Till innehåll på sidan
Till KTH:s startsida Till KTH:s startsida

Energi och Ugnteknologi

Laboratoriefaciliteter vid enheter Process som stödjer studier i kinetik vid högtemperaturförsök och inkluderar många specialbyggda och anpassade ugnar, kemiska beredningsanläggningar och mätanordningar.

Småskalig hög temperatur luftförbränningsugn (HiTAC) ugn

Photograph of the Small-scale High Temperature Air Combustion (HiTAC) furnace at the Unit of Processes
The Small-scale High Temperature Air Combustion (HiTAC) furnace at the Unit of Processes

Undersökningar kan göras under en mängd olika förhållanden, såsom olika gassammansättning (blandning av N2, O2, CO2 och H2O), temperatur och hastighet för inloppsgas.

För att uppfylla kraven på utredning är anläggningen för små testställ utrustade med följande delar:

  • Gas försörjningssystem
  • Uppvärmningssystem
  • Liten ugn/förbränningskammare
  • Temperaturstabiliseringssystem
  • Mät- och datainsamlingssystem

Gasleveranssystemet inkluderar följande gasledningar:

  • Oxiderande ämnen: luft, syre
  • Bränslen: gasol (främst propan), naturgas (främst metan)
  • Ytterligare gaser: kväve, koldioxid

Varje ledning består av fläkt eller uppsättning cylindrar (tryckluft eller vätskefaser), styr- och mätenhet, stoppventil och ledningsanslutningar.

Uppvärmningssystemet inkluderar brännare, oxibrännare och SAI-förvärmare. Under normal drift används endast en av dem. Konventionell brännare producerar rökgaser i ett brett spektrum av överskottsluft och temperaturnivå i eldningshastighet från 10 kW till 100 kW.

Liten ugn består av några sektioner:

  • Brännarsektion

  • Ytterligare gasavsnitt

  • Temperaturstabiliseringsdel

  • Testkammare

  • Skorstensdel

Huvudkonstruktionen består av stål. Ugnens väggar är isolerade med ett 0,3 kWm lager keramiskt och glasfibermaterial. I sektionen för temperaturstabilisering kyls rökgaserna genom användning av luftvärmeväxlare för att ge en stabil temperatur, oberoende av överskottsluft och brännarens hastighet. Ugnens huvudsektions, testkammare, kan ändras för olika tillämpningar, till exempel för att studera förbränning av en singel bränslestråle som används i förbränningskammaren med bränslemunstycke av samflöde eller tvärflöde. Detta avsnitt är därför utrustat med kvartsglasfönster som gör det möjligt att göra optisk undersökning.

Under undersökning av förbränning av en enda flamma är det möjligt att göra följande:

  • Temperaturfördelningsmätningar
  • Värmeflödesfördelningsmätningar
  • Mätningar av gassammansättning
  • Hastighetsfältmätningar
  • Optisk och spektroskopisk observation

Högtemperaturs luft förbrännare i Semi-industriell skala (HiTAC)

Photograph of the Semi-industrial scale High Temperature Air Combustion (HiTAC) furnace at the Unit of Processes
A pair of Dual-type HRS burning systems is located at the right side of the test furnace, the other pair is in the other side. In the front of furnace (left side of the picture), one-flame burning system or radiant tube burning system can be assembled

Denna ugn är byggd för att validera resultaten från den småskaliga HiTAC-ugnen och demonstrera skalbarhet av resultat. Reaktorn kan användas för att undersöka sätt att minska utsläppen av, ökad värmeöverföringseffektiviteten för att möjliggöra minskning av befintliga ugnar eller uppskalning av småskaliga processer.

Ugnen kan vara utrustad med olika högcykelregenerativa system (HRS) samt ett oxidriven bränslesystem och ett konventionellt värmesystem. HRS -systemen är utrustade med "honeycomb" -generatorer för att tillhandahålla nödvändig varm förbränningsluft och återvinna värme.

Dessutom är testugnen utrustad med två olika rökgaskanaler. En av dessa är för varma rökgaser utrustade med vattenkylmantel, andra är för kalla rökgaser som kommer från regeneratorerna (HRS direkt). Rökgaskanalen för varma gaser gör att ugnen kan köras i konventionellt läge. Dessutom kan den också användas när rökgasens sughastighet, vid HiTAC, är under 100%, där några av rökgaserna måste extraheras genom den varma rökgaskanalen.

Photograph of the high temperature air combustion furnace at KTH, showing the gas fuel cylinders, combustion air supply and the water-cooled chimney.
Gas fuel and combustion air supply systems are located next to the back side of the furnace. This picture shows the water cooled chimney as well

Ugnens nominella kapacitet är 500 kW, ugnens inre dimensioner är 3,5 × 2,2 × 2,2 m. Ugnskroppen är isolerad med ett 0,3 m tjockt lager av keramiskt fibermaterial. Det finns också ett antal öppningar i ugnskroppen för observationer och mätningar inuti förbränningskammaren.

Följande olika bränningssystem kan installeras i ugnen för undersökning av förbränningsprocessen:

Brinnande system kan eldas med olika gasbränslen med olika bränslevärmevärde och sammansättning. Uppdaterad används flytande propangas (LPG). Möjligheterna för naturgaseldning kommer finnas där inom en snar framtid.

För att ge ett brett spektrum av flöde och tryck som krävs av en mängd olika värmeåtervinningssystem, styr frekvensomvandlare fläktarna i dragsystemet, tvångs- och inducerade fläktar.

Värmen tas bort från ugnen med fyra horisontella kylrör gjorda av en speciell temperaturbeständig kanthal -legering. Rören kyls med luft och ger en stor mängd last som ska rensas från ugnen.

Two photographs of air-cooling pipes made of kanthan inside the HiTAC test furnace.
Air-cooling pipes (made of kanthal) inside HiTAC test furnace

Hög temperatur luft- och ångförgasningsreaktor (HTAG)

Photograph of the high temperature air and steam gasification reactor at KTH.
HiTAG test facility in situ at KTH Unit of Processes

Denna skräddarsydda reaktor kan drivas kontinuerligt och använder förvärmd luft som förgasningsmedel och kan uppnå förvärmningstemperaturer på upp till 1600 ℃, tack vare en modern högcykelregenerativ luft/ångförvärmare. Flödet av förvärmd luft kan vara upp till 110 Nm3/h. Denna förvärmda luft ger ytterligare energi till Gaisfication -processen och förbättrar termisk sönderdelning av de fasta ämnena. Det har visats att rena bränslen kan produceras med denna ugn.

Hög temperatur luftförgasning (HTAG)/hög temperatur luftförbränning (HiTAC) mini testanläggning

Denna anläggning har nyligen byggts upp för att utföra satser av småskaliga förbrännings- och förgasningstester.

Riggen är mer eller mindre 1 meter lång horisontell förbränningskammare med sin innerdiameter ca 0,1 m. Under uppvärmningstillståndet matar bränslegasen och luften gasbrännaren genom vilken förbränningskammaren värmer den keramiska bikakan. Rökgaserna från bikakan genom den andra delen av förbränningskammaren går till anläggningens utlopp. Under experimenttillståndet (när gasbrännaren är avstängd) värms luften eller blandningen av luft och kväve (eller ånga) upp med varm bikaka för att uppnå rätt temperatur som mäts av ett termoelementet.

Photograph of the HTAG/HiTAC mini test facility.
HTAG/HiTAC mini test facility

Den specialkonstruerade korgen med biomassa, som inte visas i detta schema, sätts in med en speciell skruv i den lilla skopan och kyls konstant av kväve. Rökgasernas sammansättning och temperatur efter förbränning av biomassa mäts med termoelement och gasanalysprob. Efter en viss experimentperiod tas korgen ut först till den lilla skopan och efter viss tid, vilket är nödvändigt på grund av kyländamål, avlägsnas från riggen. Även genom glasöppningen kan tändningsfenomen observeras av en digitalkamera.

Diagnostisk utrustning

HTAG test facilitet

Datainsamlingssystem består i princip av en Keithley Multimeter 2701 utrustad med två multiplexer 7708. Varje multiplexer har 40 kanaler som kan mäta spänning, motstånd eller ström. Det gör det enkelt att ansluta multimetern med termoelement, tryckmätare samt med utsignal från gasanalysator eller flödesmätarenheter. Multimeter 2701 är utrustad med TC/IP -anslutning med separat IP -adress.

Uppsättning av flödesmätare och tryckregulatorer görs för att kontrollera flödeshastigheten för luft och ånga.
En uppsättning av termoelement för temperaturmätning.

Micro Gas Chromatograph konfigurerad med fyra oberoende styrda moduler för att mäta bränslegassammansättningen. Mikro-GC är ansluten till en stationär dator som används i kombination med EZChrom 400/RGA (version 4.5) som en kromatografidataanalysstation och lagringsenhet. Med cykeltid (provtagning och analys) från 50 till 160 sekunder mäts följande kemiska arter av mikroGC: H2, CO, CO2, O2, N2, CH4, C2s, C3s, C4s, C5s och några högre kolväten grupperade och kallade C6+.

Gasanalysator utrustad med två ZrO -sensorer, en för torr och en annan för mätning av våt syre; icke-dispersiv infraröd spektroskopi för CO- och CO2-mätningar, och en Humox utformad för att beräkna volymkoncentrationen av H2O-baserat på mätning av O2 vått och torrt. Gasanalysatorn används antingen för bränslegas eller för rökgaskarakterisering.

Provtagning och analys av tjära uppnås med hjälp av fastfasadsorptionsmetoden (SPA), utvecklad i laboratoriet vid Institutionen för kemiteknik och teknik, kemisk teknik, Royal Institute of Technology (KTH). Denna metod är lämplig för intermittent infångning av tjäraföreningar som sträcker sig från bensen till koronen som råder i produktgaser från termisk sönderdelning av biomassa vid 700 ℃ till 1000 ℃.

HiTAC test Ugn

HiTAC-ugnskroppen har en omfattande uppsättning olika mätsystem inklusive flera mätpunkter för temperatur, tryck och flödeshastigheter. Syftet med dessa mätutrustningar är att visualisera temperaturen på valfri plats inuti ugnen, energi- och massbalans för testugnen och energi- och massbalans för regeneratorer.

Kartläggning av ugnen inifrån för värmeflöde och rökgassammansättning är också möjlig. Förutom de grundläggande instrumenten, såsom flödesmätare och tryckmätare, finns följande diagnosutrustning tillgänglig:

Temperaturmätningar: mer än 120 termoelement används för att mäta ugnens väggtemperatur på olika platser, strålningstemperaturprofil, rökgaser och lufttemperaturer för energibalansberäkningar av ugnar och regeneratorer. De är främst K-typ, S-typ och R-typ termoelement.

Vattenkyld sugpyrometer: för säker och mer exakt mätning av gastemperaturer när som helst i ugnen. Sonden tillverkas av (IFRF) i Holland.

Schematic drawing of the water-cooled suction pyrometer.
Water-cooled suction pyrometer

Vattenkyld strålning Heat Flux Probe (RHF): Strålningspyrometern används för att mäta det totala värmeflödet på grund av att strålningen faller spetsen av sonden som sätts in i ugnen. Strålningspyrometern är konstruerad för att försumma konvektiv värmeöverföring till sensorn från ugnen.

Schematic drawing of the water-cooled radiation heat flux probe.
Water-cooled radiation heat flux probe

Vattenkyld Total Heat Flux Probe (THF): Total värmeflödesmätare är en värmeflödesmätare av typ konduktivitet. Instrumentet mäter det totala värmeflödet, både konvektion och strålning som absorberas av dess mottagande yta. Det tillverkas också av (IFRF) i Holland.

Schematic drawing of the Water-cooled Total Heat Flux Probe
Water-cooled Total Heat Flux Probe

Rökgasprovtagning och -konditionering: figuren nedan visar den vattenkylda provtagningssonden som kan sättas in i ugnen med hjälp av det datorstyrda transverseringssystemet. Provtagnings- och konditioneringssystemet är inte bara utformat för att säkerställa att gasprovet har samma sammansättning vid analysatorns inlopp som vid början av provtagningen, utan också för att överväga den dynamiska påverkan som orsakas av HRS drifts natur.

Schematic drawing of the Flue Gas Sampler.
Flue gas sampler

Micro GC: består av 4 olika moduler och varje modul består av analytisk kolumn, TCD och andra GC -komponenter. Mikro -GC kan detektera och kvantifiera CO, CO2 O2, N2 och CxHy upp till C8 när som helst inne i ugnen med mycket kort tid, ner till 35 sekunder.

NOx Kemiluminescensanalysatorer: Mäter NOx -utsläpp från förbränning.

Joniseringssond: Den används för att studera strukturen för HiTAC -flamma och för att mäta jonströmmen i lågan som en bedömning av befintlig position för HiTAC -flamma, som är transparent flamma.

Schematic diagram of the Ionization probe.
Ionization probe

Datainsamling: tillverkad av NI, USA och Keithely, USA. Dessa system kan logga upp till 200 ingångsspänning eller amperesignaler. Vissa moduler kan ge utsignaler för kontroller.