Poltto ja palaminen
Poltto ja palaminen Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2015 Teema 6 - Luento 1 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Tavoite • Tutustua palamiseen ilmiönä ja polttoprosessiin palamisen käytännön sovelluksena – Tutustua polton ja palamisen käsitteistöön • Kerrata liekin lämpötilan määrittäminen laskennallisesti • Toimia johdantona teeman 6 esitelmille Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 1 Energia ja lämpö Sovelluskohteet Metall. prosessit Ympäristövaikutukset Hyödyntäminen Polttoaineet Tuhkat Polttoprosessit Mittaukset ja analytiikka TermoKinetiikka dynamiikka Savukaasut Virtausmallinnus Menetelmät Laitesuunnittelu Ilmiöt Tasapainot Palamisreaktiot Mekanismit Nopeudet Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Sisältö • Palaminen – Edellytykset – Liekin lämpötilan määrittäminen laskennallisesti • Poltto – – – – – – – Tavoitteet Käyttökohteet (metallurgiassa) Polttoaineet Ilmakerroin Polttaminen hapella ja ilmalla; esikuumennus Liekitön happipoltto Typen oksidit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 2 Mitä on palaminen? • Kemiallinen reaktio, jossa aine (alkuaine tai yhdiste) hapettuu ja reagoi hapen kanssa – HUOM! Hapettuminen on elektronien luovutusta ja voi tapahtua ilman happeakin! • Palamisen tuotteena syntyy oksideja – Esim. H2O, CO2, jne. – (Hapettumisen tuloksena voi olla muutakin kuin oksideja; esim. ioneja (Fe2+ (aq)) tai muita yhdisteitä (MnS)) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Mitä on palaminen? • Palamisessa vapautuu aina energiaa – Lämpö ja valo • Palamislämpö (vapautuva lämpömäärä) riippuu palavasta aineesta • Palamisessa syntyvä lämpötila riippuu myös palamisnopeudesta ja lämmitettävistä aineista (esim. poltetaanko ilmalla/hapella) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 3 Palamisen edellytykset • Palamisreaktion lähtöaineet – Palava aine – Happi • Termodynaaminen ajava voima oksidin muodostumiselle: Gf(Oksidi) < 0 – Usein on; vrt. Ellinghamin diagrammi (teema 1) • Kinetiikka ja reaktiomekanismi – Sytytyslähde – Häiriintymätön ketjureaktio Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Liekin lämpötilan (Tx) määrittäminen laskennallisesti • Reaktiossa vapautuva lämpö* - Lämpöhäviöt = Palamissysteemin (’tuotteiden’) lämmittämiseen tarvittava energia * Määritetään palamislämpötilassa (T0) • HR = Hf(Tuotteet) - Hf(Lähtöaineet) • Lämpöhäviöt mitattu, laskettu (lämmönsiirto!) tai oletettu • HLämmitys = T0Tx (Cp(’Tuotteet’))dT – ’Tuotteita’ ovat myös palamissysteemin inertit aineet, mikäli ne on lämmitettävä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 4 Liekin lämpötilan (Tx) määrittäminen laskennallisesti • Reaktiossa vapautuva lämpö määritetään palamislämpötilassa, joskin HR ei yleensä muutu paljoakaan lämpötilaa muutettaessa – esim.: kcal/mol Delta H 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 C + O2(g) = CO2(g) -90 -100 -110 -120 2 H2(g) + O2(g) = 2 H2O(g) -130 -140 0 500 1000 1500 2000 Temperature °C File: Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Polton tavoitteet • Kemiallisesti sitoutuneen energian muuttaminen lämmöksi (ja edelleen muiksi energian muodoiksi) • Tehokkuus – Polttotekniikoiden kehittäminen – Kiertoprosessit – Energian talteenotto • Ympäristövaikutukset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 5 Polttotekniikan tutkimuskohteita 1/2 • Polttoaineet ja niiden käsittely – Oikea polttoaine oikeaan polttoprosessiin – Tehokkuus, ympäristövaikutukset • Hyötysuhde – Energiantuotannossa yleisesti: Energianmuunto Mahdollisimman suuri osa energiasta käytettävään muotoon – Palamisessa: Täydellinen palaminen ja pienet lämpöhäviöt Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Polttotekniikan tutkimuskohteita 2/2 • Toimintakykyiset laitteet – Turvallisuus – Toimintakyky • Heikommat polttoaineet: Tuhka- ja kuonaongelmia? • Jätteet ja päästöt – Yhtäältä poltossa syntyvät jätteet/päästöt – Toisaalta muiden jätteiden käyttö energianlähteenä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 6 Polton ja palamisen käyttökohteita metallurgiassa • Polttimet sulatusprosesseissa – Mahdollisuus korvata kalliimpia energiaraakaaineita (koksi, sähkö) edullisemmilla (hiili, maakaasu, kierrätettävät prosessikaasut) – Polttimien avulla voidaan injektoida myös muita aineita (esim. kalkki) • Polttimet hehkutus- ja kuumennusuuneissa – Käyttö laajamittaista – Optimointi lämmönsiirron tehokkuuden ja hilseen muodostumisen näkökulmista Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Kuva: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). Askelpalkkiuuni Outokummun Tornion tehtaalla. Esikuumennusvyöhykkeelle sijoitetut happilanssaukset (20 kpl) merkitty sinisellä. Kuva: Lugnet et al. Flameless Oxyfuel slab reheating experiences. AISTech 2012 Conference. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 7 Polttoaineet ja niiden merkitys primäärienergian lähteenä • Primäärienergialla tarkoitetaan ihmiskunnan käytössä olevia energiamääriä ennen energiantuotantoa (l. muunnosta käyttökelpoiseen muotoon) Polttoaineiden osuus yhteensä 91,6 % • Lähde: International Energy Agency, 2011 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Polttoaineet • Uusiutumattomat ja uusiutuvat • Helpot (esim. öljy) ja vaikeat (esim. kivihiili) • Polttoaineen karakterisointi – Soveltuvuus tietyntyyppiseen polttoprosessiin – Soveltuvan polttoprosessin suunnittelu • Polttoaineiden käsittely Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 8 Polttoaineet • Palamislämpö – Lämpö, joka liittyy jonkin (standarditilassa olevan) polttoaineen reagointiin hapen kanssa – kJ/mol, kcal/mol tai kWh/mol • Lämpöarvo – Ilmoitetaan massayksikköä (s,l) tai tilavuusyksikköä (g) kohden – kJ/kg, kcal/kg tai kWh/kg – kJ/Nm3, kcal/Nm3 tai kWh/Nm3 – Ylempi lämpöarvo: H2O oletetaan nesteeksi – Alempi lämpöarvo: H2O oletetaan höyryksi Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 1/10 • Eksoterminen kiinteän aineen palamisreaktio • Reaktion nopeusvakio on positiivinen – Ts. korkeampi lämpötila Nopeampi reaktio • Diffuusion nopeusvakio on positiivinen – Ts. korkeampi lämpötila Nopeampi diffuusio • Reaktion nopeusvakio > Diffuusion nopeusvakio – Reaktio nopeutuu lämpötilaa nostettaessa enemmän kuin diffuusio • Tarkastellaan reaktion lämmöntuottoa, Qg, lämpötilan, T, funktiona Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 9 Lämpötilan nosto nopeuttaa reaktiota, jolloin vapautuu enemmän lämpöä. Lämpötilaa edelleen nostettaessa vapautuvan lämmön määrä kuitenkin tasautuu, koska aineensiirto (diffuusio, joka nopeutuu lämpötilaa nostettaessa reaktiota hitaammin, sekä konvektio) alkaa rajoittamaan reaktiota. Reaktiosta tulee niin nopea, että vaikka lähtöainetta syötettäisiin systeemiin koko ajan lisää, rajoittaa lähtöaineiden pääsy reaktiopaikalle reaktiota (ja siten myös siinä vapautuvan lämmön määrää). Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 2/10 Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 3/10 • Otetaan samaan tarkasteluun lämmöntuoton, Qg, lisäksi myös lämmön poistuminen polttosysteemistä, Qr – Oletetaan lämmön poistumisen tapahtuvan konvektiolla savukaasujen mukana sekä lämpöhäviöinä polttosysteemistä • Steady state -tilassa olevalle systeemille lämmöntuotannon ja lämmönpoistumisen on oltava yhtä suuret: Qg = Qr Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 10 Kuvassa kolme esimerkkitapausta lämmönpoistumiselle. Vasemmanpuolimmaisessa tilanteessa st.st. löytyy pisteestä ’a’, jossa lämpötila ja lämmöntuotto (ja lämmön poistuminen) ovat matalia. Esim. sytyttämätön hiilikasa Oikeanpuolimmaisessa tilanteessa st.st. löytyy pisteestä ’b’, jossa lämpötila ja lämmöntuotto (ja lämmön poistuminen) ovat korkeita. Esim. sytytetty polttoaine Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 4/10 Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 5/10 Keskimmäisessä tapauksessa pisteet ’c’ ja ’e’ vastaavat edellä esitettyjä pisteitä ’a’ ja ’b’. Pisteessä ’d’ Qg = Qr, mutta systeemi ei ole stabiili, koska, jos lämpötila nousee edes hetkellisesti, on seurauksena, että Qg > Qr, jolloin lämpötila jatkaa nousuaan, kunnes päädytään stabiiliin pisteeseen ’e’. Vastaavasto lämpötilan lasku johtaa siihen, että Qg < Qr, jolloin lämpötila jatkaa laskuaan, kunnes päädytään stabiiliin pisteeseen ’c’. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 11 • On yleistä, että reaktionopeus kasvaa nopeammin kuin diffuusio, kun lämpötilaa nostetaan • Voidaan erottaa alueet, joissa reaktio tai diffuusio on kokonaistapahtumaa rajoittava tekijä Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 6/10 Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 7/10 • Lämmön poistuminen (konvektiolla) riippuu polttoilman lämpötilasta, Tg – Kylmempi kaasu Suuremmat lämpöhäviöt • Tarkastellaan lämmönpoistumista ja sen vaikutusta palamiseen eri kaasun lämpötiloilla siten, että: T’’’g > T’’g > T’g Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 12 T’g: Jos poltettava materiaali on kylmää (lämpötila alle U’), päädytään pisteeseen L’ (ei syttymistä) Jos poltettava materiaali on kuumaa (lämpötila yli U’), päädytään pisteeseen H’ (syttyminen ja palaminen) T’’’g: Riippumatta poltettavan materiaalin lämpötilasta päädytään pisteeseen H’’’ (syttyminen ja palaminen) Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 8/10 Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 9/10 T’’g: Kriittinen lämpötila, joka on siis matalin mahdollinen kaasun lämpötila, jolla poltettava materiaali syttyy ’aina’ hapen/ilman kanssa kontaktiin päästessään. HUOM! Kyse ei ole absoluuttisesta materiaalikohtaisesta vakioarvosta, vaan ko. lämpötila riippuu kaikista tekijöistä, joilla on vaikutusta lämmön poistumiseen systeemistä Piste Q edustaa toista raja-arvoa: se on matalin lämpötila, jossa palaminen voidaan saada aikaan (tilanteessa, jossa Qr:n suora leikkaisi Qg:n käyrän ko. pisteessä). Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 13 Tarkastellaan vielä tilannetta, jossa hapen/ ilman lämpötilaa nostetaan T’g:stä T’’g:hen. Polttoaineen lämpötila nousee ensin Qg:n käyrää pitkin pisteestä L’ pisteeseen P ja hyppää sitten pisteeseen H’’ (syttyminen) Jos kaasun lämpötilaa nyt lasketaan, laskee polttoaineen lämpötila nyt H’’:sta Q:hun ja putoaa sitten nopeasti hyvin mataliin arvoihin (sammuminen) Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 10/10 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Teoreettinen ilmakerroin • Käytetyn hapen määrä suhteessa stökiömetriseen tarpeeseen • Lämmitysteho laskee, jos – happea on liian vähän – happea on liikaa • Täydellisen palamisen varmistamiseksi käytetään yleensä happiylimäärää: – Kaasumaiset polttoaineet (ilmapoltto): 1,05-1,07 – Öljy (ilmapoltto): 1,10-1,15 – Happipolttimilla: 1,02-1,05 Kuva: Tommi Niemi (AGA) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 14 Teoreettinen ilmakerroin • Oikean ilmakertoimen saavuttamiseksi oleellisia asioita käytännön polttoprosessissa ovat mm.: – – – – Tiivis uunirakenne (ei ilmavuotoja) Toimiva säätöjärjestelmä Poltinjärjestelmän suunnittelu Puhtaat ja kunnossaolevat polttimet Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Hapen vaikutus palamiseen • Polttoilman happipitoisuutta nostettaessa – Syttymislämpötila on alhaisempi – Palamislämpötila on korkeampi – Palaminen nopeutuu palamislämpötilan noustessa • • Reaktionopeus riippuu voimakkaasti lämpötilasta (vrt. Arrheniuksen yhtälö) Reaktionopeus kaksinkertaistuu, kun O2-pitoisuus nostetaan 21 %:sta 24 %:iin ja kymmenkertaistuu, kun O2-pitoisuus nostetaan 21 %:sta 40 %:iin – Palon sammuttaminen on vaikeampaa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 15 Hapen vaikutus palamiseen: Esimerkkinä metaanin poltto Ilma • CH4 + 2 O2 (+ x N2) = CO2 + 2 H2O (+ x N2) • Liekin maksimilämpötila eri O2/N2-suhteilla, kun happea on: Happirikastus – Stökiömetrinen määrä (Sininen) – Puolet st. tarpeesta (Punainen) – Kaksi kertaa st. tarve (Vihreä) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Hapen vaikutus palamiseen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 16 Hapen vaikutus palamiseen • Ilmakäyttöiset järjestelmät eli ilmapolttimet - ”air-fuel” • Happikäyttöiset järjestelmät eli happipolttimet - ”oxyfuel” Kuvat: Tommi Niemi (AGA) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Lisähapen tuominen palamissysteemiin Kuvat: Tommi Niemi (AGA) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 17 Esikuumennus • Polton tehokkuutta voidaan parantaa polttoilmaa esikuumentamalla • Tarpeen erityisesti ilmapolttimia käytettäessä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Liekitön happipoltto • Hapen ja polttoaineen syöttö erikseen • Sekoittuminen uunissa olevan kuuman ilman kanssa ennen palamista • Huippulämpötila on matalampi • Vähäisempi NOxien muodostuminen • Lämpö jakautuu tasaisemmin laajemmalle alueelle • Lämmitysajat lyhenevät Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 18 Liekitön happipoltto Kuvat: Tommi Niemi (AGA) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 NOxit • Palamisen ja polton yhteydessä syntyviä typen oksideja • Typellä useita mahdollisia hapetusasteita – Poltinpoltossa merkittävimmät NO ja NO2 – Leijutuspoltossa merkittävimmät N2O ja NO – Suurin osa päästöistä typpimonoksidia, joka hapettuu edelleen -dioksidiksi • Aikaansaavat mm. happamia laskeumia sekä osallistuvat saastesumun ja otsonin muodostumiseen suurkaupungeissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 19 NOxit • Syntyvät polton yhteydessä – polttoilman typen hapettuminen (poltinpoltoissa) – polttoaineen typestä (leijutus- ja poltinpoltoissa) • Muodostumiseen vaikuttavat – polttoaineen laatu – lämpötila – ilmakerroin • Suurimmat lähteet liikenne sekä lämpö- ja voimalaitosten polttoprosessit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 NOxien muodostuminen • Polttoilman typestä kolmella mekanismilla – Terminen NO • Muodostuminen hidasta alle 1400 C:ssa – Nopea NO • Nopea NO:n muodostuminen ali-ilmaisissa hiilivetyliekeissä – N2O:n kautta • • N2O voi reagoida takaisin typeksi (N2) tai NO:ksi Ei merkittävä mekanismi poltinpoltossa, mutta isompi rooli esim. dieselmoottoreissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 20 NOxien muodostuminen • Polttoilman typestä muodostuvien oksidien lisäksi on myös polttoaine-NO:a – Polttoaineissa typpeä on vähemmän kuin ilmassa, mutta se on yleensä reaktiivisempaa – NO:a muodostuu jo matalilla polttolämpötiloilla – Herkkä polttoilman ja palavan aineen väliselle stökiömetrialle • Ali-ilmaisissa olosuhteissa vähemmän NO:n muodostumista Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 NOx -päästöjen vähentäminen • Primäärimenetelmät ovat edullisempia – – – – Vältettävä happiylimäärän käyttöä Poltetaan ilman sijasta hapella (ei typpeä) Varmistettava uunin tiiveys Vältettävä (paikallisestikaan) korkeita lämpötiloja (esim. liekitön happipoltto) – Polttotekniset ratkaisut – NOxien muodostumista voidaan merkittävästi vähentää polton aikana (toisin kuin SOx) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 21 NOx -päästöjen vähentäminen • Primäärimenetelmien vaihtoehtona typen oksidien poistaminen savukaasuista sekundäärimenetelmin • Selektiivinen katalyyttinen NOx -pelkistys (SCR) on tehokkain tapa poistaa typen oksideita savukaasuista – Perustuu ammoniakin lisäämiseen savukaasuihin 250-500 ⁰C lämpötilassa – Yleisimmin käytetty katalyytti on vanadiinioksidi (V2O5) tai wolframoksidi (WO3), joka on sidottu TiO2-pohjaiseen kantajaan Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 Teeman 6 suoritus • Polttoa ja palamista käsitellään tarkemmin esitelmissä • Purkutilaisuudet: – Ma 9.11.2015 klo 10-12 – Ti 10.11.2015 klo 8-10 – Ke 11.11.2015 klo 14-16 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2015 22
© Copyright 2024