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
FB-kupla :TEKES-hanke 40121/04 Leijukerroksen kuplien ilmiöiden ja olosuhteiden kokeellinen ja laskennallinen tutkiminen Kesto 1.1.2004-31.12.2006 Budjetti: 622100 euroa Teollisuusosapuolet: Foster Wheeler Energia Oy Kvaerner Power Oy Outokumpu Research Oy
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
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
Kiinteän polttoaineen palamismekanismit I Kemiallisen kinetiikan rajoittama a Kemiallisen kinetiikan ja huokosdiffuusion rajoittama II Huokosdiffuusion rajoittama b Rajakerrosdiffuusion ja huokosdiffuusion rajoittama III Rajakerrosdiffuusion rajoittama
Haihtuvien aineiden vapautumisen ja jäännöshiilen hapettumisen päällekkäisyyden havaitseminen x, daf [-] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 3 % 24 % 48 % 0 % 0 20 40 60 80 100 120 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.
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 10 8 6 4 2 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 time [s] 1000 800 600 400 200 0 temperature [ºC] weight [mg] 11 10 9 8 7 6 weight 5 pressure 4 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 time [s] 1000 800 600 400 200 0 pressure [kpa]
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 ] 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 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 1 1.01 10 5 E 1 41.9 A 2 4.64 10 10 E 2 108.9 A 3 3.14 10 17 E 3 203.5 A 4 2.80 10 10 E 4 203.2
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
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
Pyrolyysimalli
Pyrolyysimalli
Pyrolyysimalli
Lam.. Pudotusuuni versio x -syöttölaite -kantokaasun syöttö -kaasun esilämmitin -lämmitetty reaktori -jäähdytin -suodatin -lämpötilan mittaukset -kaasuanalysaattori
Pudotusuunin syöttölaite Polttoaineiden esikäsittelyt: -murskaus, jauhaminen -erilaiset seulonnat -vesi-käsittelyt, kuivaus Jokainen polttoaine vaatii erilaisen esikäsittelyn!