Omakotitalokohtaisen mikro-CHP-laitoksen höyrykattila : Suunnittelu ja mitoitus

Abstract

Opinnäytetyö tehtiin yhteistyössä Tulevaisuuden tuotantoteknologiat (FMT) -tutkimusryhmän kanssa, joka on osa Oulun Eteläisen Instituuttia. Työssä perehdytään mikro-CHP-laitoksen höyrykattilan suunnitteluun ja mitoitukseen liittyviin tekijöihin. Työn tavoitteena on ottaa huomioon höyrykattilan pieni kokoluokka sekä sen mukana tulevat haasteet ja ongelmat.

Energiantarve ja hinta ovat olleet kasvussa usean vuosikymmenen ajan. Tämän vuoksi yhä tehokkaampien tuotantotapojen tutkiminen ja kehittäminen ovat olleet tärkeässä asemassa. Yksi energiantuotannon haasteista on haja-asutus: millainen tuotantotapa olisi mahdollisimman tehokas, vähäpäästöinen ja hinnaltaan kilpailukykyinen esimerkiksi haja-asutusalueen omakotitaloja ajatellen. Tavoitteena olisi saada omakotitaloudet mahdollisimman omavaraisiksi energiantuotannon suhteen. Mikro-CHP-laitos on hyvin pienen luokan lämmön ja sähkön yhteistuotantoyksikkö, jossa lämpöenergia tuotetaan höyrykattilan avulla ja sivutuotteena tuleva sähköenergia tuotetaan voimakoneen avulla. Tässä CHP-laitoksessa voimakoneena toimii höyrykone.

Työssä selvisi, että kyseisen mikro-CHP-laitoksen höyrykattilaksi sopisi vesiputkikattila. Se luokitellaan painelaitteeksi, jonka suunnittelussa, valmistuksessa sekä käytössä tulee noudattaa painelaitteille säädettyjä standardeja ja lakeja. Standardisarjaa SFS-EN 12952 sekä painelaitedirektiiviä 97/23/EY 1997 käytettiinkin apuna kattilan lämpö- ja lujuusteknisen mitoituksen suunnittelussa. Työssä käytiin läpi myös polttoaineet, kuten hake, sekä kiinteän polttoaineen palaminen, johon liittyi palamisilman tarpeen sekä savukaasujen määrittely. Myös palamisprosessin päästöt käytiin läpi, sillä niihin vaikuttavat lähinnä polttoaineen ominaisuudet ja polttotekniset ratkaisut.

This thesis is made in co-operation with Future Manuracturing Technologies- research group, which is part of Oulu Southern Institute. Thesis focuses on the design of micro-CHP-plant’s steam boiler. The aim of the work is take account challenges and problems, which are caused by the small size of the boiler.

Energy demand and price have been increasing for several decades. Because of that, research and development of more efficient energy production methods have played an important role. One of the challenges of energy production is sparsely populated area: what kind of production would be the most efficient, low emission and price competitive for example to single family houses. The aim would be to obtain self-sufficient energy production to single-family houses. Micro-CHP-plant is very small class of combined heat and power unit, which produces the heat in the boiler and electrical energy by the power machine. In this CHP-plant steam engine works as the power machine.

It was found that water tube boiler is suitable for micro-CHP-plant. Water tube boiler is classified as pressure equipment, which has to be designed, manufactured and operated according to standards and laws. Sets of Standards SFS-EN 12952 and the Pressure Equipment Directive 97/23/EY 1997 was used to design of boiler’s thermal and structural dimensioning. The thesis explains also fuels such as wood chips, and a solid fuel combustion which involves the definition of combustion air and flue gases. Also emissions from the combustion process are defined, because they mainly depend on fuel properties and combustion technology.