Agglomeration of bed material in bubbling fluidized bed boilers with challenging fuels
Honkanen, Santeri (2021)
Diplomityö
Honkanen, Santeri
2021
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021072241655
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021072241655
Tiivistelmä
In this Master’s thesis, the agglomeration in bubbling fluidized bed boiler (BFB) is studied by using experimental methods. The studied fuels are processed waste, oat shell pellet and sunflower seed shells. More knowledge about the agglomeration phenomenon is gathered by proceeding experiments with two different BFB boilers and comparing the results to the earlier findings. The first objective is to study the effect of different bed materials on agglomeration. The second objective is to try to detect the involved compounds and determine the agglomeration mechanisms. The involved compounds are detected by analyzing collected ash samples with SEM/EDX or XRF equipment. The third objective is to determine the critical alkali amounts that cause defluidization with challenging fuels. The bed material coarsening was measured by screening, and the accumulation of alkalis was determined based on fuel feeding rate and XRF results.
The critical alkali amounts were partly determined in bench-scale tests. In a small-scale boiler, the critical alkali amounts were not possible to determine when bed material was removed, and fresh bed material was added. It was concluded that in some cases, the blast-furnace slag does not reduce agglomeration compared to natural sand. In cases where molten phosphorus compounds were involved the agglomeration was faster with blast-furnace slag. It was found that high alkali content in waste did not increase the agglomeration risk because of the low amount of reactive alkali. Instead, the agglomeration was caused by impurities. Tässä diplomityössä tutkitaan petimateriaalien agglomeroitumista leijupetikattilassa haastavilla polttoaineilla. Testattuja polttoaineita on käsitelty jäte, kaurankuoripelletti ja auringonkukan siemenen kuori. Työn yhtenä tavoitteena on ymmärtää paremmin agglomeraatioon liittyviä perusilmiöitä kokeellisen tutkimuksen keinoin. Perusilmiöitä tutkitaan tekemällä testiajoja kahdella kuplapetikattilalla ja vertaamalla tuloksia aikaisempiin tutkimuksiin. Testeillä pyritään määrittämään kriittiset alkalimäärät aiheuttamalla pedin defluidisaatio ja seuraamalla alkalien kertymistä petiin. Alkalien kertymistä petiin tutkittiin massataseiden avulla ja tulkitsemalla XRF tuloksia. Toinen tavoite on tutkia masuunikuonan vaikutusta agglomeraattejen muodostumiseen ja verrata tuloksia luonnonhiekkaan ja puhtaaseen kvartsiin. Eroja havaittiin tekemällä testejä samanlaisissa olosuhteissa eri petimateriaaleilla ja vertailemalla tuloksia. Kolmas tavoite on tunnistaa agglomeroitumista aiheuttavat yhdisteet ja määrittää niiden agglomeroitumismekanismit. Agglomeroitumista aiheuttavat yhdisteet ja muodostumismekanismit pyrittiin määrittämään analysoimalla kerättyjä tuhkanäytteitä hyödyntäen SEM/EDX- tai XRF-laitteistoa.
Kriittiset alkalimäärät pedissä saatiin osittain onnistuneesti määritettyä pienen kokoluokan reaktorilla. Osassa testeissä suoritettiin petimateriaalin vaihtoa, ja kriittisiä alkalimääriä ei saatu määritettyä. Testeissä havaittiin, että masuunikuonan hyöty riippuu käytetyn polttoaineen agglomeroitumismekanismista. Esimerkiksi sulat fosforiyhdisteet aiheuttivat agglomeraation nopeammin masuunikuonalla verrattuna hiekkaan. Testien avulla saatiin määritettyä erilaisia agglomeraatiota aihuettavia yhdisteitä, ja pystyttiin tunnistamaan näiden yhdisteiden agglomeraatiomekanismit. Jätteen korkea kokonaisalkalipitoisuus ei aiheuttanaut agglomeraatiota, sillä reaktiivisten alkalien määrä oli alhainen. Jätteellä defluidisaation syy oli polttoaineessa esiintyvät epäpuhtaudet.
The critical alkali amounts were partly determined in bench-scale tests. In a small-scale boiler, the critical alkali amounts were not possible to determine when bed material was removed, and fresh bed material was added. It was concluded that in some cases, the blast-furnace slag does not reduce agglomeration compared to natural sand. In cases where molten phosphorus compounds were involved the agglomeration was faster with blast-furnace slag. It was found that high alkali content in waste did not increase the agglomeration risk because of the low amount of reactive alkali. Instead, the agglomeration was caused by impurities.
Kriittiset alkalimäärät pedissä saatiin osittain onnistuneesti määritettyä pienen kokoluokan reaktorilla. Osassa testeissä suoritettiin petimateriaalin vaihtoa, ja kriittisiä alkalimääriä ei saatu määritettyä. Testeissä havaittiin, että masuunikuonan hyöty riippuu käytetyn polttoaineen agglomeroitumismekanismista. Esimerkiksi sulat fosforiyhdisteet aiheuttivat agglomeraation nopeammin masuunikuonalla verrattuna hiekkaan. Testien avulla saatiin määritettyä erilaisia agglomeraatiota aihuettavia yhdisteitä, ja pystyttiin tunnistamaan näiden yhdisteiden agglomeraatiomekanismit. Jätteen korkea kokonaisalkalipitoisuus ei aiheuttanaut agglomeraatiota, sillä reaktiivisten alkalien määrä oli alhainen. Jätteellä defluidisaation syy oli polttoaineessa esiintyvät epäpuhtaudet.