Palamisen, savukaasupäästöjen ja pienhiukkasten muodostumisen mallinnus pölypoltossa : Mustan ja valkoisen pelletin vertailu Sarankulman kattilalle

Abstract

The use of fossil fuels can be replaced with renewable and cleaner biofuels such as wood pellets. Using the existing coal infrastructure for wood pellets however requires investments, since the properties of traditional wood pellets differ greatly from the properties of fossil coal. Logistical challenges also drive up the price of wood pellet energy. The properties of steam exploded black wood pellets are closer to fossil coal which is why they are better replacements for coal. In this thesis the behavior in pulverized combustion between steam exploded black pellet and traditional white pellet in Sarankulma 33 MW heat plant is compared. The combustion of the fuels is modeled using ANSYS Fluent 2019 CFD software. The combustion modeling is performed on a CFD model based on the heat plant’s boiler and the pulverized combustion between the fuels is compared using the results of the combustion modeling. The results between the fuels are compared in terms of fuel combustion, flue gas emissions and fine particle formation. The flue gas temperature distributions, the ignition of the fuels and the amount of unburned carbon in the fly ash are examined, among other things, in the fuel combustion. Flue gas emissions are modeled in terms of NOx and CO emissions. The fine particle formation includes the formation of soot and condensed alkali compounds. The chemistry of alkali compounds is modeled using ANSYS Chemkin modeling software. Since the pulverized black pellet has a smaller particle size its pyrolysis is faster. The modeling results show that compared to white pellet, black pellet combusts more powerfully, and with a hotter flame. The black pellet flame reaches approximately 100 °C higher maximum temperature. The temperatures in the early part of the flame are a few 100 °C higher for the black pellet, which implies a more powerful ignition. The combustion of black pellet also forms a few dozen percent larger NOx emissions. This is mostly due to the nitrogen compounds present in the black pellet and partly due to the higher flame temperatures. The amount of soot released is small for both fuels, but the more powerful combustion of the black pellet makes it release even less soot. The chemistry of the alkali compounds is very similar for both fuels and large differences are not noticed. The amounts of aerosols condensed from the alkali metal compounds are almost the same between the fuels.

Fossiilisten polttoaineiden käyttöä voidaan korvata uusiutuvilla ja puhtaammilla biopolttoaineilla, kuten puupelleteillä. Kivihiilelle tarkoitetun jo olemassa olevan infrastruktuurin sovittaminen puupelleteille kuitenkin vaatii investointeja, koska perinteisten puupellettien ominaisuudet eroavat suuresti fossiilisen kivihiilen ominaisuuksista. Myös logistiset haasteet kasvattavat puupellettienergian hintaa. Höyryräjäytetyt mustat puupelletit ovat ominaisuuksiltaan lähempänä fossiilista kivihiiltä, jonka takia ne ovat parempia kivihiilen korvikkeita. Tässä diplomityössä vertaillaan höyryräjäytyksellä valmistetun mustan puupelletin ja perinteisen valkoisen puupelletin käyttäytymistä pölypoltossa Sarankulman 33 MW:n pellettilämpölaitoksessa. Polttoaineiden palamista mallinnetaan käyttämällä ANSYS Fluent 2019 -virtausmallinnusohjelmaa. Palamismallinnus suoritetaan lämpölaitoksen kattilasta tehdyllä CFD-mallilla ja polttoaineiden pölypolton vertailu tehdään palamismallinnuksen tuloksia käyttäen. Polttoaineiden välisiä tuloksia vertaillaan polttoaineiden palamisen, savukaasupäästöjen ja pienhiukkasten muodostumisen osalta. Polttoaineiden palamisessa tarkastellaan muun muassa savukaasun lämpötilajakaumia, polttoaineiden syttymistä ja lentotuhkassa olevan palamattoman hiilen määrää. Savukaasupäästöjä mallinnetaan NOx:n ja CO:n osalta. Pienhiukkasten muodostumisessa tarkastellaan nokea ja kondensoituneita alkaliyhdisteitä. Alkaliyhdisteiden kemiaa mallinnetaan ANSYS Chemkin -mallinnusohjelmalla. Mustan pelletin pöly koostuu pienemmistä hiukkasista, joten sen pyrolyysi on nopeampaa. Mallinnuksen tulokset osoittavat, että musta pelletti palaa valkoista pellettiä tehokkaammin ja kuumemmalla liekillä. Liekin maksimilämpötila on mustalla pelletillä noin 100 °C suurempi. Liekin alkupäässä mustan pelletin lämpötilat ovat useita satoja asteita suuremmat, joka viittaa tehokkaampaan syttymiseen. Mustan pelletin palaessa NOx-päästöjä muodostuu muutamia kymmeniä prosentteja enemmän kuin valkoisella pelletillä. Suurempi NOx-päästöjen määrä johtuu enimmäkseen mustan pelletin polttoaineen sisältämistä typpiyhdisteistä ja myös osittain mustan pelletin liekin korkeammasta lämpötilasta. Kattilasta vapautuneen noen määrä on molemmilla polttoaineilla pieni, mutta tehokkaampi palaminen tekee mustan pelletin tapauksessa vapautuneen noen määrästä pienemmän. Alkaliyhdisteiden kemia on molemmilla polttoaineilla hyvin samanlaista ja suuria eroavaisuuksia ei havaita. Alkalimetalliyhdisteistä kondensoituneiden aerosolien määrät ovat polttoaineilla melkein samat.