Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2014 Teema 6 - Luento 1 Poltto ja palaminen Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2014 Teema 6 - Luento 1 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Tavoite Tutustua palamiseen ilmiönä ja polttoprosessiin palamisen käytännön sovelluksena Tutustua polton ja palamisen käsitteistöön Kerrata liekin lämpötilan määrittäminen laskennallisesti Toimia johdantona teeman 6 esitelmille Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Ympäristö-vaikutukset Sovelluskohteet Metall. prosessit Energia ja lämpö Ympäristö-vaikutukset Hyödyn-täminen Tuhkat Poltto-aineet Poltto-prosessit Savu-kaasut Menetelmät Mittaukset ja analytiikka Virtaus- mallinnus Termo- dynamiikka Laite- suunnittelu Kinetiikka Ilmiöt Palamis-reaktiot Meka-nismit Tasa-painot Nopeudet Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Sisältö Palaminen Poltto Edellytykset Liekin lämpötilan määrittäminen laskennallisesti Poltto Tavoitteet Käyttökohteet (metallurgiassa) Polttoaineet Ilmakerroin Polttaminen hapella ja ilmalla; esikuumennus Liekitön happipoltto Typen oksidit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Mitä on palaminen? Kemiallinen reaktio, jossa aine (alkuaine tai yhdiste) hapettuu ja reagoi hapen kanssa HUOM! Hapettuminen on elektronien luovutusta ja voi tapahtua ilman happeakin! Palamisen tuotteena syntyy oksideja Esim. H2O, CO2, jne. (Hapettumisen tuloksena voi olla muutakin kuin oksideja; esim. ioneja (Fe2+ (aq)) tai muita yhdisteitä (MnS)) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Mitä on palaminen? Palamisessa vapautuu aina energiaa Lämpö ja valo Palamislämpö (vapautuva lämpömäärä) riippuu palavasta aineesta Palamisessa syntyvä lämpötila riippuu myös palamisnopeudesta ja lämmitettävistä aineista (esim. poltetaanko ilmalla/hapella) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Palamisen edellytykset Palamisreaktion lähtöaineet Palava aine Happi Termodynaaminen ajava voima oksidin muodostumiselle: Gf(Oksidi) < 0 Usein on; vrt. Ellinghamin diagrammi (teema 1) Kinetiikka ja reaktiomekanismi Sytytyslähde Häiriintymätön ketjureaktio Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Liekin lämpötilan (Tx) määrittäminen laskennallisesti Reaktiossa vapautuva lämpö* - Lämpöhäviöt = Palamissysteemin (’tuotteiden’) lämmittämiseen tarvittava energia * Määritetään palamislämpötilassa (T0) HR = Hf(Tuotteet) - Hf(Lähtöaineet) Lämpöhäviöt mitattu, laskettu (lämmönsiirto!) tai oletettu HLämmitys = T0Tx (Cp(’Tuotteet’))dT ’Tuotteita’ ovat myös palamissysteemin inertit aineet, mikäli ne on lämmitettävä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Liekin lämpötilan (Tx) määrittäminen laskennallisesti Reaktiossa vapautuva lämpö määritetään palamislämpötilassa, joskin HR ei yleensä muutu paljoakaan lämpötilaa muutettaessa esim.: Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Polton tavoitteet Kemiallisesti sitoutuneen energian muuttaminen lämmöksi (ja edelleen muiksi energian muodoiksi) Tehokkuus Polttotekniikoiden kehittäminen Kiertoprosessit Energian talteenotto Ympäristövaikutukset Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Polttotekniikan tutkimuskohteita 1/2 Polttoaineet ja niiden käsittely Oikea polttoaine oikeaan polttoprosessiin Tehokkuus, ympäristövaikutukset Hyötysuhde Energiantuotannossa yleisesti: Energianmuunto  Mahdollisimman suuri osa energiasta käytettävään muotoon Palamisessa: Täydellinen palaminen ja pienet lämpöhäviöt Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Polttotekniikan tutkimuskohteita 2/2 Toimintakykyiset laitteet Turvallisuus Toimintakyky Heikommat polttoaineet: Tuhka- ja kuonaongelmia? Jätteet ja päästöt Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Polton ja palamisen käyttökohteita metallurgiassa Polttimet sulatusprosesseissa Mahdollisuus korvata kalliimpia energiaraaka-aineita (koksi, sähkö) edullisemmilla (hiili, maakaasu, kierrätettävät prosessikaasut) Polttimien avulla voidaan injektoida myös muita aineita (esim. kalkki) Polttimet hehkutus- ja kuumennusuuneissa Käyttö laajamittaista Optimointi lämmönsiirron tehokkuuden ja hilseen muodostumisen näkökulmista Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Askelpalkkiuuni Outokummun Tornion tehtaalla. Kuva: Teräskirja (Metallinjalostajat ry). Askelpalkkiuuni Outokummun Tornion tehtaalla. Esikuumennusvyöhykkeelle sijoitetut happilanssaukset (20 kpl) merkitty sinisellä. Kuva: Lugnet et al. Flameless Oxyfuel slab reheating experiences. AISTech 2012 Conference. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Polttoaineet ja niiden merkitys primäärienergian lähteenä Primäärienergialla tarkoitetaan ihmiskunnan käytössä olevia energiamääriä ennen energiantuotantoa (l. muunnosta käyttökelpoiseen muotoon) Lähde: International Energy Agency, 2011 Polttoaineiden osuus yhteensä 91,6 % Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Polttoaineet Uusiutumattomat ja uusiutuvat Helpot (esim. öljy) ja vaikeat (esim. kivihiili) Polttoaineen karakterisointi Soveltuvuus tietyntyyppiseen polttoprosessiin Soveltuvan polttoprosessin suunnittelu Polttoaineiden käsittely Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Polttoaineet Palamislämpö Lämpöarvo Lämpö, joka liittyy jonkin (standarditilassa olevan) polttoaineen reagointiin hapen kanssa kJ/mol, kcal/mol tai kWh/mol Lämpöarvo Ilmoitetaan massayksikköä (s,l) tai tilavuusyksikköä (g) kohden kJ/kg, kcal/kg tai kWh/kg kJ/Nm3, kcal/Nm3 tai kWh/Nm3 Ylempi lämpöarvo: H2O oletetaan nesteeksi Alempi lämpöarvo: H2O oletetaan höyryksi Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 1/10 Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 1/10 Eksoterminen kiinteän aineen palamisreaktio Reaktion nopeusvakio on positiivinen Ts. korkeampi lämpötila  Nopeampi reaktio Diffuusion nopeusvakio on positiivinen Ts. korkeampi lämpötila  Nopeampi diffuusio Reaktion nopeusvakio > Diffuusion nopeusvakio Reaktio nopeutuu lämpötilaa nostettaessa enemmän kuin diffuusio Tarkastellaan reaktion lämmöntuottoa, Qg, lämpötilan, T, funktiona Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 2/10 Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 2/10 Lämpötilan nosto nopeuttaa reaktiota, jolloin vapautuu enemmän lämpöä. Lämpötilaa edelleen nostettaessa vapautuvan lämmön määrä kuitenkin tasautuu, koska aineensiirto (diffuusio, joka nopeutuu lämpötilaa nostettaessa reaktiota hitaammin, sekä konvektio) alkaa rajoittamaan reaktiota. Reaktiosta tulee niin nopea, että vaikka lähtöainetta syötettäisiin systeemiin koko ajan lisää, rajoittaa lähtöaineiden pääsy reaktiopaikalle reaktiota (ja siten myös siinä vapautuvan lämmön määrää). Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 3/10 Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 3/10 Otetaan samaan tarkasteluun lämmöntuoton, Qg, lisäksi myös lämmön poistuminen polttosysteemistä, Qr Oletetaan lämmön poistumisen tapahtuvan konvektiolla savukaasujen mukana sekä lämpöhäviöinä polttosysteemistä Steady state -tilassa olevalle systeemille lämmöntuotannon ja lämmönpoistumisen on oltava yhtä suuret: Qg = Qr Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 4/10 Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 4/10 Kuvassa kolme esimerkki-tapausta lämmönpoistumiselle. Vasemmanpuolimmaisessa tilanteessa st.st. löytyy pisteestä ’a’, jossa lämpötila ja lämmöntuotto (ja lämmön poistuminen) ovat matalia. Esim. sytyttämätön hiilikasa Oikeanpuolimmaisessa tilanteessa st.st. löytyy pisteestä ’b’, jossa lämpötila ja lämmöntuotto (ja lämmön poistuminen) ovat korkeita. Esim. sytytetty polttoaine Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 5/10 Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 5/10 Keskimmäisessä tapauksessa pisteet ’c’ ja ’e’ vastaavat edellä esitettyjä pisteitä ’a’ ja ’b’. Pisteessä ’d’ Qg = Qr, mutta systeemi ei ole stabiili, koska, jos lämpötila nousee edes hetkellisesti, on seurauksena, että Qg > Qr, jolloin lämpötila jatkaa nousuaan, kunnes päädytään stabiiliin pisteeseen ’e’. Vastaavasto lämpötilan lasku johtaa siihen, että Qg < Qr, jolloin lämpötila jatkaa laskuaan, kunnes päädytään stabiiliin pisteeseen ’c’. Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 6/10 Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 6/10 On yleistä, että reaktionopeus kasvaa nopeammin kuin diffuusio, kun lämpötilaa nostetaan Voidaan erottaa alueet, joissa reaktio tai diffuusio on kokonaistapahtumaa rajoittava tekijä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 7/10 Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 7/10 Lämmön poistuminen (konvektiolla) riippuu polttoilman lämpötilasta, Tg Kylmempi kaasu  Suuremmat lämpöhäviöt Tarkastellaan lämmön-poistumista ja sen vaikutusta palamiseen eri kaasun lämpötiloilla siten, että: T’’’g > T’’g > T’g Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 8/10 Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 8/10 T’g: Jos poltettava materiaali on kylmää (lämpötila alle U’), päädytään pisteeseen L’ (ei syttymistä) Jos poltettava materiaali on kuumaa (lämpötila yli U’), päädytään pisteeseen H’ (syttyminen ja palaminen) T’’’g: Riippumatta poltettavan materiaalin lämpötilasta päädytään pisteeseen H’’’ (syttyminen ja palaminen) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 9/10 Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 9/10 T’’g: Kriittinen lämpötila, joka on siis matalin mahdollinen kaasun lämpötila, jolla poltettava materiaali syttyy ’aina’ hapen/ilman kanssa kontaktiin päästessään. HUOM! Kyse ei ole absoluuttisesta materiaalikohtaisesta vakioarvosta, vaan ko. lämpötila riippuu kaikista tekijöistä, joilla on vaikutusta lämmön poistumiseen systeemistä Piste Q edustaa toista raja-arvoa: se on matalin lämpötila, jossa palaminen voidaan saada aikaan (tilanteessa, jossa Qr:n suora leikkaisi Qg:n käyrän ko. pisteessä). Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 10/10 Denbigh K (1965) Chemical reactor theory: An introduction. Cambridge University Press. 184 s. Tarkastelu siihen liittyvine kuvineen on lähteestä: Kiinteän polttoaineen palamisen lämpötarkastelu, 10/10 Tarkastellaan vielä tilannetta, jossa hapen/ ilman lämpötilaa nostetaan T’g:stä T’’g:hen.  Polttoaineen lämpötila nousee ensin Qg:n käyrää pitkin pisteestä L’ pisteeseen P ja hyppää sitten pisteeseen H’’ (syttyminen) Jos kaasun lämpötilaa nyt lasketaan, laskee polttoaineen lämpötila nyt H’’:sta Q:hun ja putoaa sitten nopeasti hyvin mataliin arvoihin (sammuminen) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Teoreettinen ilmakerroin Käytetyn hapen määrä suhteessa stökiömetriseen tarpeeseen Lämmitysteho laskee, jos happea on liian vähän happea on liikaa Täydellisen palamisen varmistamiseksi käytetään yleensä happiylimäärää: Kaasumaiset polttoaineet (ilmapoltto): 1,05-1,07 Öljy (ilmapoltto): 1,10-1,15 Happipolttimilla: 1,02-1,05 Kuva: Tommi Niemi (AGA) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Teoreettinen ilmakerroin Oikean ilmakertoimen saavuttamiseksi oleellisia asioita käytännön polttoprosessissa ovat mm.: Tiivis uunirakenne (ei ilmavuotoja) Toimiva säätöjärjestelmä Poltinjärjestelmän suunnittelu Puhtaat ja kunnossaolevat polttimet Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Hapen vaikutus palamiseen Polttoilman happipitoisuutta nostettaessa Syttymislämpötila on alhaisempi Palamislämpötila on korkeampi Palaminen nopeutuu palamislämpötilan noustessa Reaktionopeus riippuu voimakkaasti lämpötilasta (vrt. Arrheniuksen yhtälö) Reaktionopeus kaksinkertaistuu, kun O2-pitoisuus nostetaan 21 %:sta 24 %:iin ja kymmenkertaistuu, kun O2-pitoisuus nostetaan 21 %:sta 40 %:iin Palon sammuttaminen on vaikeampaa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Hapen vaikutus palamiseen: Esimerkkinä metaanin poltto Ilma CH4 + 2 O2 (+ x N2) = CO2 + 2 H2O (+ x N2) Liekin maksimilämpötila eri O2/N2-suhteilla, kun happea on: Stökiömetrinen määrä (Sininen) Puolet st. tarpeesta (Punainen) Kaksi kertaa st. tarve (Vihreä) Happirikastus Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Hapen vaikutus palamiseen Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Hapen vaikutus palamiseen Ilmakäyttöiset järjestelmät eli ilmapolttimet - ”air-fuel” Happikäyttöiset järjestelmät eli happipolttimet - ”oxyfuel” Kuvat: Tommi Niemi (AGA) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Lisähapen tuominen palamissysteemiin Kuvat: Tommi Niemi (AGA) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Esikuumennus Polton tehokkuutta voidaan parantaa polttoilmaa esikuumentamalla Tarpeen erityisesti ilmapolttimia käytettäessä Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Liekitön happipoltto Hapen ja polttoaineen syöttö erikseen Sekoittuminen uunissa olevan kuuman ilman kanssa ennen palamista Huippulämpötila on matalampi Vähäisempi NOxien muodostuminen Lämpö jakautuu tasaisemmin laajemmalle alueelle Lämmitysajat lyhenevät Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Liekitön happipoltto Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Kuvat: Tommi Niemi (AGA) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

NOxit Palamisen ja polton yhteydessä syntyviä typen oksideja Typellä useita mahdollisia hapetusasteita Poltinpoltossa merkittävimmät NO ja NO2 Leijutuspoltossa merkittävimmät N2O ja NO Suurin osa päästöistä typpimonoksidia, joka hapettuu edelleen -dioksidiksi Aikaansaavat mm. happamia laskeumia sekä osallistuvat saastesumun ja otsonin muodostumiseen suurkaupungeissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

NOxit Syntyvät polton yhteydessä Muodostumiseen vaikuttavat polttoilman typen hapettuminen (poltinpoltoissa) polttoaineen typestä (leijutus- ja poltinpoltoissa) Muodostumiseen vaikuttavat polttoaineen laatu lämpötila ilmakerroin Suurimmat lähteet liikenne sekä lämpö- ja voimalaitosten polttoprosessit Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

NOxien muodostuminen Polttoilman typestä kolmella mekanismilla Terminen NO Muodostuminen hidasta alle 1400 C:ssa Nopea NO Nopea NO:n muodostuminen ali-ilmaisissa hiilivetyliekeissä N2O:n kautta N2O voi reagoida takaisin typeksi (N2) tai NO:ksi Ei merkittävä mekanismi poltinpoltossa, mutta isompi rooli esim. dieselmoottoreissa Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

NOxien muodostuminen Polttoilman typestä muodostuvien oksidien lisäksi on myös polttoaine-NO:a Polttoaineissa typpeä on vähemmän kuin ilmassa, mutta se on yleensä reaktiivisempaa NO:a muodostuu jo matalilla polttolämpötiloilla Herkkä polttoilman ja palavan aineen väliselle stökiömetrialle Ali-ilmaisissa olosuhteissa vähemmän NO:n muodostumista Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

NOx -päästöjen vähentäminen Primäärimenetelmät ovat edullisempia Vältettävä happiylimäärän käyttöä Poltetaan ilman sijasta hapella (ei typpeä) Varmistettava uunin tiiveys Vältettävä (paikallisestikaan) korkeita lämpötiloja (esim. liekitön happipoltto) Polttotekniset ratkaisut NOxien muodostumista voidaan merkittävästi vähentää polton aikana (toisin kuin SOx) Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

NOx -päästöjen vähentäminen Primäärimenetelmien vaihtoehtona typen oksidien poistaminen savukaasuista sekundäärimenetelmin Selektiivinen katalyyttinen NOx -pelkistys (SCR) on tehokkain tapa poistaa typen oksideita savukaasuista Perustuu ammoniakin lisäämiseen savukaasuihin 250-500 ⁰C lämpötilassa Yleisimmin käytetty katalyytti on vanadiinioksidi (V2O5) tai wolframoksidi (WO3), joka on sidottu TiO2-pohjaiseen kantajaan Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014

Teeman 6 suoritus Polttoa ja palamista käsitellään tarkemmin esitelmissä Purkutilaisuudet: Ma 27.10.2014 klo 8-10 Ti 28.10.2014 klo 14-16 Ke 29.10.2014 klo 14-16 Prosessimetallurgian tutkimusryhmä Eetu-Pekka Heikkinen, 2014