PULVEROITUNEEN HIILEN UUNIT

Pulveroitua hiiltä (pulveroitu polttoaine-pf) on poltettu pyörivissä sementtiuuneissa (ks. Uunit) ja kattila-uuneissa (ks. Kattilat). Jälkimmäiset ovat periaatteessa putkilla vuorattuja laatikoita, joissa vesi haihdutetaan ja jotka sisältävät vesi-höyry-seoksen. Hiili jauhetaan hienoksi jauheeksi, yleensä siten, että 70 prosenttia hiilestä on kooltaan alle 75 μm, ennen kuin osa palamisilmavirrasta kuljetetaan polttimiin. Hiilipolttimet on yleensä asennettu yhdelle pystysuoralle seinälle, kahdelle vastakkaiselle pystysuoralle seinälle tai ne on ryhmitelty päällekkäin uunin neljään kulmaan (ks. kuva 1 ja kuva 2). Kulmapolttimet syttyvät tangentiaalisesti uuniin ja muodostavat yhden liekkipallon keskipyörteeseen. Dryden (1975) ja Lawn (1987) ovat käsitelleet muitakin malleja, esimerkiksi alaspolton käyttöä heikosti haihtuville hiilille ja polttimien käyttöä heikkolaatuisille, korkeakosteaisille hiilille.

Kaikissa tähän mennessä kuvatuissa uuneissa kuuma kuiva tuhka putoaa uunin kammion ”kuivalle pohjalle”, josta se poistetaan. Poikkeuksena tästä ovat syklonikattilat, joita on yleensä kahta tyyppiä. Pystysuuntaisessa syklonikattilassa, joka on tangentiaalisesti lämmitettävän rakenteen muunnos, suuremmat hiilihiukkaset sentrifugoidaan ulos kaasuvirrasta palamaan kammion alaosan tulenkestävästi vuoratuille seinämille, ja kuona valuu ulos ”märän pohjan” kammiosta. Toisessa sykloniuunityypissä käytetään yksittäisiä sylinterimäisiä tulenkestävästi vuorattuja kammioita, joissa hiili palaa tuottaen kuumia kaasuja, jotka poistuvat pääuuniin (ks. aiemmat viitteet).

Suurten pf-uunien polttoainesyöttö on noin 200 tonnia kivihiiltä tunnissa (500 MW:n sähkökuorman tuottamiseksi), ja tyypillisiä ovat 35 m korkuiset kammiot, joiden poikkipinta-ala on noin 300 m2. Uunin suunnittelijan on varmistettava, että liekeistä siirtyy oikea määrä lämpöä seinämäputkiin, jotta haluttu määrä vettä haihtuu ja kaasun lämpötila uunin ulostulossa on edelleen oikea. Tämä on tehtävä ilman, että liialliset paikalliset lämpövirrat vahingoittavat putkia, ja samalla on saavutettava hiilihiukkasten täydellinen palaminen. Lisäksi on otettava huomioon, että epäpuhtaudet, esimerkiksi typen oksidit, on pidettävä mahdollisimman vähäisinä.

Yksi hiiliuunien erityisongelmista on tuhkan tai kuonan kertyminen uunin seinämiin, mikä johtaa lämpötilan ja emissiivisyyden muutoksiin. Raask (1985) on käsitellyt pitkään tuhkan ja kuonan kerrostumista uunin seinämille ja kattilakerrostumien lämmönsiirto-ominaisuuksia. Hän kuvaa myös toimenpiteitä kattiloiden likaantumisen torjumiseksi (esim. hiilen puhdistus ja sekoittaminen, nokipuhaltimien ja vesisuihkujen asentaminen). Godridge ja Read (1976) ovat raportoineet tietoja palamishyötysuhteesta (tyypillisesti yli 98 %), uunin ulostulokaasun lämpötiloista, jotka vaihtelevat noin 1300 K:n ja 1600 K:n välillä, ja mitatuista lämpövirroista, jotka voivat nousta jopa noin 320 KWm-2:een (noenpuhalluksen jälkeen noin 10 %:lla) suurissa pf-polttoainetta käyttävissä laitoksissa.

Uunien suunnittelijat käyttävät fysikaalisia ja / tai matemaattisia malleja (ks. uunit). Jälkimmäisissä käytetään joko lämpötasapainoja tai laskennallista virtausdynamiikkaa (Computational Fluid Dynamics, CFD). Ensin mainitussa menetelmässä uuni jaetaan alueisiin tai vyöhykkeisiin, ks. Hottel ja Sarofim (1967) ja Field et al. (1967), ja Cooper ja Gibb (1984) ovat kuvailleet erityissovelluksen pf-polttoiseen uuniin, jossa käytetään myös fysikaalista mallia massansiirtotietojen saamiseksi. CFD-menetelmä perustuu impulssi-, entalpia- ja lajien säilymisyhtälöiden äärelliseen differenssiratkaisuun. Menetelmän soveltamisesta hiiltä polttaviin syklonipolttimiin on raportoinut Boyson et al. (1986).

Kuva 2. Seinäputket ja polttimen aukot rakenteilla olevassa PF-polttoisessa vesiputkikattila-uunissa. (Jäljennetty PowerGenin luvalla.)