Fuel mixture effect on biomass based power plants operation

Abstract

This thesis is made to UPM Energy for FUSEC (Future Fuels for Sustainable Energy Conversion) project of Tekes and the aim of this thesis is to increase knowledge and gather information about the properties of critical solid fuels and fuel mixtures, to find out the problems caused by biomass power plants, especially bubbling fluidized bed (BFB) boilers, and to find correlations between fuels and failures. These problems affect the availability of the power plant and maintenance costs, so the thesis also aims to create a procedure tools for continuous benchmarking and managing these problems. Legal obligations, as well as climate change caused pressures to increase the use of biomass based fuels in combustion plants. Fuels become more difficult and demanding, so finding correlations between fuels and the problems is justified. Knowledge of composition and characteristics of the fuel mixture are an important part of the controlling of the problems of boilers. The work is divided into theoretical and practical parts. In the theoretical part are introduced characteristics of the fuels and the combustion process, combustion technologies and problems in the combustion process. The sources of the theory have been used in the literature, field studies, as well as the knowledge and experience from power plants and experts. The practical part is divided into two parts. In the first part, the tool has been created, which can be estimated due to the problems of fuels incidence. The second part of has been studied in four different BFB boilers of UPM and fuels used in them. It was the aim to find explanations between used fuels and observed problems with the analysis of the given fuel data. The result of the analysis showed that the systematic gathering of fuel data played a key role in detecting problems. In order to detect problems, must fractions of fuel, the fuel mixture and mixture ratios know well. The estimation tool of the properties of the fuel mixture and the problems will help with this issue. On the grounds of fuel data from power plants was plotted graphs, which support the data of the characteristics of the fuel fractions. Between of used fuels and the problems, the graphs did not found clear correlations, because the problems are complex and due to many different reasons. The fuel data from the power plants was also partially incomplete and variety, so deep analysis was challenging to make. As further actions, I propose a systematic fuel data collection on a monthly basis, as well as the survey of potential of real-time measurement systems. After better fuel data receiving, can be gone deeply into the correlations between fuels and the failures.

Tämä diplomityö on tehty UPM Energialle Tekesin FUSEC (Future Fuels for Sustainable Energy Conversion) projektin puitteissa ja tavoitteena on lisätä tietoutta polttoaineiden ominaisuuksista, kerätä tietoa kriittisistä polttoaineista sekä niiden vaikutuksista kerrosleijukattiloiden (BFB) ongelmiin etsimällä korrelaatioita polttoaineiden ja ongelmien välille. Nämä ongelmat heijastuvat suoraan kattiloiden käytettävyyteen ja sitä kautta kustannuksiin. Työn tavoitteena on myös luoda työkaluja ongelmien arviointiin ja hallintaan. Lakisääteiset velvoitteet sekä ilmastonmuutoksen aiheuttamat paineet kasvattavat biopohjaisten polttoaineiden käyttöä polttolaitoksissa. Polttoaineet muuttuvat vaikeammiksi ja vaativammiksi, joten syy-seuraussuhteiden löytäminen polttoaineiden ja ongelmien välille on perusteltua. Polttoaineseoksen koostumuksen ja ominaisuuksien tunteminen on tärkeä osa kattilaongelmien hallinnassa. Työ on jaettu teoria- sekä käytännön osaan. Teoriaosassa tutustutaan polttoaineiden ja polttoprosessin ominaisuuksiin, polttotekniikkaan ja poltosta aiheutuviin ongelmiin. Lähteinä teoriaosalle on käytetty kirjallisuutta, alan tutkimuksia sekä yrityksen sisältä saatuja tietoja ja kokemuksia. Käytännön osa jakautuu kahteen osaan. Ensimmäisessä osassa on luotu työkalu, jolla voidaan arvioida polttoaineseoksen aiheuttamia ongelmia. Toisessa osassa on tutkittu yrityksen neljää eri BFB-kattilaa ja niissä käytettyjä polttoaineita. Tarkoituksena oli löytää korrelaatioita käytettyjen polttoaineiden ja havaittujen ongelmien välille analysoinnin avulla. Analysoinnin tuloksena havaittiin, että polttoainetietojen järjestelmällinen kerääminen on avain asemassa ongelmien havaitsemisessa. Jotta ongelmia voidaan havaita, polttoainejakeet, seos ja seossuhteet täytyy tuntea hyvin. Polttoaineseoksen ominaisuuksien ja niistä aiheutuvien ongelmien arviointityökalu edes auttaa tässä ongelmassa. Laitoksilta saadun polttoainedatan perusteella tehtiin kuvaajia, jotka tukevat tietoja kyseisten polttoainejakeiden ominaisuuksista. Käytettyjen polttoainemäärien ja ongelmien välille ei kuvaajien avulla löytynyt selviä korrelaatioita, sillä ongelmat ovat monitahoisia ja johtuvat monista eri syistä. Laitoksilta saatu polttoainedata oli myös osittain puutteellista, joten syvällisiä analysointeja oli haastava tehdä. Jatkotoimenpiteinä ehdotan järjestelmällistä polttoainedatan keräämistä kuukausittain sekä mahdollisten reaaliaikaisten mittausjärjestelmien kartoittamista. Tarkemman polttoainedatan saamisen jälkeen voidaan syventyä polttoaineiden ja ongelmien välisiin riippuvuuksiin.