Kattilat, polttoaineet ja polttotekniikat

Kattilat, polttoaineet ja polttotekniikat Ene-59.4102: Energiantuotanto ja käyttö teollisuudessa Aalto Yliopisto, 2016 Seppo Hulkkonen Andritz Oy Kattilat, polttoaineet ja polttotekniikat 1 2 1

Company profile A world market leader in most business areas HYDRO 30-35%* PULP & PAPER 30-35%* METALS 25%* SEPARATION 10%* Electromechanical equipment for hydropower plants (turbines and generators); pumps (e.g. for water transport and irrigation); turbogenerators for thermal power stations Systems and equipment for production of pulp, paper, tissue, and board; energy boilers; production equipment for biofuel/biomass; plants for production of nonwovens and plastic films Presses for metalforming; systems for production and processing of stainless steel, carbon steel, and nonferrous metal strip; industrial furnace plants Equipment for solid/ liquid separation for municipalities and various industries; systems and equipment for production of animal feed pellets * Average share of ANDRITZ GROUP s total order intake 3 Strengthening of the market position Growth through organic expansion and acquisitions Recent acquisitions by business area HYDRO 2006 VA TECH HYDRO 2007 Tigép 2008 GE Hydro business 2008 GEHI (JV) 2010 Precision Machine 2010 Hammerfest Strøm (59%) 2010 Ritz 2011 Hemicycle Controls PULP & PAPER 1990 Sprout-Bauer 1992 Durametal 1994 Kone Wood 1998 Kvaerner Hymac 1999 Winberg 2000 Ahlstrom Machinery 2000 Lamb Baling Line 2000 Voith Andritz Tissue LLC (JV) 2002 ABB Drying 2003 IDEAS Simulation 2003 Acutest Oy 2003 Fiedler 2004 EMS (JV) 2005 Cybermetrics 2005 Universal Dynamics Group 2006 Küsters 2006 Carbona 2006 Pilão 2007 Bachofen + Meier 2007 Sindus 2008 Kufferath 2009 Rollteck 2010 Rieter Perfojet 2010 DMT/Biax 2011 AE&E Austria 2011 Iggesund Tools 2011 Tristar Industries 2011 Asselin-Thibeau 2012 AES 2013 MeWa METALS 1997 Sundwig 1998 Thermtec 2000 Kohler 2002 SELAS SAS Furnace Div. 2004 Kaiser 2005 Lynson 2008 Maerz 2012 Bricmont 2012 Soutec 2013 Schuler (> 95%) 2013 FBB Engineering SEPARATION 1992 TCW Engineering 1995 Jesma-Matador 1996 Guinard 2000 UMT 2002 3SYS 2004 Bird Machine 2004 NETZSCH Filtration 2004 Fluid Bed Systems 2005 Lenser Filtration 2006 CONTEC Decanter 2009 Delkor Capital Equipment 2009 Frautech 2010 KMPT 2012 Gouda 2013 Shende Machinery (80%) Compound Annual Growth Rate (CAGR) of Group sales 2004-2013: +16% p. a. (thereof approx. half organic growth) Sales of the ANDRITZ-Group (MEUR) 4 2

ANDRITZ global presence: Over 250 service and manufacturing sites around the globe Hemer Helsinki Muncy Roswell Vienna Graz (Headquarters) Foshan 5 ANDRITZ PULP & PAPER Full-line technologies and services PULP Complete lines for chemical, mechanical, and recycled fiber production Evaporators, chemical systems, WLP Market pulp drying PAPER Complete lines for paper, board and, tissue Stock preparation, approach flow and RCF lines Sludge and reject handling Finishing POWER BFB and CFB boilers and gasifiers Process off-gas fired boilers Wet & multi-stage flue gas cleaning systems Sludge and reject treatment systems Solid and liquid biofuel production applications 6 3

Capability for large project implementation Botnia S. A., Uruguay 1,000,000 t/a pulp production: Order placed August 2005 Start-up November 2007 Complete woodyard Complete fiberline from digester to finished bales Complete recovery boiler Complete white liquor production plant and evaporators Wood Yard Cooking Bleach Washers Plant Pulp Dryer Baling Line Evaps Rec WL Boiler Plant 7 Greenfield pulp mill Showcase Montes del Plata, Uruguay Highlight One of the world s biggest pulp mills with 1,300,000 t/a production capacity of market pulp. Start-up: 2014 EPC delivery including complete pulp line: Woodyard Fiberline Pulp drying plant Recovery boiler Evaporation plant White liquor plant Biomass boiler Erection and civil construction ACE Process optimization for cooking and white liquor plant IDEAS Dynamic process simulator for operator training and the web based maintenance training system (WBT) 8 4

ANDRITZ portfolio for biomass Equipment for Biomass Preparation and Handling Dryers Pelleting Machines & Complete Lines Boilers Gasifiers Equipment for Liquid Biofuel/ Syn-Gas Production Processes ANDRITZ Power Boilers Luentojen sisältö 1) Polttoaineet Tyypilliset biopolttoaineet Ominaisuudet Likaantuminen Korroosio 2) Polttotekniikat Arinat Kupliva leijukerros BFB Kiertoleiju CFB 3) Kattilat Suurvesitila Vesiputkikattila Luonnonkiertoinen höyrykattila Kattilan varustelusta Nuohous Lämpötilan säätö 4) Päästöt CO NOx SO2 Raskasmetallit Dioksiinit Hiukkaset 5) Kattilaprosessit Polttoaine-tuhka Vesi-höyrypiiri Ilma-savukaasupiiri Muut prosessit 6) Case esimerkit Turvekattila Pärnu Vaikea bio - Cutro Kattilamuutos Joensuu 10 5

Kirjallisuutta Huhtinen et al. Höyrykattilat, Edita 1998 Alakangas E., Suomessa käytettävien polttoaineiden ominaisuuksia. VTT tiedotteita 2045. Biopolttoainestandardi SFS CEN TS 14961:fi Raiko et al. Poltto ja palaminen, IFRF, 2002 Salmenoja K., Field and laboratory studies on Chlorine-Induced Superheater Corrosion in Boilers Fired with Biofuels. Väitöskirja Åbo Akademi 2000. Miles T. et al. Alkali Deposits Found in Biomass Power Plants, NREL 1995. Kakaz S., Boilers, Evaporators, and Condensers. John Wiley&Sons 1991 Riedl, et al., Corrosion in fire tube boilers of biomass combustion plants. Proc. of the China Int. Corrosion Control Conf. October 1999 Puuenergian teknologiaohjelma 1999-2003. Loppuraportti, Tekes. Hulkkonen et al., Application of BFB technology for Biomass Fuels Technical Discussion and Experiences from Recent projects. 17th Int. BFB Conference. 11 Pulp mill application O2 delignification Drying Cooking Wood yard Washing Bleaching Causticizing RecBo Evaps Lime kiln Power Boiler -STEAM PRODUCTION -ELECTRICITY PRODUCTION 12 6

Power plant application Typical boiler delivery 13 CHP Plant in Pärnu, Estonia 14 7

General view of the Huelva plant, Spain Source: 15 Recovery and Power Division, Bioenergy Systems / BFB Boilers 2011 Biomass boiler plant 16 8

1. Polttoaineet Polttoaineiden yleiset ominaisuudet Epäpuhtaudet biopolttoaineissa Likaantuminen Korroosio Kuumakorroosio Matalalämpötilakorroosio 17 Polttoaineiden jaottelu Puubiomassat Hake, kuori, puru, metsätähde Mänty, kuusi, eucalyptus jne Purkupuu Peltobiomassat Ruokohelpi, elefanttiruoho jne Turve Lietteet Kuituliete, bioliete,siistausliete Kierrätyspolttoaineet rdf, paperiteollisuuden rejektit Jätteet Mustalipeä Kivihiili Öljytuotteet Kaasumaiset polttoaineet CEN 14961 luokittelu 1) Puubiomassa 2) Kasvibiomassa 3) Hedelmäbiomassa 18 9

Polttoaineiden pääkomponentit 19 Lähde: Huhtinen Polttoaineiden ominaisuudet 20 10

Puun koostumus 21 Lähde: Eija Alakangas, VTT 22 Lähde: Eija Alakangas, VTT 11

23 Lähde: Eija Alakangas, VTT Lämpöarvot HHV-dry LHV-dry HHV as received LHV as received Polttoaineen tilantarve 24 Lähde: Tekes Puuenergian teknologiaohjelma 12

Torrefaction Energy Value Future Development 3G Wood chips Now Wood pellets (7-10% H 2 O) 15.6-16.2 MJ/kg Improved handling and combustion 4 times bulk energy density* Current Development 2G Torrefied Pellets (3% H 2 O) 19.9 MJ/kg Hydrophobic Uniform properties Possible to gasify Bio-coal > 23-30 MJ/kg Hydrophobic Uniform properties Ideal to gasify New applications Lignite (brown coal) = 18-24 MJ/kg Anthracite (hard coal) = 33 MJ/kg Bulk densities for Torrefied pellets and bio coal yet to be proven *Compared to un-dried wood chips Source: BioMass Capital analysis & ECN Report 7 May, 2007 25 Why Torrefaction? Torrefaction is a thermal method to separate biomass constituents in order to increase the fuel density of the biomass Slow, low temperature (~250-300 C) pyrolysis drives off low heat value components of the wood, like hemi-cellulose. About 30% of the biomass is gassed off, but only 10% of the heat value, thereby increasing the specific heat value by ~20%. The generated gas is used as a fuel source for the process The torrefied wood requires less energy in the pellet making process 26 13

Palaminen (wikipedia) Palaminen on eksoterminen reaktio. Aineen palaessa vapautuu kemiallista energiaa, jonka voi havaita lämpönä ja yleensä myös valona. Vapautuvan energian määrä riippuu palavasta aineesta, ja jokaisella polttoaineella onkin tietyn suuruinen palamislämpö Palamislämpötila riippuu myös palamisprosessin nopeudesta. Kun aine palaa, muodostuu oksideja. Esimerkiksi vedyn palaessa syntyy divetyoksidia eli vettä (H 2 O), korkean lämpötilan vuoksi kuitenkin höyrynä. Vesi soveltuu tämän takia palojen sammuttamiseen, sillä se on täydellisen palamisen lopputulos eikä voi enää syttyä. Toisaalta esimerkiksi hiilimonoksidi eli häkä (CO) on vain osaksi palanutta hiiltä ja se palaa herkästi edelleen, jolloin syntyy hiilidioksidia (CO 2 ). Hiilen palaessa syntyvä hiilimonoksidi kuitenkin leviää sellaisenaan ympäröivään ilmaan, jos happea ei ole riittävästi sen palamiseen. Helposti palava alkuaine on myös esimerkiksi rikki, jonka palaessa syntyy rikkidioksidia (SO 2 ). Palamistuotteista hiilimonoksidi, hiilidioksidi ja rikkidioksidi ovat tavallisissa lämpötiloissa kaasuja. Orgaanisten yhdisteiden palaessa niiden molekyyleissä olevat atomit, etenkin hiili- ja vetyatomit irtovat toisistaan, ennen kuin ne yhtyvät ilmasta tulevan hapen kanssa hiilidioksidi- ja vesimolekyyleiksi. Esimerkiksi yksinkertaisimman orgaanisen yhdisteen, metaanin palamisreaktion kaava on CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O 27 Palaminen (wikipedia) Palamisen yhteydessä esiintyvät tulenliekit koostuvat kuumista kaasuista ja höyryistä, joita syntyy palavan aineen höyrystymisessä sekä suurimolekyylisistä orgaanisista aineista myös niiden molekyylien hajotessa pienemmiksi. Jonkin verran liekeissä voi olla myös kiinteitä hiukkasia kuten hienojakoista hiilipölyä eli nokea. Osa hajoamistuotteista on erittäin reaktiokykyisiä vapaita radikaaleja. Varsinainen palaminen tapahtuu liekin ulkopinnalla näiden hajoamistuotteiden yhtyessä happeen, sillä liekkien sisäosissa ei happea ole. Esimerkiksi puun palaessa yhtenä hajoamistuotteena syntyy myös vapaana alkuaineena olevaa hiiltä, mutta koska se ei haihdu eikä myöskään ole suoraan kosketuksissa ilman hapen kanssa, siitä muodostuu hiillos, joka palaa vasta, kun muut ainekset ovat palaneet, tällöin hehkupalona. Useimmiten orgaanisten aineiden palaminen jää epätäydelliseksi: osa niiden hajoamistuotteista leviää palamatta ympäristöön sellaisenaan ja tiivistyy viileämmässä ilmassa pieniksi hiukkasiksi, jotka kaasuihin sekoittuneena muodostavat savua. Eräs tällainen hajoamistuote on monien aineiden palaessa pieninä määrinä syntyvä akroleiini, josta aiheutuu savun silmiä ja hengityselimiä ärsyttävä vaikutus. Yleensä orgaaniset aineet sisältävät myös palamattomia kiinteitä ainesosia, jotka jäävät muuten täydellisenkin palamisen jälkeen jäljelle tuhkana. Useimpien puulajien melko suuren kaliumpitoisuuden vuoksi puun tuhka sisältää runsaasti kaliumkarbonaattia, K 2 CO 3. 28 14

Polttoaineen epäpuhtauksien aiheuttamia erityispiirteitä kattiloissa ALKALIT (Natrium, Kalium) Sintraantuminen/sulaminen Likaantuminen Kuumakorroosio KLOORI Kuumakorroosio Likaantuminen HCl päästöt Dioksiinit RIKKI SO2 päästöt Matalalämpötila-korroosio TYPPI NOx päästöt RASKASMETALLIT Päästöt Korroosio Tuhkan käsittely MUUT Kivet, metallit, alumiini ym 29 Some biomass fuel properties Fuels C H2 S O2 N2 Ash Cl Na K %-d %-d %-d %-d %-d %-d %-d mg/kg-d mg/kg-d Peat 55 5.5 0.2 33 1.7 5 0 100 100 Wood, coniferous 51 6.3 0.02 42 0.1 0.3 0.01 20 400 Wood, deciduous 49 6.2 0.02 44 0.1 0.3 0.01 50 800 Bark, coniferous 54 6.1 0.1 40 0.5 4 0.02 300 2 000 Bark, deciduous 55 6.1 0.1 40 0.3 5 0.02 100 2 000 Poplar 49 6.3 0.03 44 0.4 2 0.01 3 000 Willow 49 6.2 0.05 44 0.5 2 0.03 200 3 000 Eucalyptus bark 46 5.2 0.03 42 0.2 6.8 0.38 51 3 000 Eucalyptus Spain, whole tree 50.4 7.1 0.1 38.5 1.1 3.6 0.29 2 100 6 800 Straw, wheat, rye, barley 49 6.3 0.1 43 0.5 5 0.4 500 10 000 Reed canary grass, summer harv. 49 6.1 0.2 43 1.4 6.4 0.6 200 12 000 Reed canary grass, delayed harv. 49 5.8 0.1 44 0.9 5.6 0.1 200 2 700 Miscanthus 49 6.4 0.2 44 0.7 4 0.2 350 7 000 Lignin 54.19 5.09 0.2 24.6 2.49 13.4 0.27 6 705 36 403 30 15

31 Interactions among fouling elements 32 16

33 Likaantuminen Slagging kuonaantuminen Fouling likaantuminen Tuhkan tarttumisen mekanismit Törmäys ja tarttuminen Lämpötilaero (Thermophoresis) Kondensoituminen Kemiallinen reaktio 34 17

Slagging Tulipesän seinämän kerrostumia 35 Lähde: Miles Fouling (and slagging) Kerrostumia lämmönvaihdinputkiston pinnalla Tertiääritulistin Sekundääritulistin 36 18

Tulipesän lämpötilaprofiili 37 Eri yhdisteiden sulamislämpötiloja z Lähde: Miles 38 19

Tuhkan tarttuminen lämpöpinnoille Tuhkan sulamisalue on laaja. Sulamisen alkamista merkitään lämpötilalla T0. Yleisesti oletetaan että tuhka tarttuu lämpöpintaan törmätessään jos tuhkasta yli 15% on sulana. Tätä vastaava lämpötila on T15. Jos sulan osuus on yli 60-70%, tuhka valuu sulana lämpöpinnoilla. Vastaava lämpötila T60. Tuhkan sulamiskäyttäytymistä voidaan laskea teoreettisilla malleilla Ongelmana biomassojen suhteen on, että ominaisuudet vaihtelevat, eikä välttämättä tunneta koostumusta tarkalleen 39 Ash melting curve forest residues 40 20

Ash melting behavior, almond shells 41 Indeces for fouling/corrosion Index 1 sintering-fouling (K2O+Na2O)/GCV (kg/gj) Low risk when < 0,17 kg/gj Unavoidable when >0,34 kg/gj Index 2 - sintering-fouling (Na+K/1,7)/Ash Low risk when < 4,5 High when > 9 Index 3 - corrosion S/Cl Low risk when > 4 High risk when < 2 42 Source: Miles 21

Korroosio Tulipesä Pelkistävät olosuhteet Sula tuhka alhaisessa lämpötilassa sulana pysyvät yhdisteet (ZnCl2, NaCl) seinämillä Tulistimet - kuumakorroosio Korkea lämpötila Kloorin läsnäolo - kuumakorroosio Likaantuminen, T0 - lämpötila jossa tuhka sulana Viimeiset lämpöpinnat matalalämpötilakorroosio Polttoaineen rikki- ja klooripitoisuus Pääasiassa happokastepistekorroosio 43 Corrosion 44 22

Superheater corrosion 45 Tulistinten kuumakorroosiosta Poltossa kaasumaista Cl, S, Na, K vapautuu savukaasuun Alkalikloridit (KCl) kondensoituvat lämpöpinnoille - kerrostumat Kerrostumassa kloridit vapauttavat savukaasun rikkidioksidin kanssa reagoidessaan kaasumaista klooria Putken pinnalla olevat alkalikloridit rikkovat putkea suojaavan oksidikerroksen Kloori reagoi raudan kanssa muodostaen FeCl2 Kloori siirtää rautaa (Fe) pois metallin pinnasta -> korroosio FeCl2 hapettuu vapauttaen Cl takaisin kerrostumaan Kynnyslämpötila FeCl muodostumiselle on n. 460 C Biomassapolttoaineilla saattaa tapahtua voimakasta korroosiota höyryn lämpötiloilla yli 460-480 C kun alkalimetalleja ja klooria on polttoaineessa. Höyryn lämpötilatasolla 400-420 C ei kloorin aiheuttamaa kuumakorroosiota esiinny 46 23

Superheater materials Stainless steel used for hot corrosion mitigation Material Cr Ni Mo Si Cu Mn C Fe Other Eur/kg 16Mo3 0.3 0.3 0.3 0.26 0.35 0.65 0.16 97.6 1.8 13CrMo4-5 1.0 0.5 0.35 0.3 0.5 0.14 97.1 2.4 10CrMo9-10 2.3 1.0 0.5 96.1 2.7 X10CrMoVNb91 9.0 0.3 1.0 0.24 0.45 0.11 88.7 V, Nb 4.5 X20CrMoV121 12.0 0.5 1.0 0.50 0.5 0.23 85.2 V 6.0 AISI 304 19.0 9.5 71.4 7.0 AISI 347 H / HFG 17.5 10.3 1.30 1.6 0.08 68.4 Nb, Ta 9-12 Esshete 1250 16.0 11.0 1.25 1.0 7.0 62.5 V, Nb AISI 310 (HR3C) 25.0 20.5 0.50 0.08 53.8 (Nb, N) 16-18 AC 66 27.0 32.0 0.25 0.8 0.06 39.2 Al, Ce, Nb 28-35 Sanicro 28 27.0 31.0 3.5 1.0 0.05 0.01 37.3 47 47 Additives for fouling/corrosion protection 48 24

ChlorOut system for hot corrosion protection 49 Matalalämpötilakorroosio Esiintyy kattilan viimeisillä lämpöpinnoilla, joissa materiaalin lämpötila laskee alle kastepisteen Ongelmallisin rikin happokastepiste, jolloin muodostuva rikkihappo syövyttää materiaalin Materiaalin lämpötila pyrittävä pitämään kastepisteen yläpuolella Savukaasun lämpötilan nosto Ilman lämpötilan nosto Höyryluvo Whenever tube wall surfaces in boiler air heater or economizer fall below acid dew point temperatures of vapors such as hydrochloric acid, nitric acid,sulfuric acid or even water vapor,condensation of these vapors can occur on these surfaces,leading to corrosion and tube failures.of course,one could use teflon coated tubes as in condensing exchangers,but the cost may be significant. A simple solution is to ensure that the lowest tube wall or surface temperature is above the acid dew point. 50 25

Air preheater cold end corrosion 51 END OF PART 1 52 26