Vad händer i industriella askbeläggningar?
Aska från förbränningen kan orsaka driftproblem i förbränningsanläggningar. Denna artikel visar hur matematisk modellering kan användas för att analysera de kemiska processer som påverkar askbeläggningars sammansättning.
Introduktion
Aska är en oorganisk restprodukt som bildas vid förbränning. Askans sammansättning beror på vilket bränsle som används. Sammansättningen kan variera avsevärt. Till exempel innehåller aska från björkved främst kalcium (Ca), kalium (K), aluminium (Al) och järn (Fe)1, medan aska från kommunalt avfall kan innehålla stora mängder klor (Cl), magnesium (Mg), natrium (Na), kisel (Si) och tungmetaller2.
I industriella värme- och elproduktionsanläggningar kan aska orsaka problem. Askan kan till exempel bilda beläggningar på pannväggarna eller på värmeväxlarytorna. Värmeväxlarna består av rör där hett vatten eller ånga cirkulerar. Heta rökgaser strömmar utanför rören. Värmeväxlarens syfte är att överföra värme från rökgasen till vattnet eller ångan. Het högtrycksånga används både för att producera elektricitet och som värmekälla för industriella och samhälleliga ändamål. Askbeläggningarna försämrar värmeöverföringen och kan blockera rökgasflödet samt påskynda korrosionen av värmeväxlarna3.
Korrosionen av värmeväxlarna kan begränsas genom att använda mer korrosionsbeständiga, men dyrare, stålkvaliteter samt genom att sänka ångans temperatur. Men en sänkt temperatur leder också till en försämrad verkningsgrad i processen. Därför strävar man efter att hålla temperaturen så hög som möjligt, utan att korrosionen blir okontrollerad. Detta utgör ett optimeringsproblem som kan lösas genom en detaljerad förståelse av ask- och korrosionskemin samt deras samspel.
Syftet med vår forskning var att undersöka hur askbeläggningar på värmeväxlarnas ytor beter sig under industriella förhållanden. Vi fokuserade särskilt på temperaturgradienternas inverkan. En temperaturgradient innebär en temperaturskillnad över ett avstånd, i detta fall över askbeläggningens tjocklek. Temperaturgradienter påverkar askans beteende och sammansättning i pannor. Vi studerade materialrörelser orsakade av temperaturgradienter inom smältfasen, det vill säga det material som befinner sig i flytande form. Detta fenomen kan förklara varför vissa ämnen, såsom alkaliklorider, migrerar mot varmare områden i pannornas askbeläggningar. Fenomenet är välkänt inom metallurgin, men dess effekter på askkemin i förbränningsanläggningar har tidigare varit relativt outredda.
Målet med forskningen var att utveckla en modelleringsmetod för att kunna uppskatta hur smältfasens migration på grund av temperaturgradienter påverkar askbeläggningarnas lokala sammansättning. Modelleringsmetoden baseras på termodynamiska jämviktsberäkningar och diffusionsberäkningar.
Hur gjordes forskningen?
Forskningen genomfördes med hjälp av matematisk modellering, där vi använde kommersiellt tillgängliga datorprogram. Vi tillämpade en stegvis modelleringsmetod där termodynamiska fasjämvikts- och diffusionsberäkningar i vätskefasen kombinerades. I modellen studerade vi en tunn sektion av askbeläggningen, vilken delades upp i jämna skikt baserat på temperaturskillnaden. Med hjälp av termodynamiska fasjämviktsberäkningar identifierade vi de faser som förekommer i olika delar av askbeläggningen. Dessutom framgår de olika fasernas sammansättning från beräkningarna. Fasjämvikten påverkas bland annat av den kemiska sammansättningen och temperaturen. I en askbeläggning med en temperaturgradient varierar temperaturen mellan olika skikt. På grund av temperaturskillnaderna uppvisar askbeläggningen också variationer i fasjämvikt mellan dess olika skikt.
Vi fokuserade på askbeläggningens vätskefas, vars sammansättning och storlek varierar som funktion av den lokala temperaturen inom beläggningen. Diffusion sker mellan beläggningens olika skikt till följd av sammansättningsskillnader. Detta innebär att material transporteras från områden med hög koncentration till områden med låg koncentration. Diffusionen leder sedan till förändringar i askbeläggningens lokala sammansättning, vilket i sin tur påverkar den lokala fasjämvikten. Därför måste den lokala fasjämvikten i askbeläggningen kontinuerligt omvärderas, och denna cykel fortsätter tills diffusionen upphör. Beräkningsmodellen illustreras i Figur 1. Beräkningsmodellen utvecklades utifrån en hypotes som formulerades baserat på tidigare laboratorieförsök4.
I forskningen undersökte vi hur askbeläggningarnas ursprungliga kemiska sammansättning förändras med tiden. Vi använde en hypotetisk askbeläggningssammansättning innehållande natriumklorid (NaCl), kaliumklorid (KCl), natriumsulfat (Na2SO4) och kaliumsulfat (K2SO4). Detta kemiska system valdes eftersom dess fasjämvikt enkelt och tillförlitligt kan beräknas genom fasjämviktsberäkningar. Dessutom är denna sammansättning både typisk och relevant för sodapannor. Sodapannan är en central komponent i sulfatprocessen.
Vad fann forskningen?
Våra resultat visar att en temperaturgradient orsakar en sammansättningsskillnad i smältfasen, vilket i sin tur driver diffusion. Denna diffusion gör att smältan inom askbeläggningen rör sig mot områden med högre temperatur. I de sammansättningar vi studerade var det alkaliklorider (NaCl och KCl) som transporterades med smältan och anrikades i de varmare områdena inom askbeläggningen. Eftersom anrikning av en komponent i ett område leder till utarmning i ett annat, observerade vi att alkalikloriderna utarmades i de kallare områdena. Vi observerade att alkalikloriderna utarmades i de kallare områdena inom askbeläggningen. Ett liknande beteende har tidigare observerats i pannmätningar och laboratorieförsök5. Vidare visade våra modelleringsresultat en god överensstämmelse med tidigare laboratorieförsök, vilket bekräftar modellens tillförlitlighet. Dessutom stödjer resultaten från modelleringen den tidigare formulerade hypotesen om mekanismerna bakom alkalikloridernas lokala anrikning och utarmning inom askbeläggningar.
Tidsskalan i beräkningsmodellens resultat skiljde sig något från de tidigare rapporterade laboratorieförsöken. Modelleringsresultaten visar att smältfasens rörelse är direkt proportionell mot temperaturgradienten. En flackare temperaturgradient leder till långsammare rörelse av smältan, medan en brantare temperaturgradient leder till snabbare rörelse. I laboratorieförsöken användes en temperaturgradient som var cirka 80 % av den som användes i modellen. Denna skillnad i temperaturgradienter förklarar delvis skillnaden i tidsskalorna (4 timmar i laboratorieförsöken jämfört med 80 minuter i modellen). Skillnaden kan även delvis bero på kinetiken för stelning och smältning, det vill säga hur snabbt den lokala stelningen och smältningen sker. Kinetiken var inte inkluderad i modellen. Dessutom antas det i beräkningsmodellen att en kontinuerlig smältfas förekommer genom hela askbeläggningen, medan flera mindre smältfickor observerades i laboratorieförsöken. Antalet och formen på smältfickorna kan påverka smältfasens rörelsehastighet.
Till slut
Vår forskning förklarar hur temperaturgradienter påverkar askbeläggningarnas lokala sammansättning. Denna kunskap kan bidra till en mer detaljerad förståelse av fenomen som observerats i industriella processer. Det är dock viktigt att komma ihåg att den utvecklade modellen inte tar hänsyn till alla yttre faktorer. Till exempel beaktas varken askans kontinuerliga ackumulering i askbeläggningen eller rengöringscykler i pannorna. Vi har dock lyckats identifiera en viktig pusselbit som ger oss en bättre förståelse av både tidigare och framtida forskningsresultat. Denna forskning är ett betydelsefullt steg mot en djupare insikt i hur aska beter sig i pannor och hur pannornas effektivitet kan förbättras. Genom att bättre förstå askans beteende i industriella miljöer kan vi utveckla nya metoder för rengöring och underhåll av pannor, vilket i sin tur kan leda till betydande kostnadsbesparingar och miljöfördelar. Ytterligare forskning behövs för att fastställa fenomenets praktiska betydelse.