Mitä polttolaitosten tuhkakerrostumien sisällä tapahtuu?
Palamisen yhteydessä syntyvä tuhka voi aiheuttaa ongelmia lämmön- ja sähköntuotantolaitoksissa. Artikkeli valottaa, miten matemaattinen mallinnus voi auttaa ymmärtämään tuhkakerrostumien käyttäytymiseen liittyviä kemiallisia yksityiskohtia.
Johdanto
Tuhka on palamisen yhteydessä syntyvä jäännös, joka koostuu pääosin epäorgaanisesta aineesta. Tuhkan koostumus vaihtelee suuresti riippuen mitä ainetta poltetaan. Esimerkiksi koivupuun tuhka sisältää pääasiassa kalsiumia (Ca), kaliumia (K), alumiinia (Al) ja rautaa (Fe)1, kun taas yhdyskuntajätteestä syntyvä tuhka voi näiden lisäksi pitää sisällään suuria määriä klooria (Cl), magnesiumia (Mg), natriumia (Na), piitä (Si) ja raskasmetalleja2.
Teollisissa lämmön- ja sähköntuotantolaitoksissa tuhka saattaa aiheuttaa ongelmia. Tuhka voi esimerkiksi muodostaa kerrostumia polttolaitosten seinämiin tai lämmönvaihtimien pinnoille. Lämmönvaihdin on putki, jonka sisällä virtaa kuumaa vettä tai höyryä. Putkien ulkopuolella virtaavat kuumat savukaasut. Lämmönvaihtimen tarkoitus on siirtää lämpöä savukaasusta veteen/höyryyn. Kuumaa ja korkeapaineista höyryä käytetään sähkön tuottamiseen sekä lämmön lähteenä teollisuuden ja yhteiskunnan tarkoituksiin. Tuhkakerrostumat haittaavat lämmönsiirtoa, ne voivat tukkia savukaasureittejä ja johtaa lämmönvaihdinten nopeaan korroosioon3.
Lämmönvaihtimien korroosiota voidaan hillitä esimerkiksi käyttämällä parempia ja kalliimpia teräslaatuja ja alentamalla höyryn lämpötilaa. Lämpötilan alentaminen johtaa kuitenkin prosessin huonompaan hyötysuhteeseen. Tästä syystä lämpötilat halutaan pitää mahdollisimman korkeina, mutta ei niin korkeina, että korroosio tapahtuu hallitsemattomasti. Syntyy optimointiongelma, joka voidaan ratkaista, kun tuhkakemian ja korroosiokemian yksityiskohdat ja yhteispeli ymmärretään.
Tutkimuksessamme pyrimme selvittämään, miten lämmönvaihdinten pinnoille syntyvät tuhkakerrostumat käyttäytyvät. Erityisesti keskityimme lämpötilagradienttien vaikutukseen. Lämpötilagradientti tarkoittaa lämpötilaeroa tuhkakerrostuman paksuuden yli. Lämpötilagradientit vaikuttavat tuhkan liikkeisiin ja koostumukseen polttolaitoskattiloissa. Erityisesti keskityimme lämpötilagradienttien aiheuttamaan sulan, eli nestemäisessä olomuodossa olevan, faasin liikkeeseen. Tämä ilmiö voi selittää, miksi tietyt aineet, kuten alkalikloridit, siirtyvät kohti kuumempia alueita kattilan tuhkakerrostumissa. Ilmiö on tunnettu metallurgiassa, mutta sen vaikutuksia polttolaitosten tuhkakemiaan ei ole aiemmin tutkittu yksityiskohtaisesti.
Tutkimuksemme tavoitteena oli kehittää mallinnusmenetelmä, jolla voidaan arvioida, miten lämpötilaerojen aiheuttama sulan faasin liike vaikuttaa tuhkakerrostuman paikalliseen koostumukseen. Mallinnusmenetelmä perustuu termodynaamisiin tasapainolaskelmiin ja nestemäisen faasin diffuusiolaskelmiin.
Miten tutkimus tehtiin?
Tutkimus toteutettiin matemaattisen mallinnuksen kautta. Mallinnus toteutettiin kaupallisesti saatavilla olevilla tietokoneohjelmistoilla. Tutkimuksessamme käytimme askelmaista mallinnusmenetelmää, jossa yhdistimme sarjaan termodynaamisia faasitasapainolaskelmia ja nestemäisessä olomuodossa tapahtuvia diffuusiolaskelmia. Mallinnuksessa tarkastelimme ohutta tuhkakerrostuman osaa, joka oli jaettu tasaisiin osiin lämpötilaeron mukaan. Termodynaamisen faasitasapainolaskennan avulla määritimme mitkä faasit ovat läsnä tuhkakerrostuman eri kohdissa. Lisäksi laskelmista selviää mitkä eri faasien koostumukset ovat. Faasitasapaino riippuu muun muassa kemiallisesta koostumuksesta sekä lämpötilasta. Lämpötilagradientissa oleva tuhkakerrostuma kokee eri lämpötiloja eri kohdissa. Tämän takia tuhkakerrostuman faasikoostumus on erilainen eri kohdissa.
Tutkimuksessa keskityimme nestefaasiin, jonka koostumus ja koko on siis erilainen eri lämpötiloissa. Koostumuseron takia eri tuhkakerrostuman osien välillä tapahtuu diffuusiota, eli materiaalia siirtyy rikkaasta osasta köyhempään osaan. Diffuusio johtaa muutoksiin tuhkakerrostuman paikallisessa koostumuksessa, joka taas vaikuttaa faasitasapainoon. Tästä johtuen tuhkakerrostuman osien faasitasapaino täytyy arvioida uudelleen ja tämä sykli jatkuu, kunnes diffuusiota ei voi enää tapahtua. Laskentamalli on esitetty havainnollisesti Kuvassa 1. Laskentamallin kehitys perustui aiemmista laboratoriokokeista muodostettuun hypoteesiin4.
Seurasimme tutkimuksessa, miten tuhkakerrostuman alkuperäinen kemiallinen koostumus muuttuu ajan funktiona. Mallinnuksessa tutkittu tuhkakerrostuma sisälsi natriumkloridia (NaCl), kaliumkloridia (KCl), natriumsulfaattia (Na2SO4) ja kaliumsulfaattia (K2SO4). KCl-NaCl-K2SO4-Na2SO4 kemiallinen systeemi valittiin, koska sen termodynaaminen faasitasapaino on helposti ja luotettavasti laskettavissa. Lisäksi kyseinen koostumus on tyypillinen ja relevantti soodakattiloille. Soodakattila on tärkeä prosessinosa selluntuotannossa.
Mitä tutkimuksessa löydettiin?
Tuloksemme osoittivat, että lämpötilagradientti johtaa sulan faasin koostumuseroon, joka puolestaan johtaa diffuusioon. Diffuusion aiheuttama sulan faasin liike johti sen siirtymiseen korkeampaan lämpötilaan. Tutkituissa koostumuksissa huomasimme, että alkalikloridit (NaCl ja KCl) siirtyvät ja rikastuvat kohti kuumempia alueita. Kun yksi alue rikastuu, täytyy toisen köyhtyä. Tästä johtuen löysimme kerrostumista alkalikloridiköyhiä alueita. Tämän tyyppisiä alueita on myös havaittu kattiloissa tehdyissä mittauksissa, sekä laboratoriokokeissa5. Mallinnustulokset vastasivat hyvin aiempia laboratoriokokeita, mikä vahvistaa mallinnusmenetelmän luotettavuuden. Toisaalta perustieteeseen nojaavat laskelmat vahvistavat aikaisemmin muodostetun hypoteesin alkalikloridien rikastumisen ja köyhtymisen syistä.
Laskentamallin ja kokeiden tulokset erosivat hieman aikaskaalan suhteen. Mallinnustulokset osoittivat, että sulan liike on suoraan verrannollinen lämpötilagradienttiin. Loivempi lämpötilagradientti hidastaa sulan faasin liikettä, kun taas jyrkempi nopeuttaa sulan faasin liikettä. Laboratoriokokeissa käytetty lämpötilagradientti oli noin 80 % mallissa käytetystä arvosta, mikä osin selittää aikaskaalojen eroa (4 h laboratoriokokeissa vs. 80 min mallinnuksessa). Ero voi myös osin johtua jähmettymisen ja sulamisen kinetiikasta, eli siitä miten nopeasti paikallinen aineen jähmettyminen ja sulaminen tapahtuu. Kyseistä kinetiikkaa ei otettu mallinnuksessa huomioon. Lisäksi laskentamallimme olettaa yhden jatkuvan nestefaasin, kun taas laboratoriokokeissa havaittiin useita pienempiä sulataskuja, jotka liikkuivat kohti kuumempaa lämpötilaa. Sulataskujen määrä ja muoto saattavat myös vaikuttaa sulan faasin liikenopeuteen.
Lopuksi
Tutkimuksemme tarjoaa uutta tietoa siitä, miten lämpötilagradientit vaikuttavat tuhkan liikkeisiin tuhkakasaumissa. Tämä tieto voi auttaa ymmärtämään yksityiskohtaisia ilmiöitä, joita olemme havainneet teollisissa prosesseissa. On kuitenkin tärkeää muistaa, että mallimme ei ota huomioon kaikkia mahdollisia ulkoisia tekijöitä. Esimerkkejä tällaisista tekijöistä ovat tuhkan jatkuva kertyminen tuhkakerrostumaan ja puhdistussyklit. Onnistuimme kuitenkin tunnistamaan palapelistä palasen, joka auttaa meitä ymmärtämään paremmin aikaisempia – ja tulevia – tutkimustuloksia. Tämä tutkimus on tärkeä askel kohti parempaa ymmärrystä siitä, miten kattiloiden tuhka käyttäytyy ja miten voimme parantaa kattiloiden toimintaa ja tehokkuutta. Ymmärtämällä paremmin tuhkan liikkeitä ja muutoksia voimme kehittää uusia menetelmiä kattiloiden puhdistamiseen ja ylläpitoon, mikä voi johtaa merkittäviin säästöihin ja ympäristöhyötyihin. Lisätutkimuksia tarvitaan vielä ilmiön käytännön merkityksen selvittämiseksi.