Betonitehtaalla käytetyn kaasupolttimen mallinnus : Vastapaineen vaikutus päästöjen muodostumiseen ja liekin käyttäytymiseen
Heimola, Joonas (2023)
Heimola, Joonas
2023
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-11-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202310279197
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202310279197
Tiivistelmä
Betoni on maailmalla käytetyin rakennusmateriaali ja suurin osa käytetystä betonista on betonintuotantolaitoksilla tuotettua valmisbetonia. Betonin valmistuksen vaikutus raaka-aineiden kulutuksessa ja hiilidioksidipäästöjen muodostumisessa on hyvin merkittävä. Betonin tuotannon ja käytön kestävyyttä voidaan parantaa valmistusprosessin energian käytön tehostamisella ja tuottamalla mahdollisimman kestävää betonia, mikä vaatii sää olosuhteiden mukaan sekä veden lämmitystä että kiviaineksen jään sulattamista ja lämmitystä. Yhdistämällä veden ja kiviaineksen lämmityksen samaan lämmitysjärjestelmään voidaan tehostaa energian käyttöä ohjaamalla savukaasut veden lämmityksen jälkeen kiviainekseen. Toisaalta savukaasujen ohjaaminen kiviainekseen voi aiheuttaa suuriakin vastapaineiden vaihteluja lämmitysjärjestelmässä. Työssä tutkittiin vaihtelevan vastapaineen vaikutusta polttimen liekin käyttäytymiseen ja kaasupäästöjen muodostumiseen, jotta vastapaineen merkittävyyttä polttimen toimintaan voitaisiin arvioida ja tarvittaessa ottaa huomioon polttimen suunnittelussa.
Tämä työ on tehty betonintuotantolaitosten lämmitysratkaisuihin erikoistuneelle yritykselle. Tutkimus suoritettiin numeerisen mallinnuksen avulla, koska kokeellinen tutkimus olisi ollut hankala toteuttaa. Polttimelle tehtiin simulointi malli, joka kalibroitiin valitsemalla projekti, jonka koeajon mittaustuloksista määritettiin numeeriselle mallille reunaehtojen arvot. Numeerisen mallin alimalleja ja tuntemattomia reunaehtojen arvoja säädettiin, kunnes laskennan tulokset alkoivat vastaamaan mittaustuloksia. Tämän jälkeen mallin yleispätevyyttä arvioitiin toisen projektin mittaustulosten avulla, joista otettiin mallille reunaehtojen arvot, ja malleja muuttamatta laskennan tuloksia verrattiin mittaustuloksiin. Kun numeeriseen malliin oltiin tyytyväisiä, vastapaineen ja polttoaineen vaikutuksia liekin käyttäytymiseen ja päästöihin ruvettiin arvioimaan eri laskentatapauksilla.
Polttoaineen ollessa tiheää propaania numeerinen malli ennusti, että liekki kaartui polttokammion seiniä kohti, ja kasvava vastapaine lisäsi liekin kaartumista. Polttoaineen ollessa kevyempää metaania liekki karkasi savukaasukanavaan, mutta vastapaineen kasvu siirsi liekkirintamaa poltinta kohti. Numeerisen mallin laskemien savukaasujen päästöjen perusteella palaminen tehostui vastapaineen kasvaessa tiettyyn pisteeseen asti, jonka jälkeen vastapaineen kasvulla oli palamista huonontava vaikutus. Polttoaineen ollessa propaania ja ilmakertoimen ollessa normaalia matalampi vastapaineen nousu 80 millibaarista 450 millibaariin laski CO:n määrää 1882 ppm:stä 1043 ppm:ään. 90 % ja 80 % metaanipitoisilla maakaasuilla vastapaineen kasvu 80 millibaarista 450 millibaariin laski CO:n määrää 2428 ppm:stä 2089 ppm:ään ja 2500 ppm:stä 2283 ppm:ään edellä mainitussa järjestyksessä.
Tutkimus antoi yritykselle parempaa kuvaa polttimensa toiminnasta, sekä vaihtelevan vastapaineen ja eri polttoaineiden mahdollisista vaikutuksista polttimen liekin käyttäytymiseen ja kaasupäästöihin. Tuloksia voitiin hyödyntää polttimen mahdollisten parannusten suunnittelussa. Esimerkiksi maakaasukäytöllä polttoaineen suuttimen reikien kokoa suurentamalla voitaisiin laskea virtausnopeutta. On huomioitava, että numeerisen mallin ennustamat päästöt ovat suurempia kuin mitatut päästöt, eli vastapaineen ja polttoaineiden vaikutusten ja niiden merkittävyyttä tulisi todentaa käytännön kokeiluilla.
Tämä työ on tehty betonintuotantolaitosten lämmitysratkaisuihin erikoistuneelle yritykselle. Tutkimus suoritettiin numeerisen mallinnuksen avulla, koska kokeellinen tutkimus olisi ollut hankala toteuttaa. Polttimelle tehtiin simulointi malli, joka kalibroitiin valitsemalla projekti, jonka koeajon mittaustuloksista määritettiin numeeriselle mallille reunaehtojen arvot. Numeerisen mallin alimalleja ja tuntemattomia reunaehtojen arvoja säädettiin, kunnes laskennan tulokset alkoivat vastaamaan mittaustuloksia. Tämän jälkeen mallin yleispätevyyttä arvioitiin toisen projektin mittaustulosten avulla, joista otettiin mallille reunaehtojen arvot, ja malleja muuttamatta laskennan tuloksia verrattiin mittaustuloksiin. Kun numeeriseen malliin oltiin tyytyväisiä, vastapaineen ja polttoaineen vaikutuksia liekin käyttäytymiseen ja päästöihin ruvettiin arvioimaan eri laskentatapauksilla.
Polttoaineen ollessa tiheää propaania numeerinen malli ennusti, että liekki kaartui polttokammion seiniä kohti, ja kasvava vastapaine lisäsi liekin kaartumista. Polttoaineen ollessa kevyempää metaania liekki karkasi savukaasukanavaan, mutta vastapaineen kasvu siirsi liekkirintamaa poltinta kohti. Numeerisen mallin laskemien savukaasujen päästöjen perusteella palaminen tehostui vastapaineen kasvaessa tiettyyn pisteeseen asti, jonka jälkeen vastapaineen kasvulla oli palamista huonontava vaikutus. Polttoaineen ollessa propaania ja ilmakertoimen ollessa normaalia matalampi vastapaineen nousu 80 millibaarista 450 millibaariin laski CO:n määrää 1882 ppm:stä 1043 ppm:ään. 90 % ja 80 % metaanipitoisilla maakaasuilla vastapaineen kasvu 80 millibaarista 450 millibaariin laski CO:n määrää 2428 ppm:stä 2089 ppm:ään ja 2500 ppm:stä 2283 ppm:ään edellä mainitussa järjestyksessä.
Tutkimus antoi yritykselle parempaa kuvaa polttimensa toiminnasta, sekä vaihtelevan vastapaineen ja eri polttoaineiden mahdollisista vaikutuksista polttimen liekin käyttäytymiseen ja kaasupäästöihin. Tuloksia voitiin hyödyntää polttimen mahdollisten parannusten suunnittelussa. Esimerkiksi maakaasukäytöllä polttoaineen suuttimen reikien kokoa suurentamalla voitaisiin laskea virtausnopeutta. On huomioitava, että numeerisen mallin ennustamat päästöt ovat suurempia kuin mitatut päästöt, eli vastapaineen ja polttoaineiden vaikutusten ja niiden merkittävyyttä tulisi todentaa käytännön kokeiluilla.