Virtauslaskenta eli CFD-mallinnus (Computational Fluid Dynamics) on pääasiassa kaasu- ja nestevirtausten numeerista mallinnusta. Mallinnus antaa mahdollisuuden simuloida esimerkiksi polttimen toimintaa jo ennen kuin fyysistä prototyyppiä on valmistettu. Suunnittelu nopeutuu, se on edullisempaa ja lopputulos on entistä parempi.
Haitallisia NOx -päästöjä rajoitetaan entistä enemmän kaikkialla. Tämä vaatii jatkuvaa kehitystä poltto- ja kattilatekniikassa, mutta se vaikuttaa myös entistä enemmän polttoainevalintoihin. Oilon panostaa voimakkaasti Low NOx -polttotekniikan kehittämiseen sekä vaihtoehtoisiin kestävän kehityksen kriteerit täyttäviin polttoaineisiin. Viime vuosina pääpaino on ollut erityisesti maakaasun Low NOx -teknologiassa, josta seuraavassa esitellään yksi esimerkki.
LN30 Ultra low NOx – täysin uusi poltinperhe
– Taika on palopäässä, sanoo Oilon-konsernin teknologiajohtaja Joonas Kattelus. – Olemme vastikään esitelleet uuden Monoblock LN30 -tuoteperheen, jolla saavutetaan maakaasun poltossa jopa ennätyksellinen ultra low NOx -taso, alle 2,5 ppm (5 mg/Nm3). Kysymyksessä on esisekoituspoltin (premix burner), jossa on pitkä, putkimainen palopää. Poltinperheen pienin jäsen on maksimiteholtaan 900 kW (3,4 MMBtu/h) ja suurin 4,9 MW (18,6 MMBtu/h). Nämä ovat teollisuuspolttimia ja edustavat teholtaan pienempää keskitasoa Oilonin tuoteportfoliossa.
– Esisekoituspolttimia on ollut markkinoilla jo pitkään, mutta nyt esitelty on oleellisesti aikaisempia malleja parempi. Voimme verrata uutta poltinta esimerkiksi verkkopoltinteknologiaan (pre mix mesh burner), jossa polttoaineen ja ilman seos pyritään saamaan mahdollisimman homogeeniseksi tuomalla se tulipesään tiheän verkon läpi. LN30-polttimissa ei ole verkkoa, vaan pitkä putki, jonka päässä olevien suuttimien kautta polttoaine ja ilma syötetään palamaan.
Verkkopoltin edellyttää Katteluksen mukaan hyvin puhdasta paloilmaa ja käytännössä paloilman tehokasta suodatusta, koska ilman epäpuhtaudet muuten tukkivat palopään verkon. Suodatin täytyy myös puhdistaa usein. Tätä teknologiaa ei voida käyttää pölyisissä olosuhteissa. LN30-poltinsarjassa ei ole suodatinta, eikä sitä tarvita, koska pieniä tukkeutuvia tiehyitä ei ole.
Vähän NOx-päästöjä alhaisella jäännöshapella
– Yksi merkittävä LN30-sarjan uusi ominaisuus on entistä alhaisempi jäännöshapen (O2) määrä, jatkaa Kattelus. – Perinteisissä esisekoituspolttimissa saavutetaan 9 ppm:n NOx -taso vasta 7–8 prosentin jäännöshappitasolla. Nyt tämä taso saavutetaan 4–6 prosentin O2-määrällä. 5 ppm on mahdollinen 6–8 prosentin O2:lla. Luonnollisesti olemme halunneet saada jäännöshappitason mahdollisimman alas, koska se parantaa hyötysuhdetta.
Hyvän suorituskyvyn taustalla on, että olemme onnistuneet toteuttamaan lähes täydellisen esisekoituksen. Koko sekoitusprosessi on suunniteltu CFD:n avulla. Palopään muotoilulla, suutinten muodolla ja sijoittelulla on liekistä saatu hyvin kompakti. Liekki mahtuu pienempään tulipesään.
Täydellinen esisekoitus vähentää Katteluksen mukaan myös riskiä CO:n muodostuksesta. Kun NOx saadaan alas, nousee CO tyypillisesti korkeammalle. Täydellisen esisekoituksen ansiosta CO palaa loppuun, eikä tämänkaltaista ongelmaa pääse syntymään.
Pitkä palopää saa aikaan tulipesän etuosaan luontaisen sisäisen savukaasukierron (IFGR, Internal Flue gas Recirculation), jossa inerttiä savukaasua sekoittuu polttoaine-ilmaseoksen joukkoon. Tämä viilentää liekkiä ja vähentää siten termisten NOx -yhdisteiden syntymistä mahdollistaen samalla matalamman savukaasun happitason.
– Sama savukaasujen sekoittaminen on perinteisesti voitu toteuttaa ulkoisella kierrätyksellä (FGR), jossa savukaasua syötetään ulkokautta tulipesään. Ulkoisen FGR:n käyttöön liittyy kuitenkin rajoitteita, jotka eivät kaikissa tilanteissa ole asiakkaalle mieluisia.
Kattelus kertoo, että kehitetyn poltinperheen toimitusvarmuus ja suorituskyky on varmistettu laajoilla laboratoriotesteillä ja tuotteille on myönnetty UL-sertifikaatti. Ensimmäinen kenttäreferenssi Yhdysvalloissa on käyttöönotettu ja lisää toimituksia on tällä hetkellä käynnissä. Muille markkinoille tuotteita on toimitettu jo parin vuoden ajan hyvin tuloksin.
Kehitettyä teknologiaa ollaan patentoimassa Euroopassa ja Kiinassa. Yhdysvalloissa patentti on jo myönnetty.
CFD-mallinnus on avain hyvään suunnitteluun
Oilon on käyttänyt CFD-laskentaa poltintensa suunnittelutyössä jo lähes 15 vuotta, ja se on tänään yksi suunnittelun päätyökaluista. Alkuvuosina CFD:n laskenta-ajat olivat pitkiä ja tulosten tarkkuus oli heikko, minkä vuoksi hyödynnettiin lähinnä suunnittelua tukevana työkaluna. Laskentatehon kasvamisen, laskentamallien kehityksen ja osaamisen lisääntymisen myötä, CFD on jo monien vuosien ajan ollut suunnittelun päätyökalu.
– Kehitämme tuotteiden polttotekniikan nykyisin hyvin pitkälle CFD-simuloinnilla, ja usein lopputulos on hyvin tarkoin sama kuin mitä prototyypin testeissä myöhemmin mitataan, kertoo Kattelus. – Aikaisemmin teimme poltinkehityksessä suuria määriä prototyyppejä, joita testattiin pitkiä aikoja. Nyt saamme CFD:llä paremman lopputuloksen tehtyä aikaisempaa nopeammin ja edullisemmin, vaikka vaatimukset ovat kasvaneet. Kattilateollisuus pyrkii usein minimoimaan tulipesän dimensioita, koska sillä saavutetaan kustannussäästöjä, ja lainsäädäntö puolestaan pyrkii pienentämään päästöjä. Tässä on ristiriita, koska pieni tulipesä lähtökohtaisesti lisää NOx -päästöjä.
NOx -päästöjen määrä ja kattilan suorituskyky ovat luonnollisesti aina riippuvaisia polttimen ja tulipesän muodostamasta kokonaisuudesta. Päästöihin vaikuttavat lukuisat parametrit, mutta pääsääntönä on, että lämmönsiirron tehostaminen liekistä tulipesään pienentää aina NOx -päästöjä. Esimerkiksi tulipesän dimensioiden optimointi, korrugointi ja muurausten minimointi ovat keinoja lämmönsiirron kasvattamiseen. CFD-mallinnuksella pystymme varmistamaan parhaan lopputuloksen yhdessä kattilavalmistajien kanssa.
Ainutlaatuinen CFD-osaaminen ja erinomainen laboratorio
Oilonille on kehittynyt vuosien kuluessa erinomainen kokemus ja ainutlaatuinen osaaminen CFD-mallinnuksen hyödyntämiseen. Tämän rinnalla yhtiön tuotekehityskeskuksessa on erinomaiset laboratoriofasiliteetit. Näiden yhdistäminen on muodostanut verrattoman kokonaisuuden: laboratoriossa suoritettujen mittausten perusteella kehitetään CFD-malleja, joiden toimivuutta testataan edelleen laboratoriossa. Katteluksen mielestä yhtiöllä on maailman kehittynein maakaasun polton mallinnus ja erityisesti päästömallinnus.