Polttoaineen reaktiivisuuden määrittäminen kiertoleijupoltossa

Abstract

Kehitettäessä leijupolttotekniikkaa entistä ympäristöystävällisemmäksi ja tehokkaammaksi tarvitaan lisää tietoa polttoaineen käyttäytymisestä tulipesässä. Polttoaineen palamisprofiili ja reaktiivisuus vaikuttavat oleellisesti esimerkiksi voimalaitoskattilan lämmönsiirtopintojen sijoitteluun ja suunnitteluun sekä ohjausjärjestelmän toteutukseen. Varsinkin monipolttoainekattiloilla ohjausjärjestelmän toimivuus joutuu koetukselle esimerkiksi kuormanmuutostilanteissa ja äkillisissä polttoaineen syöttöhäiriöissä. Tässä työssä on aluksi tutustuttu kiertoleijupolton ilmiöihin ja niiden matemaattiseen mallintamiseen. Lisäksi esitetään katsaus eri prosessiolosuhteiden vaikutuksesta palamiseen kiertoleijuolosuhteissa. Työn tutkimusosassa kehitettiin menetelmä polttoaineen reaktiivisuuden määrittämiseksi kiertoleijupoltossa. Kehitetty menetelmä koostuu koesarjasta ja matemaattisesta simulointimallista. Koetoiminta suoritettiin VTT Energian laboratoriokokoluokan kiertoleijukoelaitteella. Koesarja polttoaineen reaktiivisuuden määrittämiseksi sisältää eri kaasukomponenttien profiilimittauksia ja dynaamisia muutoskokeita. Menetelmän avulla voidaan tutkia eri polttoaineiden reaktiivisuuksia sekä polttoaineen reaktiivisuuden ja tietyn prosessiolosuhteen välistä riippuvuutta. Suorittamalla koeajomatriisin mukaiset kokeet tietyissä prosessiolosuhteissa voidaan polttoaineen reaktiivisuus selvittää koetulosten ja simulointimallin perusteella.

Developing of more environmentally friendly and efficient fluidized bed combustion technology requires more information on behaviour of fuel particles in furnace. Fuel reactivity and dynamic behaviour affect essentially for example the design of heat transfer surfaces and control logic at power plants. The changes in load and in fuel feeding call for high requirements for control systems, especially in multiple firing boilers. Phenomena and mathematical modelling of circulating fluidized bed combustion are introduced in the beginning of this work. A review of the effects of different process conditions on circulating fluidized bed combustion is also presented. A method for determination of fuel reactivity in circulating fluidized bed combustion was developed in the research part of the thesis. The method consists of tests and a mathemtical simulating model. The tests and measurements were done with a bench scale circulting fluidized bed boiler at VTT Energy. The test program consists of measurements of different gas components and transient responses. The reactivity of different fuels and the connections between the reactivity and the process conditions can be investigated with the method. Fuel reactivity can be determined by using test results and simulating model if the tests, shown in this thesis, are carried out under specified process conditions.