Development of a secondary air calculation tool for bubbling fluidized bed boiler design
Nironen, Aaro (2022)
Diplomityö
2022
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022120769733
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022120769733
Tiivistelmä
Ever-increasing pressure to make environmentally conscious decisions has caused increased interest in biomass and waste combustion, resulting in risen demand of bubbling fluidized bed boilers. Sumitomo SHI FW is a global provider of energy systems and solutions, specializing in fluidized bed combustion units. The risen demand has in turn led to SHI FW wanting to update their BFB-related tools and guidelines.
Emission requirements and fuel choice are important factors affecting the air system design. A well-designed combustion air system helps to reach strict emission limits without the need for secondary emission removal systems. It also allows having good combustion conditions and performance even with more difficult fuels.
The main goal of this thesis was to develop an Excel-based calculation tool to dimension secondary air nozzles for BFB projects of SHI FW. The tool was simultaneously required to be simple to use while including features to support more advanced design choices. The theory of BFB boilers specializing in air systems was studied in support of the development process. One of the goals was to study the theory of nozzle jet penetration lengths to find out an improved way to evaluate them during the secondary air calculation process.
An effort was made to test 6 available penetration length correlations found in scientific literature. The inability to accurately determine suspension densities proved problematic during the study. Two of the correlations proved to be worthy of interest but validating them for use requires further evaluation. In the final calculation tool, an updated version of the old evaluation method was used. The finished calculation tool was tested, and it was successfully used during ongoing boiler proposal calculations. Kasvava paine tehdä ympäristöystävällisia ratkaisuja on lisännyt kiinnostusta biomassan ja jätteiden hyötykäyttöön energiantuotannossa, mikä on johtanut kasvaneeseen kuplapetikattiloiden kysyntään. Sumitomo SHI FW on kansainvälinen energiajärjestelmien ja ratkaisujen valmistaja, joka on erityisesti tunnettu leijupetikattiloistaan. Kysynnän kasvu on vuorostaan johtanut SHI FW:n päivittämään kuplapetikattiloiden suunnitteluun liittyviä työkalujaan.
Ilmajärjestelmän suunnitteluun vaikuttavat erityisesti käytetty polttoaine ja päästötavoitteet. Hyvin suunniteltu palamisilmajärjestelmä auttaa pääsemään päästötavotteisiin ilman kalliita lisäjärjestelmiä. Se on myös edellytys hyvän palamisen aikaansaamiseksi hankalia polttoaineita käyttäessä, ja se säästää kattilan käyttöönottoon ja säätöön kuluvaa työpanosta.
Tämän työn päätarkoitus oli kehittää Excel pohjainen kuplapetikattilan sekundääri-ilmasuutinten mitoitus- ja laskentatyökalu SHI FW:n käyttöön. Työkalulta toivottiin yksinkertaisuutta ja helppokäyttöisyyttä, mutta sen tuli myös olla kykenevä ottamaan huomioon monimutkaisempia suunnitteluvalintoja. Kuplapetikattiloiden yleistä teoriaa tutkitkittiin kehitysprosessin tueksi, ilmajärjestelmiin painottuen. Tavoitteena oli myös löytää parempi tapa sekundääri-ilmasuihkujen tunkeutuvuuden arviointiin.
Työssä testattiin kuutta tieteellisessä kirjallisuudessa saatavilla ollutta suihkun tunkeutuvuuden laskukaavaa. Ongelmia aiheuttivat vaikeudet suspensiotiheyden määrittelyssä. Tutkimuksen perusteella korrelaatioista kaksi oli kiinnostavia, mutta niiden käyttö laskentatyökalussa vaatisi lisätutkimusta. Itse laskentatyökalussa päädyttiin käyttämään aiemmin käytetyn tunkeutuvuuslaskennan paranneltua versiota. Valmis työkalu on testattu toimivaksi ja sitä käytettiin onnistuneesti uuden kattilan tarjousprosessin aikana.
Emission requirements and fuel choice are important factors affecting the air system design. A well-designed combustion air system helps to reach strict emission limits without the need for secondary emission removal systems. It also allows having good combustion conditions and performance even with more difficult fuels.
The main goal of this thesis was to develop an Excel-based calculation tool to dimension secondary air nozzles for BFB projects of SHI FW. The tool was simultaneously required to be simple to use while including features to support more advanced design choices. The theory of BFB boilers specializing in air systems was studied in support of the development process. One of the goals was to study the theory of nozzle jet penetration lengths to find out an improved way to evaluate them during the secondary air calculation process.
An effort was made to test 6 available penetration length correlations found in scientific literature. The inability to accurately determine suspension densities proved problematic during the study. Two of the correlations proved to be worthy of interest but validating them for use requires further evaluation. In the final calculation tool, an updated version of the old evaluation method was used. The finished calculation tool was tested, and it was successfully used during ongoing boiler proposal calculations.
Ilmajärjestelmän suunnitteluun vaikuttavat erityisesti käytetty polttoaine ja päästötavoitteet. Hyvin suunniteltu palamisilmajärjestelmä auttaa pääsemään päästötavotteisiin ilman kalliita lisäjärjestelmiä. Se on myös edellytys hyvän palamisen aikaansaamiseksi hankalia polttoaineita käyttäessä, ja se säästää kattilan käyttöönottoon ja säätöön kuluvaa työpanosta.
Tämän työn päätarkoitus oli kehittää Excel pohjainen kuplapetikattilan sekundääri-ilmasuutinten mitoitus- ja laskentatyökalu SHI FW:n käyttöön. Työkalulta toivottiin yksinkertaisuutta ja helppokäyttöisyyttä, mutta sen tuli myös olla kykenevä ottamaan huomioon monimutkaisempia suunnitteluvalintoja. Kuplapetikattiloiden yleistä teoriaa tutkitkittiin kehitysprosessin tueksi, ilmajärjestelmiin painottuen. Tavoitteena oli myös löytää parempi tapa sekundääri-ilmasuihkujen tunkeutuvuuden arviointiin.
Työssä testattiin kuutta tieteellisessä kirjallisuudessa saatavilla ollutta suihkun tunkeutuvuuden laskukaavaa. Ongelmia aiheuttivat vaikeudet suspensiotiheyden määrittelyssä. Tutkimuksen perusteella korrelaatioista kaksi oli kiinnostavia, mutta niiden käyttö laskentatyökalussa vaatisi lisätutkimusta. Itse laskentatyökalussa päädyttiin käyttämään aiemmin käytetyn tunkeutuvuuslaskennan paranneltua versiota. Valmis työkalu on testattu toimivaksi ja sitä käytettiin onnistuneesti uuden kattilan tarjousprosessin aikana.