Palamisen ja kalkkikivireaktioiden mallintaminen kiertoleijukattilan tulipesän kolmiulotteisessa virtausympäristössä Kari Myöhänen Lappeenrannan teknillinen yliopisto Liekkipäivä 26.1.2012 Sisältö − − − − Kiertoleijukattiloiden kehitystrendit ja ominaispiirteet Kiertoleijukattiloiden mallintamisesta Työssä kehitetty mallikehys ja esimerkkituloksia Johtopäätökset Kiertoleijukattiloiden tehojen kehittyminen 600 Samcheok, KR Sähköteho (MWe) 500 Łagisza, PL 400 Jacksonville, US 300 Provence/Gardanne, FR Turow, PL 200 Tri-State, Nucla, US 100 Duisburg, DE 1980 1985 Seward, US Alholmen, FI CN Kiina Nova Scotia, CA NPS, Tha Toom, TH Emile Huchet, FR EC Tychy, PL Kajaani, FI Ebensburg, US Kauttua, FI Pihlava, FI Lünen, DE 0 1975 Baima, CN 1990 1995 2000 Vuosi 2005 DE FI FR KR PL TH US 2010 Saksa Suomi Ranska Etelä-Korea Puola Thaimaa Yhdysvallat 2015 2020 Polttoainevalikoima Tehollinen lämpöarvo LHV (MJ/kg, saapumistila) 35 Petrokoksi Antrasiitti ANTRACITE Polyolefiinit (PE,PP,PC) Värjätyt muovit, puhtaat Värjätyt muovit, sekoit. Kuluttajilta Agro biomassa kerätty energiajäte (REF II - III) REFREF PELLETS pelletit Bituminen hiili 20 Lastulevy Vaneri Kaupan ja teollisuuden energiajäte (REF I) PVC Sek. muovit Puu & muovit Ruskohiili RDF Purkupuu 10 Puuperäinen biomassa Turve Kuori Standardipolttoaineet MSW Öljyliuske Eesti Lähi-itä/ P. Afrikka Bio- & kuituliete 5 Paperi & puu Turve, korkea Ca,Cl,Br Siistausliete Lieviä haasteita Viemäriliete Suuria haasteita REF (recovered fuel) = erilliskerätty energiajäte RDF (refuse derived fuel) = yhdyskuntajätteen kuivajakeesta valmistettu MSW (municipal solid waste) = yhdyskuntajäte Uudet menetelmät: happipoltto Happi Hiilidioksidi Vesihöyry Typpi Muut Happi Hiilidioksidi Vesihöyry Typpi Muut Savukaasu Polttoaine Kiertoleijukattila Palamisilma Ilmapoltto Savukaasu Polttoaine Kiertoleijukattila Happi Happipoltto Kiertoleijukattilan mallinnuksen haasteet 1) Pienet virtausrakenteet -> laskentaverkon vaatimukset. − Koko tulipesän "tarkka" malli vaatisi miljardeja laskentasoluja. 2) Ajasta riippuva (transientti) virtausprosessi. − Aika-askel luokkaa 1 ms -> pitkä laskenta-aika. 3) Prosessiin osallistuvien aineiden ja yhdisteiden määrä. − Kaasukomponentit (O2, CO2, CO,...). − Kiintoaineet (palava polttoaine, tuhka, kalkkikivikomponentit, hiekka, eri raekokoluokat). 4) Ilmiöiden määrä ja riippuvuus toisistaan. − Virtausdynamiikka. − Reaktiot. − Jauhautuminen. − Lämmönsiirto. Kuva kiertoleijuvirtauksesta kaksiulotteisessa testireaktorissa (Åbo Akademi). Reaktorin leveys 1 m. Hilan mitta 0.2 m. Yhteenveto: kiertoleijukattiloiden kattava mallintaminen on erittäin haasteellista. Erityishaaste: suuret tulipesät Łagisza CFB 460 MWe Virtausdynamiikan mallinnusmenetelmät Micro-scale 1 year 1 h...1 d Meso-scale Steady state Quasi steady Averaged CFD 2D/3D Empirical and semi-empirical models 1D/1.5D/3D Transient Time scale Macro-scale Lumped scale Correlation models 0D 1s Eulerian-Eulerian continuum models CFD / TFM 2D/3D 1 ms 1 µs Particle scale DNS,LBM,DEM/DPM Lagrangian-Eulerian DEM/DPM-CFD,DSMC 2D/3D 2D/3D 1 µm 1 mm 0.1 m Space scale 1m Global 10...50 m Fluent KTGF: kiintoainefaasin liikemääräyhtälö (yksinkertaistettu) Kattavat kolmiulotteiset prosessimallit 1) Technical University Hamburg-Harburg − Ensimmäinen julkaisu 1999. 2) Chalmers University of Technology. − Ensimmäinen julkaisu 2008. 3) Tässä työssä esitetty malli − Ensimmäinen versio 1989. − Tässä työssä mallikehys (kokonaismalli) kokonaan päivitetty. − Palamismallin kehitys. − Uusi malli kalkkikivireaktioille. Tässä työssä kehitetty mallikehys Savukaasu, lentotuhka Lämmönsiirto seinämiin ja sisäisiin lämpöpintoihin Kaasu, kiintoaine Erottimet - erotuskyky - lämmönsiirto - reaktiot Kiintoaine Reaktiot (palaminen, kaasutus, kalkkikivireaktiot, NOx-reaktiot) Kiintoaine Kaasu Kiintoaineen palautus Lähteet - sek. ilma - polttoaine - kalkkikivi - hiekka Erilliset lämmönvaihtimet - lämmönsiirto - reaktiot Leijutusilma Savukaasun / lentotuhkan kierrätys Leijutusilma Pohjatuhka ulos Palamismalli Höyrystyminen Inertti tuhka H2O Esimerkkituloksia tulipesän pohjalta Tuhka Kosteus Haihtuvien vapautuminen Haihtuvat Jäännöshiili Jäännöshiilen palaminen +O2 Haihtuvien vapautuminen Jäännöshiilen palaminen NO, N2O HCN, NH3 H2S CO, CO2 Kaasutusreaktiot +H2O, +CO2 CH4, C2H4 H2 CO H2 H2S CO, CO2 SO2 N2 H2 Kaasujen palaminen Vaihtokonversio CO + 0.5O2 → CO2 CO + H 2O ↔ CO2 + H2 H2 + 0.5O2 → H 2O CH4 + 2O2 → CO2 + 2H 2O C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H 2O H2S + 1.5O2 → H2O + SO2 Max H2O CO Min Kalkkikivimalli CaCO3 Kalsinointi CaCO3 → CaO + CO2 CO2 Karbonointi CaO + CO2 → CaCO3 Sulfatointi CaO + SO2 + ½O2 → CaSO4 Suora sulfatointi CaCO3 + SO2 + ½O2 → CaSO4 + CO2 CO2 CaO Desulfatointi SO2+CO2 CaO Karbonointi CaSO4 CaCO3 Desulfatointi (sulfaatin hajoaminen) CaSO4 + CO → CaO + SO2 + CO2 Mallinnettu rikkidioksidiprofiili happipolttotapauksessa Mallin kelpoistaminen tulipesämittauksilla 10 1000 9 900 8 800 7 700 6 600 5 500 4 400 3 300 2 200 1 100 0 0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Temperature T (°C) Gas Concentration (%-dry). Mallinnetut vs. mitatut profiilit: 1.0 Relative Width O2 (measured) O2 (calculated) CO (measured) CO (calculated) CH4 (measured) CH4 (calculated) T (measured) T (calculated) Laskentaverkko Happi (0-16%) Häkä (0-10%) Lt. (500-1000°C) Max Mittaussondi Min Esimerkkilaskenta: Compostilla 300 MWe − Espanjaan suunnitteilla oleva kiertoleijukattila, jossa voidaan käyttää sekä ilmapolttoa että happipolttoa. Lämpötila Rikinsidonta Yhteenveto − Kiertoleijukattiloiden kehitys tarvitsee tuekseen malleja, jotka pystyvät huomioimaan todellisen kolmiulotteisen palamisprosessin. − Tällä hetkellä suurten tulipesien kattava 3D-mallintaminen on mahdollista vain semiempiirisillä, yksinkertaistetuilla malleilla. − Jatkossa eri menetelmät lähentyvät toisiaan. − Tässä työssä kehitetty kolmiulotteinen mallikehys, jota voidaan käyttää suurten kiertoleijutulipesien kattavaan laskentaan ja alimallien jatkokehitykseen. − Mallikehitys on jatkuva prosessi: eri alimalleja voi jatkuvasti parantaa, kun uutta tietoa kertyy. Lisätietoja: Myöhänen, K. (2011). Modelling of combustion and sorbent reactions in three-dimensional flow environment of a circulating fluidized bed furnace Ph.D. thesis. Lappeenranta University of Technology. URL: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-265-161-7.