Modelling slagging in a bubbling fluidized bed boiler burning biomass

摘要

Tuhkan sulaminen ja tulipesän seinille osuvien tahmeiden tuhkapartikkelien aiheuttama kuonaantuminen synnyttävät ongelmia polttoprosesseissa. Seinillä olevat kerrostumat huonontavat lämmönsiirtoa, aiheuttavat korroosiota ja voivat suuriksi kasvaessaan rajoittaa kaasun virtausta. Kerrosleijukattiloissa myös petiin putoavat suuret kuonakappaleet aiheuttavat ongelmia. Tämän työn tavoitteena on testata kirjallisuudesta poimittujen kuonaantumismallien toimivuutta käytännön sovelluksissa. Mallien avulla tutkitaan, missä höyrystimen alueella on kuonaantumisen riski ja otetaan kuonaantuminen huomioon tulipesän ja höyrypuolen välisessä lämmönsiirrossa.Työ jakaantuu kirjallisuusselvitykseen kuonaantumisesta ja siihen liittyvistä ilmiöistä sekä mallinnusosioon, jossa sovelletaan kirjallisuusselvityksen perusteella valittuja malleja ja yritetään löytää biomassan leijupolttoon sopiva kuonaantumismalli. Mallin ensimmäinen osa on seinille osuvien partikkelien tarttumismalli, jonka perusteella voi päätellä, millä alueilla tulipesässä tapahtuu kuonaantumista. Toisessa osassa tarkastellaan kuonaantumisen vaikutusta lämmönsiirtoon ja tulipesän olosuhteisiin.Mallinnus tehdään kuorta sekä kuoren ja lietteen seosta polttavalle kerrosleijukattilalle ja siinä käytetään virtauslaskentaohjelmaa FLUENT 12.1. Käytetty tarttumismalli perustuu pintaan osuvan partikkelin sisältämän tuhkan sulamisasteeseen ja partikkelin kineettiseen energiaan. Tarttumismallin mukaan kattila kuonaantuu eniten höyrystimen etu- ja takaseiniltä sekundääri-ilman korkeudelta ja sen alapuolelta. Tulipesän reunaehtoja mallinnettaessa lähdetään liikkeelle joko ennalta määrätyistä höyrystinpintojen lämpötiloista tai kuonakerroksen paksuuksista. Reunaehdot määritellään niin, että lämmönsiirto pienenee eniten alueilla, joilla kuonaantumisnopeus on suurin. Pintojen emissiviteettiä nostetaan, jotta saadaan kokonaislämmönsiirto vastaamaan todellisuutta. Tämä nostaa lämpövirran tiheyksiä puhtaammilla pinnoilla. Kuonaantumismallin käyttö nostaa kaasun lämpötiloja tulipesän alaosassa.Tutkimuksen perusteella partikkelien tarttumismalli on helppo ottaa käyttöön. Tarkempi malli kuitenkin vaatii lisää tietoa tuhkan käyttäytymisestä palamisprosessissa. Kuonaantumisen vaikutusta lämmönsiirtoon on vaikeampi mallintaa, koska kuonaantuminen on todellisuudessa aikariippuva prosessi eikä kerrostuman paksuuteen vaikuttavia tekijöitä tunneta hyvin. Jonkinlaisia approksimaatioita tilanteesta on kuitenkin mahdollista tehdä.