Erosion and gas-particle flow on fluidized bed boiler convective section

Abstract

Ash particles suspended on the flue gas stream can inflict serious wearing damage for the heat exchangers of a power boiler. The ash particles are formed from incombustible minerals that pass into the boiler with the fuel. Fused ash particles are pneumatically conveyed form the furnace with flue gas into convection passes of the boiler causing erosive wearing upon the impact on the surfaces.

Computational fluid dynamics based approach was taken to study the flow phenomena taking place in the boiler. The approach allows the visualization of gas flows in such a way that it is possible to recognize the location, where erosive wearing could appear. This CFD -based approach can also provide a numerical estimation of the magnitude of wearing by using the flow field conditions directly. Literature covering the special wearing mechanism taking place in a boiler was reviewed and summarized as a tool box that can be used for evaluating wearing of a boiler unit.

One of the goals of this thesis was to recognise if additional wearing protection should be used in heat exchangers situated in the convection passes, especially for protecting the tube bends. The results of simulations indicated, that if the flow contained particles with a high Stokes number (>40), steps for protecting the wall region should be taken. New concept designs for the second pass hopper and the guiding vanes of third pass were also suggested to protect the economizers by collecting or dispersing the largest particles.

Flow simulation based approach was found feasible for evaluating erosive wearing in a power boiler, although further work is needed to validate the results of the simulation physics. The methodology of simulating a large boiler unit in smaller pieces and coupling the simulations together was found to be a good approach for the modelling of full-sized boiler, which could not be done in a single simulation. Full-sized simulation of the boiler is required for the correct description of the gas-particle flow, which might be misplaced, if the slicing approach of the boiler domain is taken.

Voimakattilan savukaasuvirran kuljettama lentotuhka voi aiheuttaa kattilan nopeaa kulumista kattilan toisen ja kolmannen vedon lämmönsiirtimissä. Kattilan lentotuhkan muodostavat pääasiassa kattilan polttoaineen palamattomat mineraalit.

Työssä käytettiin lentotuhkan aiheuttaman kulumisen tarkasteluun virtaussimulointia, jonka avulla oli mahdollista visualisoida kattilan virtausilmiöt ja tunnistaa ne kohteet, joissa kattilan eroosiota voi ilmetä, sekä arvioida kuinka suurta kulumista kattilassa voi mahdollisesti esiintyä. Tarkastelun alaiseksi työssä pääsivät myös kattilaympäristössä syntyvät erityiset kulumismekanismit, jotka tiivistettiin kokoelmaksi keinoja arvioida kattilan mahdollista kulumista.

Tämän työn yksi päätarkoituksista oli arvioida kattilan eroosiosuojauksen tarvetta kattilan vaakaputkilämmönsiirtimien putkikäyrille ja simulaatio tulosten perusteella suojauksen toteuttaminen havaittiin tarpeelliseksi. Suojaukselle on kuitenkin tarvetta vain, jos savukaasuvirtauksen sisältämän lentotuhkan Stokesin numero on suuri, kokoluokaltaan noin 40 tai suurempi. Kulumisen arvioinnin lisäksi diplomityössä tehtiin konseptisuunnittelua kattilan toisen vedon tuhkasuppiloille ja kolmannen vedon ohjaussiiville, jotta savukaasun sisältämää tuhkaa voitaisiin vähentää ja dispergoida tasaisemmaksi savukaasuvirtaan kattilan esilämmittimien suojelemiseksi.

Virtaussimuloinnin tarjoamat mahdollisuudet havaittiin yhdeksi mahdolliseksi keinoksi arvioida kattilan esiintyviä kulumisen ilmiöitä. Laskennallisia tuloksia ei kuitenkaan tulisi käyttää ilman näiden kokeellista varmentamista. Kattilan simulointia lähestyttiin jakamalla kattila pienempiin täysimittaisiin osiin, joista simulointitulokset siirrettiin toisen simulaation lähtöarvoksi täten muodostaen kokonaisen kattilasimulaation. Kaasu-partikkeli – virtausten simulointi täysimittaisessa kattilassa havaittiin tärkeäksi ilmiön kannalta, koska partikkelivirtaukset esiintyvät kattilan koko leveydellä.