Particle formation, deposition, and particle induced corrosion in large-scale medium-speed diesel engines

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2006-04-28
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
72, [123]
Series
VTT publications, 598
Abstract
The objective of this work was to study the formation of particles and their morphology and chemical composition in large-scale diesel engines operating with low-grade residual fuel oils. The effect of a Mg-based fuel oil additive on exhaust gas particles was also investigated. As particle and deposit formation and characteristics play an important role in corrosion and erosion, the particle characterisation studies provided the necessary background information. The mass size distributions from the large-scale diesel engines were bimodal, with a main ("small") mode at 60–90 nm and a "large" mode at 7–10 µm. The small mode particles were formed by the nucleation of volatilised fuel oil ash species, which grew further by condensation and agglomeration. The large-mode particles were mainly agglomerates of different sizes consisting of small particles. These particles were re-entrained from deposits and fuel residue particles of different sizes. Deposition and corrosion studies on the surfaces of the Nimonic 80 A sample slabs were carried out on a laboratory-scale with a newly set-up deposition-corrosion apparatus (DCA). A zone of "black islands" (15–33 wt. % S, the rest mainly Cr, Ni, and Ti) was found on the samples with SO2(g) and synthetic ash particle (SAP) feeds. The composition of these islands suggested that they were composed of a "mixed"-type sulphide ((Cr, Ti, Ni)Sx). As there was hardly any O available in this bottom layer, the "black islands" were formed by internal sulphidation. A similar zone of sulphur-containing "black islands" was found on an exhaust valve from a field endurance test. However, based on calculations of thermodynamical stability diagrams the formation of the nickel chromates and sulphates (e.g. type II hot corrosion) can not be entirely ruled out without further investigation with help of, e.g. XPS, XRD, from the corrosion pit and the area underneath it.

Tässä työssä tutkittiin suurissa dieselmoottoreissa muodostuvia tuhkahiukkasia, niiden morfologiaa ja kemiallista koostumusta käytettäessä paljon tuhkaa (> 0,1 p.-%) sisältäviä jäännöspolttoaineita. Lisäksi tarkasteltiin Mg-pohjaisen lisäaineen vaikutusta tuhkahiukkasten muodostumiseen. Hiukkastutkimus loi myös välttämättömän pohjan hiukkasten deposoitumisen aiheuttamalle eroosio- ja korroosiotutkimukselle. Suurten dieselmoottoreiden hiukkasmassakokojakaumat olivat kaksihuippuisia: päähuippu (pienet hiukkaset) oli 60-90 nm ja pieni huippu (isot hiukkaset) 7-10 µm kokoisissa hiukkasissa. Pienet hiukkaset muodostuivat polttoaineen haihtuvien tuhkaosaslajien ydintyessä, ja ne kasvoivat tiivistymällä ja liittymällä yhteen. Suuret hiukkaset koostuivat pääasiassa pienten hiukkasten muodostamista, erikokoisista yhteenliittyneistä hiukkasista. Nämä hiukkaset olivat depositioista irronneita ja/tai polttoainejäämistä muodostuneita hiukkasia. Depositio- ja korroosiokokeet tehtiin itse suunnitellulla laboratoriomittakaavan depositio-korroosiolaitteistolla (DCA). Nimonic 80 A -materiaalin koekappaleissa havaittiin "mustia saarekkeita" (15-33 p.-% S, loput pääosin Cr, Ni, ja Ti) käytettäessä SO2(g)-kaasua ja mallituhkahiukkasia (SAP) syöttönä. Näiden saarekkeiden koostumus viittasi niiden muodostavan "sekasulfidin" ((Cr, Ti, Ni)Sx). Koska pohjakerroksessa hapen määrä oli hyvin alhainen, saarekkeet muodostuivat sisäisellä sulfidoinnilla. Samanlainen rikkipitoinen, "mustista saarekkeista" muodostuva vyöhyke havaittiin kenttäkokeesta analysoidusta pakoventtiilistä. Kuitenkin termodynaamisten tasapainostabiilisuusdiagrammien perusteella nikkelikromaattien ja -sulfaattien (eli tyypin II kuumakorroosio) muodostumista ei täysin voi sulkea pois ilman lisätutkimuksia esim. XPS:n ja XRD:n avulla.
Description
Keywords
particles, particle formation, particle emissions, deposition, corrosion, internal combustion engines, medium-speed diesel engines, large-scale diesel engines, particle characteristics, laboratory-scale studies
Other note
Parts
  • Lyyränen, J., Jokiniemi, J., Kauppinen, E. I. K., Backman, U., and Vesala, H. (2004) Comparison of different dilution methods for measuring diesel particle emissions. Aerosol Science and Technology 38, 12-23.
  • Lyyränen, J., Jokiniemi, J., Kauppinen, E. I. K., and Joutsensaari, J. (1999) Aerosol characterisation in medium-speed diesel engines operating with heavy fuel oils. Journal of Aerosol Science 30, 771-784.
  • Lyyränen, J., Jokiniemi, J., and Kauppinen, E. I. K. (2002) The effect of Mg-based additive on aerosol characteristics in medium-speed diesel engines operating with residual fuel oils. Journal of Aerosol Science 33, 967-981.
  • Jokiniemi, J. K., Pyykönen, J., Lyyränen, J., Mikkanen, P., and Kauppinen, E. (1996) Modelling ash deposition during the combustion of low-grade fuels. In: Baxter, L., and DeSollar, R. (editors), Applications of Advanced Technology to Ash-Related Problems in Boilers. New York, Plenum Press, pp. 591-615.
  • Lyyränen, J., Jokiniemi, J., Kauppinen, E. I. K., and Silvonen, A. (2004) Corrosion studies with a new laboratory-scale system simulating large-scale diesel engines operating with residual fuels: Part II. Particle and deposit characteristics. Fuel Processing Technology 86, 329-352.
  • Lyyränen, J., Jokiniemi, J., Kauppinen, E. I. K., and Silvonen, A. (2004) Corrosion studies with a new laboratory-scale system simulating large-scale diesel engines operating with residual fuels: Part I. Corrosion of Nimonic 80 A samples. Fuel Processing Technology 86, 353-373.
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-006395