Spectral methods in biomass boiler environment
Joensuu, Aarni (2019)
Joensuu, Aarni
2019
Biotekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Bioengineering
Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunta - Faculty of Medicine and Health Technology
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2019-08-29
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201907022393
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-201907022393
Tiivistelmä
In this Master of Science thesis, the possibilities granted by spectral methods were studied in a power boiler environment. The operational principles of one power boiler type, the bubbling fluidized bed boiler, are explained. Different methods for spectral analysis are examined, and their suitability for power boiler environment are evaluated. The aim of this thesis was to find at least one spectral measurement method that would yield better results than an ordinary camera in a power boiler environment.
The thesis is divided into theoretical and measurement sections. In the theoretical part, power boiler operation and the behavior of radiation are scrutinized more closely, and additionally different spectral methods are examined, which could yield remotely sensed information. One spectral method was chosen for conducting the measurements, and the measurements, results, and analysis are presented in the measurement section.
Biomass boilers are an effective and environmentally friendly way of producing energy from various fuels. Many types of wastes can be combusted to extract energy that could otherwise be left unused. Different fuels have different effects on the boiler, and some are more harmful than others.
Biomass fuels contain a lot of potassium, and varying amounts of other elements that can potentially be harmful to the boiler itself. Potassium and sodium can form salts with chlorine, which is also present in biomass. These salts cause corrosion to the inner lining of the boiler over time. These low melting-point salts also cause sintering and form solid clumps in the bed material that hamper the combustion process and can lead to an unplanned stoppage at worst. This is expensive to the power production company.
Compounds formed by these harmful elements are removed from the boiler furnace as fly-ash or along with other material as bottom ash. By imaging the ash, indications about the condition of the boiler and the amount of accumulated elements may be retrieved.
Several spectral measurement methods are reviewed in this thesis, evaluating their suitability for evaluating boiler conditions. The spectra of these methods range from X-rays to infrared. Some of them are image rendering methods and others are point-scan type. Two different hyper-spectral cameras with different imaging wavelength regions in the infrared spectrum were chosen as the measurement devices. One of the cameras operates in the near-infrared spectrum and the other in the mid-wavelength infrared spectrum.
The imaging results were analyzed using multiple different spectral analysis methods, each of which yielded different results. The camera operating in the near-infrared spectrum was partially blocked by the carbon content in the bottom ash, whereas the mid-wavelength infrared camera was able to operate well despite the carbon. Even with this hindrance, the near-infrared camera was useful in imaging some parts of the power boiler environment. Tässä diplomityössä tutkittiin spektrimenetelmien tuomia mahdollisuuksia voimakattilaympäristössä. Työssä esitellään yhden voimakattilatyypin, leijukerroskattilan, toimintaperiaatteet sekä tarkastellaan erilaisia spektrianalyysin mahdollistavia menetelmiä, ja niiden soveltuvuutta voimakattilalaitokseen. Työn tavoitteena oli eri spektrimenetelmiä tutkimalla löytää ainakin yksi menetelmä, jonka kokeileminen voimakattilaympäristössä tuottaisi parempia tuloksia kuin tavallinen kamera.
Työ jakaantuu teoria- ja mittausosioihin. Teoriaosassa esitellään voimakattilan toimintaa ja säteilyn käyttäytymistä, sekä tarkastellaan erilaisia spektrimenetelmiä, joilla on mahdollista saada etäluettavaa informaatiota. Mittausosassa kuvataan kokeiluun valittu spektrimenetelmä, ja esitellään sekä analysoidaan sen tuottamia tuloksia.
Biomassanpolttokattilat ovat tehokas ja ympäristöystävällinen tapa tuottaa energiaa eri tyyppisistä polttoaineista. Monenlaisia jätteitä voidaan polttaa energiaksi, joka saattaisi muutoin jäädä kokonaan tuottamatta. Eri polttoaineilla on erilaisia vaikutuksia kattilaan, ja jotkut ovat haitallisempia kuin toiset.
Biomassapohjaiset polttoaineet sisältävät runsaasti kaliumia ja vaihtelevia määriä muita alkuaineita, jotka voivat mahdollisesti haitata kattilan toimintaa. Kalium ja natrium muodostavat kloorin kanssa suoloja, jotka aiheuttavat ajan mittaan korroosiota kattilan sisäpinnoille. Nämä matalan sulamispisteen suolat aiheuttavat myös sintrausta, kerryttäen kiinteitä kasaumia petimateriaaliin. Nämä kasaumat haittaavat palamisprosessia ja saattavat pahimmillaan johtaa voimalaitoksen suunnittelemattomaan seisakkiin, joka on energiaa tuottavalle yhtiölle kallista.
Haitallisten alkuaineiden muodostamat yhdisteet poistuvat kattilan tulipesästä lentotuhkana tai pohjatuhkan mukana. Pohjatuhkaa kuvaamalla voidaan mahdollisesti saada tietoa kattilan tilasta ja kertyneiden alkuaineiden määrästä.
Työssä käydään läpi useita spektrimenetelmiä ja arvioidaan niiden soveltuvuutta kattilan tilan määrittämiseen. Näiden menetelmien spektrit kattavat aallonpituusalueita röntgensäteistä infrapunaan. Osa menetelmistä on kuvantavia ja osa pistemäisen mittauksen sovelluksia. Kaksi erilaista hyperspektrikameraa valittiin mittauslaitteiksi. Kameroiden kuvaamat aallonpituusalueet si-joittuvat infrapunaspektrin eri kohtiin. Toinen kameroista toimii lähi-infrapuna-alueella ja toinen keskiaaltoisen infrapunasäteilyn alueella.
Kuvantamisen tuloksia analysoitiin usealla eri spektrianalyysimenetelmällä, joista jokainen tuotti erilaisia tuloksia. Lähi-infrapuna-alueella toimivan kameran toimintaa haittasi osin kuvattavien kohteiden hiilipitoisuus, kun taas keskiaaltoisen infrapunasäteilyn alueella kuvantava kamera kykeni toimimaan hyvin hiilestä huolimatta. Tästä haittapuolesta huolimatta lähi-infrapunakamera oli hyödyllinen joissain voimakattilaympäristön osissa.
The thesis is divided into theoretical and measurement sections. In the theoretical part, power boiler operation and the behavior of radiation are scrutinized more closely, and additionally different spectral methods are examined, which could yield remotely sensed information. One spectral method was chosen for conducting the measurements, and the measurements, results, and analysis are presented in the measurement section.
Biomass boilers are an effective and environmentally friendly way of producing energy from various fuels. Many types of wastes can be combusted to extract energy that could otherwise be left unused. Different fuels have different effects on the boiler, and some are more harmful than others.
Biomass fuels contain a lot of potassium, and varying amounts of other elements that can potentially be harmful to the boiler itself. Potassium and sodium can form salts with chlorine, which is also present in biomass. These salts cause corrosion to the inner lining of the boiler over time. These low melting-point salts also cause sintering and form solid clumps in the bed material that hamper the combustion process and can lead to an unplanned stoppage at worst. This is expensive to the power production company.
Compounds formed by these harmful elements are removed from the boiler furnace as fly-ash or along with other material as bottom ash. By imaging the ash, indications about the condition of the boiler and the amount of accumulated elements may be retrieved.
Several spectral measurement methods are reviewed in this thesis, evaluating their suitability for evaluating boiler conditions. The spectra of these methods range from X-rays to infrared. Some of them are image rendering methods and others are point-scan type. Two different hyper-spectral cameras with different imaging wavelength regions in the infrared spectrum were chosen as the measurement devices. One of the cameras operates in the near-infrared spectrum and the other in the mid-wavelength infrared spectrum.
The imaging results were analyzed using multiple different spectral analysis methods, each of which yielded different results. The camera operating in the near-infrared spectrum was partially blocked by the carbon content in the bottom ash, whereas the mid-wavelength infrared camera was able to operate well despite the carbon. Even with this hindrance, the near-infrared camera was useful in imaging some parts of the power boiler environment.
Työ jakaantuu teoria- ja mittausosioihin. Teoriaosassa esitellään voimakattilan toimintaa ja säteilyn käyttäytymistä, sekä tarkastellaan erilaisia spektrimenetelmiä, joilla on mahdollista saada etäluettavaa informaatiota. Mittausosassa kuvataan kokeiluun valittu spektrimenetelmä, ja esitellään sekä analysoidaan sen tuottamia tuloksia.
Biomassanpolttokattilat ovat tehokas ja ympäristöystävällinen tapa tuottaa energiaa eri tyyppisistä polttoaineista. Monenlaisia jätteitä voidaan polttaa energiaksi, joka saattaisi muutoin jäädä kokonaan tuottamatta. Eri polttoaineilla on erilaisia vaikutuksia kattilaan, ja jotkut ovat haitallisempia kuin toiset.
Biomassapohjaiset polttoaineet sisältävät runsaasti kaliumia ja vaihtelevia määriä muita alkuaineita, jotka voivat mahdollisesti haitata kattilan toimintaa. Kalium ja natrium muodostavat kloorin kanssa suoloja, jotka aiheuttavat ajan mittaan korroosiota kattilan sisäpinnoille. Nämä matalan sulamispisteen suolat aiheuttavat myös sintrausta, kerryttäen kiinteitä kasaumia petimateriaaliin. Nämä kasaumat haittaavat palamisprosessia ja saattavat pahimmillaan johtaa voimalaitoksen suunnittelemattomaan seisakkiin, joka on energiaa tuottavalle yhtiölle kallista.
Haitallisten alkuaineiden muodostamat yhdisteet poistuvat kattilan tulipesästä lentotuhkana tai pohjatuhkan mukana. Pohjatuhkaa kuvaamalla voidaan mahdollisesti saada tietoa kattilan tilasta ja kertyneiden alkuaineiden määrästä.
Työssä käydään läpi useita spektrimenetelmiä ja arvioidaan niiden soveltuvuutta kattilan tilan määrittämiseen. Näiden menetelmien spektrit kattavat aallonpituusalueita röntgensäteistä infrapunaan. Osa menetelmistä on kuvantavia ja osa pistemäisen mittauksen sovelluksia. Kaksi erilaista hyperspektrikameraa valittiin mittauslaitteiksi. Kameroiden kuvaamat aallonpituusalueet si-joittuvat infrapunaspektrin eri kohtiin. Toinen kameroista toimii lähi-infrapuna-alueella ja toinen keskiaaltoisen infrapunasäteilyn alueella.
Kuvantamisen tuloksia analysoitiin usealla eri spektrianalyysimenetelmällä, joista jokainen tuotti erilaisia tuloksia. Lähi-infrapuna-alueella toimivan kameran toimintaa haittasi osin kuvattavien kohteiden hiilipitoisuus, kun taas keskiaaltoisen infrapunasäteilyn alueella kuvantava kamera kykeni toimimaan hyvin hiilestä huolimatta. Tästä haittapuolesta huolimatta lähi-infrapunakamera oli hyödyllinen joissain voimakattilaympäristön osissa.