Analysis of fouling in waste heat recovery boilers in cement plants
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2020-08-17
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Conversion Processes
Mcode
ENG3069
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
106+9
Series
Abstract
The cement industry produces a significant share of global CO2 emissions. One solution to cut emissions is to improve the energy efficiency of cement plants by installing a waste heat recovery (WHR) system to the gas streams exiting either a preheater tower or clinker cooler. However, it is not a very common solution yet. The challenge is the dust content in gas flows. The gas streams of a cement plant contain a considerably high concentration of dust, which can lead to intensive fouling in a WHR boiler. Fouling has a negative impact since it decreases the overall heat transfer coefficient and thus the maximum capacity of the boiler. Therefore, in this work, we concentrate on studying fouling as a phenomenon. We are interested in the characteristics of the dust and why the dust particles adhere to the heat transfer surface, hold on to it and are removed from it. On the other hand, we look for methods to mitigate fouling in the WHR boilers that are exposed to dust-laden gas streams. Furthermore, we aim to estimate the fouling resistance for a gas stream with a high share of particulate matter. To study the area, we have conducted a comprehensive literature review. We have covered the theory explaining fouling in boilers. We have also collected data about the dust in gas streams and its fouling characteristics since we particularly aim to apply the theory to WHR boilers in cement plants. We want to conduct research on examining the properties of the dust, such as the chemical composition, particle size distribution, adhesive properties, and thermal conductivity. Based on the information we have gathered, we carry out calculations, graphs and other visualizations that help to support the findings of this work. The literature review shows that fouling is dependent on particle concentration, the composition of the dust, the particle size distribution and flow velocity. The factors explain why the WHR boilers in cement plants are exposed to intensive fouling. Also, the differences in these factors support the assumption that the dust in the exhaust gases from the preheater tower causes more intensive fouling in boilers than the dust in the exhaust air from the clinker cooler, which in turn increases erosion more likely. The calculations have revealed that by estimating the critical wall shear velocity of a gas stream as a function of particle size, it is possible to predict which size of particles are more likely to be removed from the surface after an impact. Thus, the optimization of flow velocity could be one method to reduce the particle deposition rate. Other methods to mitigate fouling include selecting an efficient boiler cleaning system and improving the WHR boiler design. However, in boilers recovering waste heat from dust-laden gas streams, it can be a better solution to reduce the fouling propensity of a heat transfer surface by selecting an efficient boiler cleaning system rather than changing the structure or geometry of the tube bundles in the boiler. We have also concluded that the fouling resistance of dust-laden gas streams differs significantly from that of other combustion gases reported in the literature. However, the fouling resistance of a dust-laden gas stream cannot be accurately estimated based on the literature review. Therefore, we recommend conducting experiments on thermal conductivity and simulating dust accumulation to obtain a more reliable estimate of the fouling resistance.Sementtiteollisuus tuottaa merkittävän osan maailman hiilidioksidipäästöistä. Yksi ratkaisu, joka vähentäisi päästöjä, on sementtitehtaiden energiatehokkuuden parantaminen asentamalla lämmöntalteenottojärjestelmä (LTO) osaksi savukaasuvirtaa joko sykloniesilämmitysjärjestelmän tai klinkkerijäähdyttimen jälkeen. Tämä ratkaisu ei ole kuitenkaan vielä kovin yleinen. Haaste on pölyn määrä savukaasuissa. Sementtitehtailla savukaasujen mukana kulkeutuu huomattava määrä partikkeleita, mikä voi johtaa LTO-kattilan lämpöpintojen voimakkaaseen likaantumiseen. Likaantuminen heikentää lämmönsiirtoa ja näin ollen kattilan maksimikapasiteettia. Sen vuoksi keskitymme työssämme tutkimaan likaantumista ilmiönä. Olemme kiinnostuneita myös pölyn ominaisuuksista ja miksi pölypartikkelit kulkeutuvat lämpöpinnalle, pysyvät siinä ja irrottautuvat siitä. Toisaalta, etsimme keinoja lievittää likaantumista kattiloissa, jotka talteenottavat hukkalämpöä pölypitoisista savukaasuista. Lisäksi, pyrimme arvioimaan likaantumisvastusta. Tutkiaksemme aihealuetta olemme toteuttaneet kattavan kirjallisuuskatsauksen, jossa olemme käsitelleet kattilan likaantumisen teoriaa. Yhdistääksemme teorian käytäntöön, olemme keränneet tietoa myös pölystä ja sen ominaisuuksista, jotka auttavat selittämään likaantumista. Haluamme tutkia pölyn kemiallista koostumusta, partikkelijakaumaa, lämmönjohtavuutta sekä sen kykyä tarttua pinnoille. Kaikki työssämme esitetyt laskut, kuvaajat ja muut visualisoinnit, jotka tukevat työmme johtopäätöksiä, perustuvat kerättyyn tietoon. Kirjallisuuskatsauksen perusteella likaantuminen on riippuvainen pölyn partikkelikonsentraatiosta, koostumuksesta ja partikkelijakaumasta sekä savukaasun virtausnopeudesta. Nämä tekijät selittävät, miksi LTO-kattilat sementtitehtailla altistuvat voimakkalle likaantumiselle. Myös eroavaisuudet näissä tekijöissä auttavat ymmärtämään alkuolettamusta; olemme olettaneet, että pöly savukaasuissa sykloniesilämmitysjärjestelmän jälkeen aiheuttaa paljon voimakkaampaa likaantumista kattilassa kuin pöly jäähdytysilmassa klinkkerijäähdyttimen jälkeen, joka puolestaan todennäköisemmin aiheuttaa kattilan lämpöpinnan vakavaa kulumista. Laskut tuovat ilmi, että arvioimalla savukaasun kriittistä nopeutta partikkelikoon funktiona, on mahdollista ennustaa, minkäkokoiset partikkelit todennäköisemmin irtoavat pinnasta siihen osuessaan. Savukaasun nopeuden optimointi voisikin olla yksi keino vähentää likaantumista. Muut keinot lievittää likaantumista liittyvät tehokkaan kattilapuhdistusjärjestelmän valintaan sekä kattilan designin kehittämiseen. Kuitenkin LTO-kattiloissa, joissa likaantuminen on hyvin voimakasta, tehokas kattilapuhdistusjärjestelmä voi olla parempi keino estää likakerroksen muodostumista kuin putkipakkojen rakenteen tai geometrian muuttaminen. Olemme myös tehneet johtopäätöksen, että pölypitoisen savukaasun aiheuttama likaantumisvastus on merkittävästi korkeampi kuin muiden kirjallisuudesta löytyvien savukaasujen, mutta sitä ei voida tarkasti arvioida kirjallisuuskatsauksen perusteella. Tämän vuoksi olisi suotavaa suorittaa kokeita pölyn lämmönjohtavuuden mittaamiseksi sekä mallintaa pölypartikkeleiden kerääntymistä lämpöpinnoille, jotta saadaan luotettavampi estimaatti likaantumisvastukselle.Description
Supervisor
Vuorinen, VilleThesis advisor
Luoti, SuviKeywords
fouling, fouling resistance, waste heat recovery boiler, cement plant, dust-laden gas stream