LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO ENERGIA- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN OSASTO Ympäristötekniikan laboratorio SAVUKAASUN TILAVUUSVIRRAN JATKUVATOIMINEN MÄÄRITTÄMINEN TUTKIMUSRAPORTTI Tekijät: Simo Hammo, LTKK 18.4.000
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 1 (13) Tiivistelmä Tekijät: Simo Hammo, Lappeenrannan teknillinen yliopisto Nimi: Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen Aika ja paikka: 18.4.000, Lappeenranta Tutkimusraportti. Lappeenrannan teknillinen yliopisto. 13 sivua. 4 kuvaa. 1 taulukko. 1 yhtälöä. Tässä raportissa on esitetty eri menetelmiä, kuinka savukaasun tilavuusvirta voidaan määrittää jatkuvatoimisesti. Julkaisussa on esitetty esimerkein laskentamenetelmät savukaasutilavuusvirtojen ratkaisemiseksi. Laskentamenetelmiä voi soveltaa eri polttoainetta käyttäviin höyrykattiloihin. Työn tavoitteena oli selvittää kaasun tilavuusvirtalaskennan käyttökelpoisuus päästömäärityksessä. Nykyisellään mittaustietojen käsittelylle ja laskennalle ei ole olemassa selkeitä ohjeita. Kaasun tilavuusvirta lasketaan aina jostakin mittausviestistä. Tilavuusvirta on mahdollista määrittää prosessisuureista, kuten puhaltimien pyörimisnopeudesta, polttoaineen syöttötiedoista tai höyryn tuotannosta. Tuloksista käy ilmi, että prosessisuureista laskemalla saadaan oikean suuntaisia tuloksia, kunhan määrityksessä käytetyt mittaukset ovat kunnossa.
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu (13) ALKULAUSE Raportissa on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston Energia- ja ympäristötekniikan osaston Ympäristötekniikan laboratoriossa. Raportin aineisto perustuu teollisuudesta kerättyyn mittausaineistoon ja tekijä haluaakin kiittää hankkeessa mukana olleita tehtaiden edustajia yhteistyöstä. Lappeenrannassa 18.4.000 Simo Hammo, TkL Laboratorioinsinööri
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 3 (13) Käytetyt merkinnät ja lyhenteet Pienet ja isot kirjaimet c lämpökapasiteetti kj/kg K l höyrystymislämpö MJ/kg lämpöarvo -virta MJ/kg 1/s HHV ylempi lämpöarvo MJ/kg M moolimassa kmol/kg V moolitilavuus m 3 n/mol Kreikkalaiset kirjaimet ρ Δ Σ tiheys loppu- ja alkutilan välinen erotus summa Alaindeksit c hiili d kuiva h höyry i ilma k kuiva m massa kg n normaalitila (73 K, 101.3 kpa) pa polttoaine r rejetki s savukaasu sv syöttövesi teor teoreettinen kaasu w kostea Muut käytetyt merkinnät A, B parametrejä C, H, O alkuaineita H O vesihöyry O happipitoisuus (tilavuusosuus)
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 4 (13) Sisällysluettelo sivu Tiivistelmä... 1 Alkulause... Käytetyt merkinnät ja lyhenteet... 3 Sisällysluettelo... 4 1. Johdanto... 5. Savukaasun tilavuusvirran määrittäminen... 5.1. Savukaasun tilavuusvirran laskenta... 5.1.1. Höyryn tuotannosta laskettu savukaasumäärä... 6.1.. Ainevirroista laskettu savukaasumäärä... 9.1.3. Savukaasupuhallin virtausmittarina... 11 3. Yhteenveto... 1 4. Lähdeluettelo... 13
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 5 (13) 1. Johdanto Savukaasujen tilavuusvirtatietoja tarvitaan, kun halutaan määrittää savukaasupäästöjen massavirtoja (kg/s tai t/vuosi). Yleensä haitta-ainepitoisuudet on mitattu tilavuusosuuksina (ppm), jotka on muutettu massaksi tilavuusyksikköä kohti kertomalla pitoisuus tarkasteltavan haitta-aineen tiheydellä (kg/m 3 n). Päästön massavirta lasketaan kertomalla pitoisuus (mg/m 3 n) kaasun tilavuusvirralla (m 3 n/s). Kaasun tilavuusvirta lasketaan aina jostakin mittausviestistä. Prosessiteollisuuden savukaasumäärän mittausmenetelmistä on yleisimmin käytetty kertaluonteinen pitot -putkimittaus. Kertaluonteisten mittausten tilavuusvirtatulokset lasketaan jatkuvuus- ja liikemääräyhtälöillä kaasun lämpötilasta ja kosteudesta, dynaamisesta ja staattisesta paineesta sekä savukanavan mitoista. Tilavuusvirran jatkuvatoiminen mittaus suoraan kanavasta on vaikeaa varsinkin prosessiteollisuudessa. Tavallisimmin savukaasujen tilavuusvirtojen jatkuvatoiminen seuranta on toteutettu suoraan kaasumääriä mittaamalla ja/tai prosessiarvoista epäsuorasti laskemalla.. Savukaasun tilavuusvirran määrittäminen Tilavuusvirta voidaan määrittää muista mitatuista prosessisuureista, kun kaasun syntymekanismit ja merkittävimmät savukaasumäärään vaikuttavat tekijät tunnetaan. Tällöin kaasumäärälaskenta perustuu esimerkiksi syötettyjen ilma- ja polttoainemäärien tai tuotetun höyryn sekä jäännöshapen mittaukseen. Mittaus- ja laskentatulosten luotettavuuden varmistamiseksi kannattaa käyttää savukaasumäärää parhaiten vastaavaa prosessitietoa ja luotettavimpia suoria mittauksia, joita ovat mm. - nesteiden määrämittaukset, - sähköiset suureet (moottorin pyörimisnopeus ja tehon tarve) sekä - prosessien tuotantoa, kulutusta tai tulosta kuvaavat mittaukset (polttoaineen massavirta, energian tai höyryn tuotanto). Kaasumäärä muuttuu prosessin mukana ja prosessin tasaisuuteen vaikuttavat mm. tuotanto ja prosessilaitteiden toiminta sekä polttoaineen koostumus. Eri prosessien kaasumäärät voidaan määrittää samanaikaisesti usealla eri menetelmällä, jolloin eri menetelmien tuloksia ja tulosten ajallisia muutoksia voidaan verrata keskenään..1. Savukaasun tilavuusvirran laskenta Savukaasun tilavuusvirta voidaan määrittää jatkuvatoimisesti mm. /1, / 1. laskemalla yhteen sisään syötetyt kaasumäärät ja polttoaineen massavirrat,. höyryn tuotannosta (nettotehosta), savukaasuhäviöistä ja polttoaineen koostumuksesta, 3. pyörimisnopeussäätöisen savukaasupuhaltimen tiedoista tai 4. mittaamalla jollakin mittalaitteella. Seuraavassa on esitetty laskentayhtälöt erään kuorikattilan savukaasun tilavuusvirran laskentaan eri menetelmillä.
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 6 (13).1.1. Höyryn tuotannosta laskettu savukaasumäärä Esimerkin kattilassa poltetaan kolmea kiinteää polttoainetta, kuorta, prosessin sivutuotetta (rejektiä) sekä kivihiiltä. Savukaasun tilavuusvirta lasketaan kattilan höyrymäärästä, polttoaineiden koostumuksista, lämpöarvoista, massavirrasta ja jäännöshappipitoisuudesta. Laskenta perustuu höyrykattilan teho- ja massataseisiin (kts. kuva 1). mh, h h mi, Ti msk, T höyrykattila mpa, ipa, sk msv, h sv Kuva 1 Höyrykattilan teho- ja massatase Kuorikattilan tehotaseeksi saadaan yhtälö 1. ( ) mh, mi, pai, msk, p ( 1 ) i Δ h = c dt missä mh, Δ hon kattilan nettoteho mi, pai, on yhteenlaskettu polttoaineteho (= massavirta * lämpöarvo) i ( ) msk, cpd T on savukaasuhäviö (säteily- ja ulospuhallushäviöt ovat mukana savukaasuhäviössä) Esim. kuoren polttoaineen tehollinen lämpöarvo lasketaan yhtälöstä. ( 9 )( 1 ) pak, = HHVk x Hk, l HO x vk, x tk, x vk, l HO ( ) missä HHV 1) k on tuhkattoman kuoren ylempi lämpöarvo, MJ/kg ka x Hk, on kuivan ja tuhkattoman kuoren vedyn massaosuus, kg vettä/kg x vk, on kostean kuoren veden massaosuus, kg vettä/kg pa x tk, on kostean kuoren tuhkapitoisuus, kg tuhkaa/kg pa l HO =. 443 MJ/kg on veden höyrystymislämpö 1 x HVV O k = 338. xc + 144.8 x H + 94. xs on tuhkattomalle polttoaineelle, kj/kg 8 /3 s. 46/
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 7 (13) Vastaavasti hiilen tehollinen lämpöarvo saadaan yhtälöstä 3. ( 9 )( 1 ) pac, = HHVc x Hc, l HO x vc, x tc, x vc, l HO ( 3 ) missä HHV c on tuhkattoman hiilen ylempi lämpöarvo, MJ/kg ka x Hc, on kuivan ja tuhkattoman hiilen vedyn massaosuus, kg vettä/kg x vc, on kostean hiilen veden massaosuus, kg vettä/kg pa x tc, on kostean hiilen tuhkapitoisuus, kg tuhkaa/kg pa l HO =. 443 MJ/kg on veden höyrystymislämpö Kostean savukaasun massavirta saadaan yhtälöstä 4. = + = + 477. C ( 4 ) m, sk m, skteor m, iyli m, skteor m, sk O missä m skteor, on teoreettisessa palamisessa syntyvä savukaasumäärä miyli, = 477. msk, CO on jäännöshappipitoisuudesta laskettu yli-ilmamäärä C O on kostean savukaasun happipitoisuus Teoreettisessa palamisessa syntyvä kostea savukaasumäärä saadaan yhtälöstä 5 ). = ( + ) ( 5 ) 1 1 1 ( 1 ) 1 ( 3 377. 8) ( ) m, skteor m, pa m, iteor = x x + x + x + x x x 1 4 3 + 1 1 1 ( 1 x x ) 1+ ( 3 377. 8) x + x + ( x x ) x 1 4 3 mk, vk, tk, Ck, Hk, Sk, Ok, vk, mc, vc, vc, Cc, Hc, Sc, Oc, vc, Comment [SH1]: missä mk, ja mk, ovat kuoren ja hiilen massavirrat, kg/s x Hk,, x Ck,, x Ok,, x Sk,, x Cc,, x Hc,, x Oc, ja x Sc, ovat kuivan ja tuhkattoman kuoren ja hiilen polttoaineen massaosuuksia, kg/kg ka ja x vk,, x vt,, x vc, ja x tc, ovat kostean polttoaineen veden ja tuhkan massaosuuksia, kg/kg pa Merkitään yhtälön 5 teoreettisia kosteita savukaasumääriä kirjaimilla A ja B: ( 1 ) 1 ( 3 377 8 1 1 1. ) ( ) A= x x + x + x + x x x 1 4 3 + B= ( 1 x x ) + ( ) x + x + ( x x ) x 1 3 377 8 1 1 1. 1 4 3 + vk, tk, Ck, Hk, Sk, Ok, vk, vc, vc, Cc, Hc, Sc, Oc, vc, Osakaasujen moolitilavuudet oletettu samoiksi,4 mol/m 3 sekä palamisilman sisältämä vesihöyry on jätetty huomioimatta.
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 8 (13) Yhtälöistä 4 ja 5 ratkaistaan kuoren massavirta, jonka lauseke sijoitetaan yhtälöön 1. Tällöin savukaasun massavirta voidaan laskea yhtälöstä 6. msk, A h B mh, Δ + mc, pak, pac, = 1 477. CO pa, k cpdt A ( 6 ) Kostean savukaasun tilavuusvirta normaalitilassa lasketaan yhtälöstä 7. m, sk V, sk = ( 7 ) ρ wn missä ρ wn = 1,35 kg/m 3 on savukaasun tiheys normaalitilassa (73 K, 101,3 kpa) 3). Höyryn tuotantoon perustuvan arvion merkittävimmät epävarmuustekijät ovat polttoaineen kosteus ja savukaasun happipitoisuus. Kuvaan on piirretty tuotettua höyrykiloa kohti syntyvän kostean savukaasun massa polttoaineen kosteuden funktiona, kun parametrina on savukaasun happipitoisuus. 5,0 4,5 4,0 kostea savukaasu, m³n/kg höyry 3,5 3,0,5,0 1,5 savukaasun happipitoisuus 1,0 6 % 0,5 10 % 13 % 0,0 0, 0,5 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 polttoaineen kosteus, kg vettä/kg kosteaa polttoainetta Kuva Kostean savukaasun tilavuusvirta polttoaineen kosteuden funktiona, kun parametrina savukaasun happipitoisuus 3 Vertailutilana on käytetty laskettu normaalitilaa, koska yleensä haitta-aineiden pitoisuudet (mg/m 3 n) määritetään myös normaalitilassa.
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 9 (13) Tarkkailemalla kuoren kosteutta esim. viikoittain saadaan kuoren kosteudesta aiheutuva epävarmuutta pienenettyä. Savukaasun happipitoisuus saataisi luotettavimmin jatkuvatoimisesti mittaamalla, mutta tarvittaessa savukaasun jäännöshappi saadaan kattilan happimittauksesta, kun savukaasukanavan vuotoilmamäärät on kartoitettu. Kahden prosentin virhe jäännöshappipitoisuudessa aiheuttaa noin 10 % epävarmuuden kaasumäärään..1.. Ainevirroista laskettu savukaasumäärä Savukaasumäärä saadaan myös laskemalla yhteen kaikki kattilaan syötetyt ainevirrat (yhtälö 8) 4). V, sk = m, k + ρ m, c wn + m, r + V, pi + V, si 0,9 0,9 C O, sk + C O, k ( 8 ) missä mk,, mc, ja mr, ovat kuoren, hiilen ja rejektin massavirrat, kg/s V, pi, V, si ovat primääri- ja sekundaari -ilmavirrat normaalitilassa C O, sk on savukaasujen happipitoisuus piipussa C O, k on savukaasujen happipitoisuus kattilassa.1..1. Kuivan savukaasun tilavuusvirta Monet jatkuvatoimiset pitoisuuden päästömittauslaitteet määrittävät haitta-ainepitoisuuden kuivassa kaasussa, jolloin kostean kaasun tilavuusvirta on muutettava vastaamaan kuivan kaasun tilavuusvirtaa. Kuivan kaasun tilavuusvirta normaalitilassa lasketaan yhtälöstä 9. Vdn, = msk, mv, ρ dn ( 9 ) missä mv, on savukaasun vesihöyryn massavirta, kg/s ρ dn on kuivan kaasun tiheys normaalitilassa, kg/m 3 Vesihöyryn massavirta voidaan laskea yhtälöstä 10. 1 ( 1 ) ( 1 ) = 18 1 x x x + x + 18 1 1 x x x + x 4 18 4 18 mv, Hk, vk, tk, vk, mk, Hc, vc, tc, vc, mc, Merkitään, että Av = 18 1 1 xh, k ( 1 xv, k xt, k) + xv, k 4 18 Bv = 18 1 1 xh, c( 1 xv, c xt, c) + xv, c 4 18 Kuoren massavirta voidaan ottaa suoraan prosessitiedoista tai laskea yhtälöstä 11. 4 Laskennassa on huomioitu vuotoilman vaikutus savukaasumäärään.
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 10 (13) = 1 477. CO A mk, msk, mc, B A ( 11 ) Sijoittamalla yhtälöt 9, 10 ja 11 yhtälöön 8 saadaan kuivan kaasun tilavuusvirran lauseke (yhtälö 1). Vdn, ( ) A + B = ρ msk, v mk, v mc, dn ( 1 ) Taulukossa 1 ja kuvassa 3 näkyy laskentatuloksia savukaasun tilavuusvirroista. Taulukko 1 Kuorikattilan savukaasun tilavuusvirta piipussa normaalitilassa alkuaineanalyysi kuori hiili C kg/kg ka 0,560 0,800 H kg/kg ka 0,060 0,050 N kg/kg ka 0,005 0,010 O kg/kg ka 0,375 0,135 S kg/kg ka 0,001 0,005 yhteensä kg/kg ka 1 1 tuhka kg/kg pa 0,0 0,14 vesi kg/kg pa 0,60 0,1 HHV ylempi lämpöarvo, tuhkaton pa MJ/kg ka 1 3 alempi lämpöarvo, kostea pa MJ/kg pa 6,0 3 teoreettinen savukaasumäärä kg skteor/ka pa 4,0 8,3 vesihöyry kg v/kg pa 0,7 0,3 savukaasun tiheys 1,35 kg/m³ höyryn massavirta 43,8 kg/s entalpiaero,7 MJ/kg savukaasuhäviö 0,08 MJ/kg hiilen massavirta 0,51 kg/s happipitoisuus 6,8 %, kostea kostean kaasun massavirta 116 kg/s (yhtälö 6) kostean savukaasun tilavuusvirta 86 m³/s (yhtälö 7) kuoren massavirta 19 kg/s (yhtälö 11) kuivan savukaasun tilavuusvirta 76 m³n/s (yhtälö 1) primääri-ilmamäärä 3,0 m³n/s sekundääri-ilmamäärä 31,7 m³n/s kuoren massavirta 5,6 kg/s hiilen massavirta 0,51 kg/s rejektin massavirta 1,6 kg/s kostean savukaasun tilavuusvirta 87 m³/s (yhtälö 8) kuivan savukaasun tilavuusvirta 73 m³n/s (yhtälö 1) Taulukon tulokset on laskettu kuvan viikon keskiarvotuloksista. Polttoaineiden lämpöarvot on määritetty laskennallisesti.
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 11 (13) 10 100 kostean kaasun tilavuusvirta, m³n/s Kuva 3 80 60 40 0 0 04.4.97 9:00 04.4.97 14:00 04.4.97 19:00 höyryn tuotanto ilma- ja polttoainemäärät pitot-mittaus 04.5.97 0:00 04.5.97 5:00 04.5.97 10:00 04.5.97 15:00 04.5.97 0:00 04.6.97 1:00 04.6.97 6:00 04.6.97 11:00 04.6.97 16:00 04.6.97 1:00 04.7.97 :00 04.7.97 7:00 04.7.97 1:00 Kuorikattilan kostean savukaasun tilavuusvirta piipussa normaalitilassa 04.7.97 17:00 04.7.97 :00 04.8.97 3:00 04.8.97 8:00 04.8.97 13:00 04.8.97 18:00 04.8.97 3:00 04.9.97 4:00 04.9.97 9:00 04.9.97 14:00 04.9.97 19:00 04.30.97 0:00 04.30.97 5:00 Kuvasta nähdään, että kuorikattilalla höyryn tuotannosta laskettu kaasumäärä antaa kohtalaisen tarkkuuden ja lasketut kaasumäärät seurailevat sisään syötettyjen ainevirtojen muutoksia. Laskennan edellytyksen kuitenkin on, että happipitoisuus ja polttoaineen kuiva-aine tunnetaan riittävän hyvin. Syötetyistä polttoaineista ja ilmamääristä saatu tulos on tietysti periaatteessa oikein ja helpompi tapa, mutta laskennan suurimpana ongelmana on kiinteän polttoaineen määrämittauksen luotettavuus. Kuvassa näkyy myös kertamittauksena tehdyt vertailumittaustulokset (pitot-mittaus)..1.3. Savukaasupuhallin virtausmittarina Kaasun tilavuusvirran voi laskea pyörimisnopeussäätöisen savukaasupuhaltimen pyörimisnopeudesta, tehontarpeesta ja paine-erosta, kun eri kuormitusta vastaavat tilavuusvirrat on määritetty kertaluonteisesti esim. pitot -mittauksella. Tällaiselle mittausjärjestelmälle voidaan rakentaa jatkuvatoiminen laskenta-automatiikka.
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 1 (13) 100 90 kostean kaasun tilavuusvirta, m³n 80 70 60 50 40 30 0 10 0 aika höyryn tuotto ja ka = 45 ± 3 % ilma- ja polttoainemäärät puhaltimien kierrokset Kuva 4 Kuorikattilan kostean savukaasun tilavuusvirta piipussa normaalitilassa Kuvassa 4 näkyy savukaasupuhaltimen pyörimisnopeudesta määritettyjä tilavuusvirtatuloksia. Kuvasta nähdään, että eri tavalla määritetty kaasumäärät seurailevat samalla tavalla savukaasumäärän muutoksia. 3. Yhteenveto Kaasun tilavuusvirta lasketaan aina jostakin mittausviestistä. Tavallisimmin savukaasujen tilavuusvirtojen jatkuvatoiminen seuranta on toteutettu suoraan kaasumääriä mittaamalla ja/tai prosessiarvoista epäsuorasti laskemalla. Tehtyjen mittaustulosten perusteella voidaan todeta, että höyryn tuotannosta laskettu tilavuusvirtamittaus antaa kohtalaisen tarkkuuden ja lasketut kaasumäärät seurailevat sisään syötettyjen ainevirtojen tai savukaasupuhaltimen pyörimisnopeuden muutoksia. Eri prosessien kaasumäärät voidaan määrittää samanaikaisesti usealla eri menetelmällä, jolloin eri menetelmien tuloksia ja tulosten ajallisia muutoksia voidaan verrata keskenään. Höyrymäärään perustuvan laskennan edellytyksenä on, että happipitoisuus ja polttoaineen kuiva-aine ja kosteus tunnetaan riittävän hyvin. Syötetyistä polttoaineista ja ilmamääristä saatu tulos on tietysti periaatteessa aina oikein, mutta laskennan suurimpana ongelmana on kiinteän polttoaineen määrämittauksen luotettavuus.
Savukaasun tilavuusvirran jatkuvatoiminen määrittäminen sivu 13 (13) 4. Lähdeluettelo 1 Simo Hammo, Ritva Käyhkö, Jari Penttinen. Jatkuvatoimiset päästömittausjärjestelmät selluteollisuudessa. Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu, Energiatekniikan osasto. Tutkimusraportti, En B-109. Lappeenranta 1996. Simo Hammo, Jari Penttinen. Jatkuvatoimisten päästömittausjärjestelmien kehittäminen selluteollisuuden tarpeisiin. Lappeenrannan teknillinen korkeakoulu, Energiatekniikan osasto. Tutkimusraportti, En B-115. Lappeenranta 1996. 3 Poltto ja palaminen. International Flame Research Foundation (IFRF). Gummerus Kirjapaino Oy. Jyväskylä 1995.