGA) 17

18 Esikuumennus Polton tehokkuutta voidaan parantaa polttoilmaa esikuumentamalla Tarpeen erityisesti ilmapolttimia käytettäessä Liekitön happipoltto Hapen ja polttoaineen syöttö erikseen Sekoittuminen uunissa olevan kuuman ilman kanssa ennen palamista Huippulämpötila on matalampi Vähäisempi NO x ien muodostuminen Lämpö jakautuu tasaisemmin laajemmalle alueelle Lämmitysajat lyhenevät 18

19 Liekitön happipoltto Kuvat: Tommi Niemi (AGA) NO x it Palamisen ja polton yhteydessä syntyviä typen oksideja Typellä useita mahdollisia hapetusasteita Poltinpoltossa merkittävimmät NO ja NO 2 Leijutuspoltossa merkittävimmät N 2 O ja NO Suurin osa päästöistä typpimonoksidia, joka hapettuu edelleen -dioksidiksi Aikaansaavat mm. happamia laskeumia sekä osallistuvat saastesumun ja otsonin muodostumiseen suurkaupungeissa 19

20 NO x it Syntyvät polton yhteydessä polttoilman typen hapettuminen (poltinpoltoissa) polttoaineen typestä (leijutus- ja poltinpoltoissa) Muodostumiseen vaikuttavat polttoaineen laatu lämpötila ilmakerroin Suurimmat lähteet liikenne sekä lämpö- ja voimalaitosten polttoprosessit NO x ien muodostuminen Polttoilman typestä kolmella mekanismilla Terminen NO Muodostuminen hidasta alle 1400 C:ssa Nopea NO Nopea NO:n muodostuminen ali-ilmaisissa hiilivetyliekeissä N 2 O:n kautta N 2 O voi reagoida takaisin typeksi (N 2 ) tai NO:ksi Ei merkittävä mekanismi poltinpoltossa, mutta isompi rooli esim. dieselmoottoreissa 20

21 NO x ien muodostuminen Polttoilman typestä muodostuvien oksidien lisäksi on myös polttoaine-no:a Polttoaineissa typpeä on vähemmän kuin ilmassa, mutta se on yleensä reaktiivisempaa NO:a muodostuu jo matalilla polttolämpötiloilla Herkkä polttoilman ja palavan aineen väliselle stökiömetrialle Ali-ilmaisissa olosuhteissa vähemmän NO:n muodostumista NO x -päästöjen vähentäminen Primäärimenetelmät ovat edullisempia Vältettävä happiylimäärän käyttöä Poltetaan ilman sijasta hapella (ei typpeä) Varmistettava uunin tiiveys Vältettävä (paikallisestikaan) korkeita lämpötiloja (esim. liekitön happipoltto) Polttotekniset ratkaisut NO x ien muodostumista voidaan merkittävästi vähentää polton aikana (toisin kuin SO x ) 21

22 NO x -päästöjen vähentäminen Primäärimenetelmien vaihtoehtona typen oksidien poistaminen savukaasuista sekundäärimenetelmin Selektiivinen katalyyttinen NO x -pelkistys (SCR) on tehokkain tapa poistaa typen oksideita savukaasuista Perustuu ammoniakin lisäämiseen savukaasuihin ⁰C lämpötilassa Yleisimmin käytetty katalyytti on vanadiinioksidi (V 2 O 5 ) tai wolframoksidi (WO 3 ), joka on sidottu TiO 2 -pohjaiseen kantajaan Teeman 6 suoritus Polttoa ja palamista käsitellään tarkemmin esitelmissä Purkutilaisuudet: Ma klo Ti klo 8-10 Ke klo