The Effect of Flashing and Spraying Conditions on Black Liquor Droplet Formation
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (monograph)
| Defence date: 2018-06-29
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
98
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 119/2018
Abstract
Pulping processes produce excessive quantities of black liquor, more than 200 Mtn/year as dry solids. It is produced during the cooking process of wood in the pulp and paper industry and is burned in recovery boilers for the recovery of chemicals and to produce energy. All new boilers use high dry solids content (DSC) black liquor for better energy efficiency, decreased SO2 emissions, and higher capacities. The high DSC black liquor spraying demands temperatures above its atmospheric boiling point. Therefore, high DSC black liquor behaves very differently compared to low DSC black liquor; the spray behavior and droplet formation are different. Understanding of black liquor spray properties is still inadequate for both liquor types. This research experimentally examines the spray properties of low and high DSC black liquors. The experiments were implemented by spraying with industrial scale splashplate nozzles in test chambers and in operating furnaces. The droplet size, size distribution, and spray velocity were measured for two of the most used nozzle types. The temperature and mass flow rate were varied in the same ranges used by pulp mills. In addition, spray velocities and black liquor sheet break-up mechanisms were studied in operating furnaces using a furnace endoscope. Mean droplet size was found to decrease when the temperature was raised at temperatures more than 10 deg C above the boiling point at a constant mass flow rate. Black liquor sheet break-up mechanisms and flashing were found to affect droplet size. In test chambers, the median droplet size was found to be between 2 mm and 5 mm for low DSC (70%) black liquor, and between 4.5 mm and 15 mm for high DSC (75–78%) black liquor. The shapes of the droplets were spherical in the case of the low DSC black liquor and mostly non-spherical in the case of the high DSC liquor. The best fit for experimental data was achieved by square-root normal and log-normal droplet size distribution functions. In furnace conditions, the median droplet size was found to be between 8 mm and 11 mm at the spray center line, but variation was larger in spray edges. The spray velocity was measured in horizontal and vertical spraying chambers, in six furnaces with two nozzle types, and through a liquor gun port when spraying along the wall. The velocity of the spray was increased due to flashing. The measured velocities were then converted to dimensionless velocities, whereas mass flow rates were converted to mass fluxes. These dimensionless velocities and mass fluxes formed a diagram called a flashing map, which is useful in velocity predictions for different nozzle sizes in varying spraying conditions. The measured values of droplet size, shape, size distribution, as well as spray velocity are important for furnace modeling. They allow for the design of effective low-emission boilers with high capacity. Boiler operators can utilize results for enhanced control of the char bed and fouling.Selluprosesseissa syntyy suuria määriä mustalipeää, yli 200 Mtn (kuiva-aine) vuodessa. Sitä tuotetaan puun keittoprosesseissa sellu- ja paperiteollisuudessa. Mustalipeää poltetaan soodakattiloissa kemikaalien palauttamiseksi takaisin kiertoon ja energian tuottamiseksi. Uusissa soodakattiloissa käytetään korkea kuiva-aineista mustalipeää korkeamman energia hyötysuhteen, alentuneiden rikkidioksidipäästöjen ja suuremman kapasiteetin takia. Korkea kuiva-aineisen mustalipeän käsittely vaatii korkeaa kiehumispisteen yläpuolella olevaa lämpötilaa. Tämän seurauksena korkea kuiva-aineinen mustalipeä käyttäytyy ruiskutettaessa ja pisaran-muodostuksessa oleellisesti eri tavalla kuin matalampi kuiva-aineinen mustalipeä. Ymmärrys sekä matala- että korkeakuiva-aineisten mustalipeiden ruiskutuksesta on riittämätöntä. Tässä tutkimuksessa selvitetään kokeellisesti sekä matala että korkea kuiva-aineisten lipeiden ruiskutusominaisuuksia. Kokeet toteutettiin teollisuusmittakaavan ruiskuilla ruiskutuskammioissa ja toimivissa tulipesissä. Pisarakoko, pisarakokojakauma ja suihkun nopeus mitattiin kahdelle teollisuudessa eniten käytetylle ruiskutyypille. Käytetyt mustalipeän lämpötilat ja massavirrat olivat soodakattiloille tyypillisillä alueilla. Lisäksi tutkittiin tulipesäendoskoopin avulla mustalipeäsuihkun nopeutta ja kalvon hajoamismekanismeja toimivissa soodakattiloissa. Keskipisarakoon havaittiin aluksi kasvavan, kun ruiskutuslämpötilaa kohotettiin kiehumispisteen yläpuolella massavirran pysyessä vakiona. Lämpötilaa edelleen kohotettaessa pisarakoko pieneni nopeasti. Pisarakoon pieneneminen aiheutui mustalipeäkalvon muuttuneesta hajoamismekanismista ja kiehumisesta. Mediaanipisarakoko oli 2-5 mm matala kuiva-aineiselle (70%) ja 4,5-15 mm korkeakuiva-aineiselle (75-78%) mustalipeälle. Pisarat olivat pyöreitä ruiskutettaessa matala kuiva-aineista lipeää ja enimmäkseen ei-pyöreitä kuiva-ainepitoisuuden ollessa korkea. Neliöjuuri-normaali- ja logaritmi-normaalijakaumat kuvasivat parhaiten kokeellisesti mitattuja pisarakokojakaumia. Tulipesäolosuhteissa mediaani pisarakoko oli 8-11 mm suihkun keskilinjalla, mutta koko vaihteli enemmän suihkun laidoilla. Suihkun nopeus mitattiin molemmille suutintyypeille ruiskutuskammiossa ja kuuden sooda-kattilan tulipesissä. Suihkun nopeus kasvoi kiehumisen johdosta. Mitatut nopeudet muunnettiin dimensiottomiksi nopeuksiksi ja massavirrat muunnettiin massavuoiksi. Dimensiottomat nopeudet ja massavuot muodostivat kiehumiskartoiksi nimettyjä diagrammeja, joita voidaan käyttää suihkun nopeuden arvioimiseen erikokoisille ruiskuille ja erilaisille ruiskutustavoille. Mitatut pisarakoot, muodot, pisarakokojakaumat sekä suihkun nopeudet ovat tärkeitä tuli-pesämallinnukselle. Niiden avulla voidaan luotettavasti suunnitella vähäpäästöisempiä, mutta samanaikaisesti suuremman kapasiteetin omaavia soodakattiloita. Soodakattilan operaattorit voivat hyödyntää tuloksia pyrkiessään hallitsemaan hiilikekoa ja kattilan likaantumista.Description
Supervising professor
Järvinen, Mika, Associate Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Miikkulainen, Pasi, Dr., Andritz Inc, USAKeywords
recovery boiler, spray, flashing, black liquor, soodakattila, pisarasuihku, paisuntakiehuminen, mustalipeä