Alkalikertymä leijupedissä käytettäessä luonnonhiekkaa ja granuloitua masuunikuonaa petimateriaaleina

Abstract

Tämä opinnäytetyö käsittelee VTT Expert Services Oy:n tutkimusta granuloidun masuunikuonan käytöstä FBC-tekniikassa. Kokeet suoritettiin Varkaudessa Savonia-ammattikorkeakoulun energiatutkimuskeskuksessa sijaitsevalla 300 kW tutkimusleijupetikattilalla.

Tutkittavia petimateriaaleja olivat luonnonhiekka, ilmajäähdytetty granuli ja vesijäähdytetty granuli. Testaukset suoritettiin kolme kertaa kukin eri petimateriaalia käyttäen. Polttoaineena kokeissa käytettiin kuoriseosta, jossa oli mukana jätevedenpuhdistamon lietettä.

Petiin kertyvät alkalit reagoivat petimateriaalin sisältävän kvartsin kanssa muodostaen partikkeleja toisiinsa liimaavan nesteen. Petiin voi myös tulla kvartsia polttoaineen sisältämän maa-aineksen mukana. Partikkelien yhdistyminen isommiksi rakeiksi eli agglomeraatio vaikuttaa petimateriaalin ominaisuuksiin muun muassa heikentämällä pedin leijuntaa ja lämmöntasauskykyä. Pitkälle edennyt agglomeraatio voi aiheuttaa pedin sintraantumisen ja leijunnan loppumisen kokonaan.

Tutkimusten tarkoituksena oli mitata petimateriaalin alkalimäärien (natrium ja kalium) kehitystä 12-tuntisen kokeen aikana. Lisäksi petimateriaalin käyttäytymistä seurattiin. Näytteenotto suoritettiin tunnin välein koejakson ajan. Lisäksi kolmen tunnin välein otettiin pohjatuhkan poiston kautta ylimääräinen näyte. Myös polttoaineesta otettiin näytteitä tunnin välein. Lisäksi päästöjä seurattiin koepolton aikana. Petimateriaalin yleistä käyttäytymistä seurattiin myös koko kokeen ajan. Polton jälkeen otettiin syklonista tuhkanäyte. Näytteet analysoitiin käyttäen XRF-tekniikkaa. Näin saatiin näytteiden alkuainepitoisuudet selvitettyä.

Masuunikuona keräsi itseensä huomattavasti vähemmän alkaleita kuin luonnonhiekka. Tämä johtuu masuunikuonan alhaisesta kvartsipitoisuudesta luonnonhiekkaan verrattuna. Polttoaineen mukana petiin kuitenkin tuli kvartsipitoista hiekkaa, joka reagoi alkaleiden kanssa muodostaen agglomeraatteja.

Tulosten perusteella laskettiin pedinvaihtotarve, jotta alkalipitoisuus pysyisi halutulla tasolla. Masuunikuona sitoo itseensä vähemmän alkaleita kuin luonnonhiekka. Näin ollen masuunikuonapedin vaihtotarve on luonnonhiekan vaihtotarvetta huomattavasti alhaisempi.

VTT Expert Services Oy studies the usage of alternative bed materials in FBC-technology. The tests were executed at the Energy Research Center of Savonia University of Applied Sciences in Varkaus.

The bed materials, which were tested, were natural sand and air- and watercooled granulated blast furnace slag. Each of the three tests were carried out by using different bed materials. The alkali-rich fuel, which was used, was bark residue with sludge.

Alkali metals tend to react with silica and form a compound which glues bed material particles together increasing their size. This phenomenon is called agglomeration of the bed material. Agglomeration deteriorates bubbling of the bed and reduces temperature equalization. If not taken into account early enough, agglomeration of the bed can lead to unscheduled shutdowns. One solution to preventing agglomeration of the bed is using bed materials with low alkali levels. Some silica-rich sand can still get in the bed with low-grade biomass fuel.

The aim of the study was to measure alkali metal levels (sodium and potassium) of the bed during a 12-hour test period. Furthermore, behavior of the bed was inspected. Bed samples were taken each hour. On top of that, every three hours an additional sample was taken by using ash removal system. Cyclone ash samples were taken after each test. Furthermore, emissions were analyzed continuously. The samples were inspected with X-ray fluorescence technology. The XRF-technology was used to determine the chemical element composition of the sample. Especially, alkali levels of the sample were important in order to determine the accumulation of the alkali levels in bed materials.

Based on the results, calculations were made to estimate bed material replacement rate in the bed to maintain low alkali levels when using alkali-rich fuel. Furthermore, some calculations were made to estimate costs of the usage of alternative bed materials.

The results were promising. Alkali levels of the blast furnace slag didn’t increase as much as those of the natural sand. When using silica-free bed materials, silica-rich sand reacted more aggressively with the alkali and formed some agglomerates. In this case, the silica-rich sand came to bed with the fuel.

Based on this study, there is no need to replace blast furnace slag bed as fast as natural sand.