Korkealämpötilaprosessit Polttoprosessit: Arinat ja leijupedit 23.10.2017 klo 8-10 SÄ114 Tavoite Tutustua palamisilmiötä hyödyntäviin polttoprosesseihin - Arinapoltto - Leijupetipoltto - Käyttökohteet Oppia tunnistamaan arina- ja leijupetipolttoon vaikuttavat tekijät ja niissä huomioitavat asiat 1
Sisältö Arinapoltto - Jaottelu käyttökohteen, koon ja toteutustavan perusteella - Palaminen arinalla - Polttoaineet ja niiden keskeiset ominaisuudet - Ominaispiirteet - Päästöt - Sovelluskohteet Leijupetipoltto - Periaate - Rakenne - Kerrosleijupedit - Kiertoleijupedit - Sovelluskohteet Arinapoltto Arina - Aukollinen taso, joka erottaa tulipesän tuhkatilasta Arinapoltto on vanhin kiinteän materiaalin polttoon käytetyistä menetelmistä - Paikallaan pysyvän tai hitaasti liikkuvan polttoaineen poltto arinan päällä olevassa patjassa - Ilman puhallus arinan läpi - Loppuunpalaminen arinan yläpuolella - Lisäilmasuihkut Edellytyksiä syöttötekniikalle - Polttoaineen tasainen syöttö arinalle - Polttoilman tasainen jakaantuminen polttoainepatjaan Lähde: Esa Vakkilainen: Polttotekniikka-seminaari, 2011. 2
Arinapoltto Jaottelu käyttökohteen ja koon perusteella - Omakotitalokattilat 15 40 kw - Kiinteistökattilat 40 400 kw - Alue- ja kaukolämmityskattilat 0,4 20 MW - Teollisuuskattilat 1 80 MW - Yhdyskuntajätekattilat 10 30 MW - Biomassalauhdelaitokset 30 70 MW Jaottelu toteutustavan perusteella - Kiinteä tasoarina - Kiinteä viistoarina - Kaltevuus tyypillisesti esim. 35 38 - Mekaaninen viistoarina - Osa arinaraudoista liikuteltavissa - Kaltevuus pienempi kuin kiinteissä arinoissa - Ketjuarina - Heittoarina - Valssiarina Arinapoltto Heittoarina Mekaaninen arina Valssiarina Ketjuarina 3
Arinapoltto Palaminen arinalla - Kosteuden poistuminen - Polttoaineissa 10 60 % kosteutta - Suurin osa arinapinnasta kosteuden poistamiseen - Merkittävässä roolissa arinan mitoituksessa - Kosteuden nopea poistuminen edullista palamistuloksen kannalta - Pieni palakoko, esilämmitetty palamisilma, oikea tulipesän geometria - Pyrolyysi ja haihtuvien palaminen - Palavien kaasujen ja nestemäisten terva-aineiden muodostuminen - Aluksi endoterminen muuttuu eksotermiseksi - Vaiheen merkitykseen vaikuttaa haihtuvien määrä - Vaihtelee 30 70 % - Palamistulokseen voidaan vaikuttaa tulipesän rakenteella sekä tehokkaalla sekoituksella - Kuumat säteilypinnat, diffuusioliekki - Jäännöshiilen palaminen - Kiinteä hiili palaa liekittömästi - Hidas, vaatii paljon arinapintaa - Jäljelle jää tuhka, joka poistetaan tulipesästä - Yksittäisessä polttoainekappaleessa vaiheet perättäisiä - Arinalla on samanaikaisesti eri vaiheissa olevia kappaleita Arinapoltto Tyypillisiä polttoaineita arinapoltossa - Erityisesti hiili, turve ja biopolttoaineet - Lisäksi puu, jätteet, lietteet, jne. Polttoaineiden keskeiset ominaisuudet arinapolton kannalta - Palakoko - Reaktiopinta-ala sitä suurempi mitä pienempi palakoko Nopeuttaa ja tehostaa palamista - Liian pieni palakoko Palamisilma ei tunkeudu patjaan & Partikkelit lähtevät kaasuvirtauksen mukaan - Kosteus - Vaikutus polttoaineen teholliseen lämpöarvoon - Jos kosteus > 60 % Palamista tuettava paremman lämpöarvon tukipolttoaineella - Haihtuvien määrä - Pieni haihtuvien määrä suuri jäännöshiilen määrä Vaikutus mitoitukseen - Tuhka ja sen sulamiskäyttäytyminen - Sulava tuhka syövyttää voimakkaasti tulipesämuurauksia - Puun tuhka alkaa sulaa n. 1400 C:ssa - Turpeen tuhka alkaa sulaa n. 1100 C:ssa - Hiilen tuhkalla leipoutuvuus taipumus paisua ja tarttua 4
Arinapolton ominaispiirteitä (1/2) Polttoaineen syöttö - Syöttötapa määräytyy arinatyypin perusteella - Koko arinan leveydelle tasaisena kerroksena - Primääri-ilman karkaaminen, jos panos ei ole tasaisesti levinnyt - Sekundääri-ilmaa ei saa päästä tulipesään hallitsemattomasti Ilman syöttö - Tyypillisesti kahdessa vaiheessa - Primääri-ilma arinan alta - Sekundääri-ilmalla poltetaan haihtuneet palavat kaasut Arina - Rakenne polttoaineen ja kattilan koon perusteella - Kiinteät taso- ja viistoarinat - Liikkuvat arinat mekaaniset, ketju- ja valssiarinat parantavat polttoaineen siirtymistä ja sekoittumista - Ilma tulisi saada jakautumaan tasaisesti, vaikka polttoainekerros olisi epätasainen - Pienet ilma- ja suuremmat vesijäähdytteisiä Arinapolton ominaispiirteitä (2/2) Tulipesä - Geometria polttoaineen ominaisuuksien perusteella - Tavoitteena tasainen ja korkea lämpötilataso - Ei cold-spotteja - Vastavirtaperiaate soveltuu hitaasti syttyville polttoaineille - Korkea kosteus, vähän haihtuvia - Myötävirtaperiaate soveltuu nopeasti syttyville ja pyrolysoituville polttoaineille Tuhkanpoisto - Pääasiassa arinan läpi tai sammutuskaukaloon - Arinan läpi putoava tuhka sisältää myös palamiskelpoista polttoainetta - Häviöt - Osa tuhkasta lähtee savukaasujen mukana lentoon - Riippuu tuhkahiukkasten koosta ja kaasun virtausnopeudesta 5
Arinapolton päästöt ja niiden hallinta Hiilimonoksidi (CO) ja hiilivedyt (C x H y ) - Seurausta epätäydellisestä palamisesta - Vaikuttavia tekijöitä: - Lämpötila, kaasujen sekoittuminen, viipymäaika - Palamisen hallinta vaikeaa vaikea mitata Rikkidioksidi (SO 2 ) - Merkittävä hiilen poltossa - Voi edellyttää savukaasujen puhdistusta Typen oksidit (NO x ) - Muodostuu lähinnä polttoaineen sisältämästä typestä - Korkeammissa lämpötiloissa myös polttoilman typestä Dioksiinit ja furaanit (PCDD/F) - Polttoaineen dioksiinit eivät hajoa poltossa - Voi muodostua org. klooriyhdisteitä sekä epäorg. klooria - Voidaan rajoittaa varmistamalla riittävä viipymäaika (2 s) riittävän korkeassa lämpötilassa (800 850 C) mahdollisimman täydellinen palaminen Arinapolton sovellusalueita (1/2) Hiilen arinapoltto - Yleisimmin ketjuarina - Yleinen polttomenetelmä hiilelle kokoluokassa 20 80 MW - Päästöjen rajoittaminen edellyttää savukaasupuhdistusta - On siirrytty käyttämään leijupolttoa Pienpoltto - Omakotitalo- ja kiinteistökattilat muutamista kymmenistä muutamiin satoihin kw - Kiinteät tasoarinat: keraaminen tai valurauta - Yläpaloperiaate - Koko polttoainepanoksen syöttö kerralla - Olosuhteet vaihtelevat palamisvaiheen mukaan - Taloudellinen käyttö vaatii energiavaraajan - Alapaloperiaate - Jatkuvatoiminen - Primääri-ilma polttoainekerroksen läpi - Sopii suoraan lämmitykseen 6
Arinapolton sovellusalueita (2/2) Yhdyskuntajäte - Esikäsittelynä erilaisten materiaalien erottelu - Yleisimmin liikkuva eli mekaaninen arina tavoitteena: - Jätteen siirto eteenpäin uunissa - Jätteen sekoittaminen - Arinan läpi puhallettavan ilman tasainen jako jätteen sekaan - Toimintaperiaate voi olla vasta- tai myötävirta - Täydellisen palamisen saavuttaminen erityisen tärkeää - Tiukat päästörajat - Dioksiinien ja furaanien poistumisen edellytykset - Ei saa esiintyä kylmiä alueita - Riittävät viipymäajat (ks. edellä) viimeisen syöttökohdan jälkeen - Haasteena palamisen säätö jätteen laadun vaihdellessa - Mitataan mm. tulipesän takaseinän lämpötilaa, savukaasun happipitoisuutta ja CO- ja C x H y -pitoisuuksia, jätekerroksen lämpötilaa, pohjatuhkan koostumusta, jne. - Pohjatuhkaa syntyy paljon - Suurin osa poistuu arinan läpi - Murskataan ja erotellaan magneettinen materiaali - Voidaan osittain hyödyntää esim. sementinvalmistuksessa - Savukaasut korrodoivampia kuin perinteisissä voimalaitoksissa (CO, HCl, metallisuolat, sulfaatit, jne.) Leijupetipoltto Taustaa - Tekniikkana käytössä 1920-luvulta lähtien - Ensimmäiset sovellukset öljyn krakkaukseen ja hiilen kaasutukseen - Yleistyi kemian- ja metallurgisessa teollisuudessa 1940- luvulla - Tyypillisesti erilaiset pasutus- ja konvertointiprosessit - Kaupalliset polttosovellukset 1970-luvulla - Nykyisin leijupetikattiloita käytetään useiden erilaisten kiinteiden polttoaineiden poltossa Etuja - Mahdollisuus heikompien polttoaineiden käyttöön hyvällä hyötysuhteella - Matala lämpöarvo, korkea kosteus - Pieni huollon tarve - Ympäristöystävällisyys - Pienet NO x -päästöt - Mahdollisuus rikkipäästöjen vähentämiseen taloudellisesti - Mahdollisuus erilaisten polttoaineiden käyttöön - Ei juurikaan tarvetta polttoaineen esikäsittelylle 7
Leijupetipoltto Periaate - Hienojakoista kiintoainetta leijutetaan ilmapuhalluksella - Palaminen tapahtuu leijupedissä, joka koostuu - kiinteästä petimateriaalista - syötettävästä polttoaineesta - puhallusilmasta - palamisessa syntyvistä savukaasuista - tarvittaessa kalkkikivestä - Polttoaine on kontaktissa kuuman leijutushiekan kanssa, jolloin aineen- ja lämmönsiirto on tehokasta - Vältettävä materiaalin osittaissulamista, joka johtaa paakkuuntumiseen ja leijuominaisuuksien häviämiseen - Poltossa lämpötila ei saa nousta tuhkan pehmenemislämpötilaan asti (käytännössä n. 750 950 C) Keskeiset käsitteet - Minimileijutusnopeus - Nopeus, jonka yläpuolella saavutetaan leijutila - Terminaalinopeus - Partikkelin vapaa putoamisnopeus Leijupetipoltto Uunin rakenne Arina - Tavoitteina - jakaa kaasuvirtaus tasaisesti (tai halutun jakauman mukaisesti) kiintoainepatjaan - estää leijutettavaa materiaalia vuotamasta arinan alapuolelle (myös uunin ollessa pois käytöstä) - Ei saa tukkeutua - Lämpötilan, korroosion ja eroosion kesto Pohjatuhkan poisto - Arinan alta sulkuventtiilin kautta tuhkansammuttimelle - Jäähdytetty ruuvikuljetin Perustyypit - Kerrosleijupedit - Kiinteä peti, kupliva peti, turbulenttinen peti - Kiertoleijupedit 8
Leijupetipoltto Perustyypit Kerrosleijupetikattilat - Petimateriaalin keskimääräinen raekoko n. 1 mm - esim. hiekkaa tai kalkkikiveä - Polttoaineen syöttö leijukerroksen pinnalle - Konvektiivinen lämmönsiirto kaasun ja hiukkasten välillä - Nopea kuivuminen - Haihtuvien osien haihtuminen - Palo leijutilassa kaasun virratessa petimateriaalin läpi - Hiukkaset ja petimateriaali pysyvät leijukerroksessa - Savukaasut imetään kattilasta savukaasupuhaltimella - Kattilan paine hieman alle ilmanpaineen, jotta savukaasut eivät vuoda - Osa palamisessa vapautuvasta lämmöstä otetaan talteen tulipesän seinäputkissa kiertävään veteen - Tulipesästä poistuvan kaasun lämpöenergian talteenotto tulistimilla - Käyttö alle 100 MW sovelluksissa - Yleinen mm. biomassan ja turpeen poltossa pienissä laitoksissa - Yksinkertaisempi ja halvempi rakenne kuin kiertoleijupedissä - Soveltuu märille polttoaineille Leijupetipoltto Perustyypit Kiinteä peti - Kaasun nopeus on alhaisempi kuin minimileijutusnopeus - Alle 0,5 m/s - Kaasun ja kiintoaineen sekoittuminen pedissä on vähäistä Kupliva peti - Kaasun nopeus suurempi kuin minimileijutusnopeus - 1 3 m/s - Perinteinen leijupeti - Kupla-alue ja emulsioalue Turbulenttinen peti - Kaasun nopeus saavuttaa osittain hiukkasten terminaalinopeuden - 3 4 m/s - Kuplat häviävät ja osa petimateriaalista kulkeutuu kaasun mukana pois pedistä - Kaasu kulkeutuu tasaisesti jakautuneena leijupedin läpi 9
Leijupetipoltto Perustyypit Kiertoleijupeti - Kaasun nopeuden kasvaessa edelleen yhä suurempi osa kiintoaineesta kulkeutuu kaasun mukana - 4 10 m/s - Kaasun mukana poistuva kiintoaines palautetaan takaisin uuniin - Petimateriaalin keskimääräinen raekoko alle 0,5 mm - Polttoaineen syöttö sulkusyöttimen kautta erottimen palautuskanavaan - Lämmönsiirto konvektiolla, säteilyllä sekä partikkeleista johtumalla - Erinomainen sekoittuminen ja tasainen tulipesän lämpötila - Käyttö yli 50 MW sovelluksissa - Yleisempi suurissa (hiili)laitoksissa - Laajempi polttoainevalikoima kuin kerrosleijukattiloissa Leijupetipoltto - Perustyypit Tyyppillisiä raekokojakaumia kiintoaineille kiertoleijupedissä 10
21.10.2017 Leijupetipoltto Leijutilakaavio - u* dimensioton leijutusnopeus - d p * dimensioton hiukkashalkaisija Leijupetipoltto Kiintoaineen jakautuminen pystysuunnassa erilaisille leijukerroksille 11
Leijupedin käyttökohteita Polttoprosessit - esim. hiilen tai jätteenpoltto Pasutusprosessit - Sulfidirikasteiden pasutus oksidiseksi tai sulfaattiseksi ennen liuotusprosessia ja hydrometallurgista käsittelyä - esim. sinkkisulfidirikasteen pasutus oksidiseksi - Rikkidioksidin tuotanto sulfidimateriaaleista rikkihapon tuotantoon - esim. rikkikiisun leijupetipasutus Lämpökäsittelyt - Mineraalin kiinteän tilan faasitransformaation aikaansaamiseksi - esim. spodumeenin lämpökäsittely ( ) ennen liuotusprosesseia - Hydroksidien ja karbonaattien hajotusprosessit - esim. alumiinihydroksidi alumiinioksidi Lähde: www.outotec.com Yhteenveto Kiinteän polttoaineen poltossa voidaan käyttää poltinten lisäksi myös arina- tai leijupetipolttoa Arinauunien jaottelu toteutustavan perusteella - Kiinteät arinat - Taso tai viisto - Liikkuvat arinat - Mekaaniset arinat, ketjuarinat, heittoarinat, valssiarinat Leijupetiuunien jaottelu ajotavan perusteella - Kerrosleijupedit - Kiinteä peti, kupliva peti, turbulenttinen peti - Kiertoleijupedit 12