The topic of this thesis is the calculation of the steam-boiler on biomass. This thesis deals with stoichiometry, the calculation of enthalpies of combustion gas, the heat balance of the boiler and the results in fixing the efficiency of the boiler, the calculation of fire and the balance heat calculation of component parts of the boiler. Onward follow detailed calculations of particular heating surfaces. The output parametres are temperature, pressure and the amount of steam.

The aim of this diploma thesis is the construction design of the steam boiler burning biomass according to the set parametres (450°C, 5,2MPa, 5,83kg/s).There are main parts to solve and design: stoichiometry, energy balance, combustion chamber, heat-delivery surface and strenght calculation output chest of superheater.

This diploma thesis deals with a design of steam boiler used to incineration of mixed municipal waste. Based on the specified fuel and the required output parameters of the steam from a steam boiler is calculated stoichiometry of incineration, thermal losses and overall boiler efficiency. Other chapters of thesis are focused on construction and thermal calculation of boiler moves. Finally, this thesis is to check heat balance of the boiler.

The main aim of this diploma thesis is to proceed a design of grate steam boiler for grain straw combustion with 15,6 MJ/kg of fuel efficiency. Steam power of boiler is 15 t/h, pressure of overheated steam is 5 MPa, temperature of overheated steam is 415 °C and temperature of inlet water is 125 °C. The estimation is based on proportioning of draughts and segments of boiler and on thermal computation. Verification of divergence of thermal balance is going to constate accuracy of boiler design.

The work deals with the constructional and calculation design of the boiler for burning wood and combustion coal in scale (30/70-coal), in load 50 t/h, parameters of steam output p=7,5 MPa, t=480 °C and a temperature of feed water 105 °C. It is a boiler with natural water circulation by evaporation surfaces. In proposal first steichiometric calculations and enthalpic calculations of air and flue gas are performed. Then it is calculated heat balance, the boiler losses and the thermal efficiency is determined. After designing the combustion chamber and dimensions of pulls are determined. In last chapter the overall energy balance are checked. Drawing documentation of steam boiler is a part of the work.

As more data is being gathered in industrial production facilities, the interest in applying machine learning models to the data is growing. This includes the iron ore mining industry, and in particular the build-up of slag in grate-kiln furnaces. Slag is a byproduct in the pelletizing process within these furnaces, that can cause production stops, quality issues, and unplanned maintenance. Previous studies on slag build-up have been done mainly by chemists and process engineers. Whilst previous research has hypothesized contributing factors to slag build-up, the studies have mostly been conducted in simulation environments and thus have not used real sensor data utilizing machine learning models. Luossavaara-Kiirunavaara Aktiebolag (LKAB) has provided data from one of their grate-kiln furnaces, a time-series data of sensor readings, that compressed before storage.  A Scala package was built to ingest and interpolate the LKAB data and make it ready for machine learning experiments. The estimation of slag within the kiln was found too arbitrary to make accurate predictions. Therefore, three quality metrics, tightly connected to the build-up of slag, were selected as target variables instead. Independent and identically distributed (IID) units of data were created by isolating fuel usage, product type produced and production rate. Further, another IID criterion was created, adjusting the time for each feature in order to be able to compare feature values for a single pellet in production. Specifically, the time it takes for a pellet to go from the feature sensor to the quality test was added to the original timestamp. This resulted in a table where each row represents multiple features and quality measures for the same small batch of pellets. An IID unit of interest was then used to find the most contributing features by using principal component analysis (PCA) and lasso regression. It was found that using the two mentioned methods, the number of features could be reduced to a smaller set of important features. Further, using decision tree regression with the subset of features, selected from the most important features, it was found that decision tree regression had a similar performance with the subset of features as the lasso regression. Decision tree and lasso regression were chosen for interpretability, which was important in order to be able to discuss the contributing factors with LKAB process engineers. / Idag genereras allt mer data från industriella produktionsanläggningar och intresset att applicera maskininlärningsmodeller på denna data växer. Detta inkluderar även industrin för utvining av järnmalm, i synnerhet uppbyggnaden av slagg i grate-kiln ugnar. Slagg är en biprodukt från pelletsproduktionen som kan orsaka produktionsstopp, kvalitetsbrister och oplanerat underhåll av ugnarna. Tidigare forskning kring slagguppbyggnad har i huvudsak gjorts av kemister och processingenjörer och ett antal bidragande faktorer till slagguppbyggnad ha antagits. Däremot har dessa studier främst utförts i simulerad experimentmiljö och därför inte applicerat maskininlärningsmodeler på sensordata från produktion. Luossavaara-Kiirunavaara Aktiebolag (LKAB) har till denna studie framställt och försett data från en av deras grate-kiln ugnar, specifikt tidsseriedata från sensorer som har komprimerats innan lagring. Ett Scala-paket byggdes för att ladda in och interpolera LKAB:s data, för att sedan göra den redo och applicerbar för experiment med maskininlärningsmodeller. Direkta mätningar för slagguppbyggnad och slaggnivå upptäcktes vara för slumpartade och bristfälliga för prediktion, därför användas istället tre kvalitetsmätningar, med tydligt samband till påföljderna från slagguppbyggnad, som målvariabler. Independent and identically distributed (IID) enheter skapades för all data genom att isolera bränsleanvändning, produkttyp och produktionstakt. Vidare, skapades ytterligare ett kriterie för IID:er, en tidsjustering av varje variabel för att göra det möjligt att kunna jämföra variabler inbördes för en enskild pellet i produktion. Specifikt, användes tiden det tar för en pellet från att den mäts av en enskild sensor till att kvalitetstestet tas. Tidsskillnaden adderas sedan till sensormätningens tidsstämpel. Detta resulterade i en tabell där varje rad representerade samma lilla mängd av pellets. En IID enhet av intresse analyserades sedan för att undersöka vilka variabler som har störst varians och påverkan genom en principal komponentsanalys (PCA) och lassoregression. Genom att använda dessa metoder konstaterades det att antalet variabler kunde reduceras till ett mindre antal variabler och ett nytt, mindre, dataset av de viktigaste variablerna skapades. Vidare, genom regression av beslutsträd med de viktigaste variablerna, konstaterades att beslutträdsregression och lassoregression hade liknande prestanda när data med de viktigaste variablerna användes. Beslutträdsregression och lassoregression användes för att experimentens resultat skulle ha en hög förklaringsgrad, vilket är viktigt för att kunna diskutera variabler med högst påverkan på slagguppbyggnaden och ge resultat som är tolkbara och användbara för LKAB:s processingenjörer.

På uppdrag från Umeå Energi AB ska två av deras rostereldade värmepannor (panna 6 och 7) undersökas med avseende på pannverkningsgraden. Umeå Energi genomför i dagsläget månadsvisa kontroller av pannverkningsgraden beräknade med den direkta metoden. Denna beräkningsmetod är dessvärre ganska otillförlitlig, vilket medför att en noggrannare undersökning av pannverkningsgraden krävs. Av denna anledning så beräknades pannverkningsgraden med den indirekta beräkningsmetoden, vilket resulterade i ett mer tillförlitligt resultat där även pannans förlustfaktorer bestämdes. Pannverkningsgraden beräknades och analyserades med hänsyn till de ingående förlustfaktorerna vid samma nyttiga effekt för båda pannorna. För att genomföra detta arbete så undersöktes först de rådande standarderna inom området, detta för att välja ut den mest lämpliga standarden för detta arbete beträffande kriterier och viktiga beräkningsfaktorer. De viktigaste provtagningarna och analyserna som dessa standarder berörde gällde bränsle, aska och rökgaser. För att genomföra alla provtagningar skapades ett provtagningsschema. Provtagningarna genomfördes på båda pannorna vid två olika provtagningstillfällen, därefter skickades proverna på analys och pannverkningsgraden kunde sedan beräknas.Resultatet som detta arbete resulterade i är att panna 6 har något högre pannverkningsgrad än panna 7, 89,3 respektive 82,8 %. Detta medför att förlustfaktorerna står för 10,7 samt 17,2 % för panna 6 respektive panna 7, där den överlägset största förlustfaktorn är rökgasförlusterna. Denna förlustfaktor beror till stor del på rökgasernas temperatur och fukthalt. Rökgasförlusterna uppgår till 9,5 samt 16,3 % på panna 6 respektive panna 7. Därefter i storleksordningen kommer askförlusterna för panna 6 (0,8 %) och värmeförlusterna för panna 7 (0,5 %). Både värmeförlusterna och askförlusterna för panna 6 respektive panna 7 uppgår till en förlustfaktor på 0,3 %. Den minsta förlustfaktorn är oförbränt i gasfas (CO) som ligger mellan 0–0,1 % för panna 6 och panna 7, detta tyder på låga halter av kolmonoxid och oförbränt i rökgaserna.De effektiviseringsförslag som detta arbete ledde fram till var att minska fukthalten och temperaturen på de utgående rökgaserna, detta genom att installera en rökgaskondenseringsanläggning som sänker rökgastemperaturen ytterligare och kondenserar ut mer fukt från rökgaserna. Detta realiseras genom att sänka kondensattemperaturen i rökgaskondenseringsanläggningen antingen genom lägre returledningstemperatur på fjärrvärmen som värmeväxlas mot kondensatet eller via en värmepump placerad mellan fjärrvärmereturen och kondensatet som arbetar med en lägre drifttemperatur än fjärrvärmen. Ett annat effektiviseringsförslag är att förbättra bränslehanteringen genom att torka bränslet innan de matas in i pannan. Slutligen skulle också en mer frekvent uppföljning av bränsleparametrar såsom värmevärde vara ett möjligt effektiviseringsförslag. Alla dessa förslag kräver dessvärre en ekonomisk och tekniskt utredning för att avgöra om dessa effektiviseringsförslag är ekonomiskt försvarbara samt tekniskt genomförbara. / On behalf of Umeå Energi AB, two of their grate fired heating boilers (boiler 6 and 7) was evaluated with respect to boiler efficiency. Currently these boiler efficiency calculations is carried out monthly by the input-output method. This calculation method is unfortunately rather unreliable, which means that a more exact examination of the boiler efficiency is required. For this reason, the boiler efficiency was calculated using the energy balance method, which gives more reliable results and also evaluates the boiler losses. Boiler efficiency was calculated and analysed with respect to the boiler losses at approximately the same useful effect for both the boilers.To perform this work the leading standards in the field were examined, which was done in order to evaluate the most appropriate standard with regard to criteria and important calculation factors. The most important samples and analyses that these standards was concerned with was fuel, ash and flue gas. To conduct all sampling, a sampling plan was created. All samplings was performed on both boilers at two sampling occasions, the samples were then sent for analysis and the boiler efficiency could then be calculated.The result from this work shows that boiler 6 has slightly higher boiler efficiency than boiler 7, 89.3 and 82.8% respectively. As a result, the boiler losses total up to 10.7 and 17.2% for boiler 6 and 7 respectively, where the flue gas losses constitutes the largest losses. The flue gas losses depends largely on the temperature of the flue gases and the moisture content. Flue gas losses sums up to 9.5 and 16.3% on boiler 6 and 7 respectively. The second largest boiler loss is ash losses on boiler 6 which sums up to 0.8% and heat losses on boiler 7 which sums up to 0.5%. The heat losses on boiler 6 and the ash losses on boiler 7 both sums up to a boiler loss of 0.3 %. The smallest loss factor is unburned in gas phase (CO) and is between 0–0.1% for boiler 6 and boiler 7, this suggests low levels of carbon monoxide and unburned in flue gases.The efficiency proposals this work resulted in was to reduce the moisture content and temperature of the outgoing flue gases, this by installing a flue gas condenser, which lowers the temperature further and condenses out more moisture from the flue gases. This is realized by reducing the flue gas condensate temperature either through lowering district heating return temperature which exchange heat with the flue gas condensate or through a heat pump that is placed between the district heating return and flue gas condensate which operates at a lower temperature than the district heating. Another efficiency proposals is to improve the fuel handling by drying the fuel before being fed into the furnace. Finally, also a more frequent follow up of the fuel parameters such as calorific value would be a possible efficiency proposal. All of these proposals require unfortunately economic and technical investigation to determine whether these efficiency proposals are economically viable and technically feasible.

Intresset för biobränsleproducerad energi har ökat i takt med att kunderna blivit mer miljömedvetna. På grund av detta har efterfrågan på briketter ökat samtidigt som träindustrin har haft det svårt i en sviktande konjunktur. Därför har ett examensarbete utförts i samarbete med E.ON Värme Sverige AB där undersökningar på bränslebyte i pannor avsedda för torra bränslen till fuktigare, stamvedflis har utfört. För denna undersökning har begränsningar införts på övre och undre effekt i form av uppehållstid och slutförbränningstemperatur. Intervallen är enbart beräknade på stamvedflis med 30 och 40 % fukthalt. Undersökning visar att det går bra att elda stamvedsflis i briketteldade pannor utan att emissionerna ökar så pass mycket att villkoren för anläggningarna överskrids om lasten hålls inom vissa intervall. Det möjliga effektintervallet ökar med minskad fukthalt på bränslet. Undersökningen har visat att det är bränslets kvalitet som är den mest begränsande faktorn. / The interest in bioenergy has increased with increased environmental awareness. The increasing demand on biofuels and the decreasing availability of the rawmaterials for making refined biofuels such as wood briquettes and wood pellets have caused the prices of these biofuels to increase. This report is performed in collaboration with E.ON Värme Sverige AB and its purpose is to investigate the possibilities for a change of fuels in existing boilers designed for refined biofuels, from wood briquettes to wood chips. To be able to calculate a power interval where it would be possible to use wood chips with moisture contents of 30 and 40% by weight respectively, we had to make some assumptions regarding maximum flue gas flow, minimum retention time and the lowest temperature regarding complete combustion of CO. Our calculations show that it is possible to use woodchips with a moisture content of 30 % w/w without any significant problems in all our boilers. When the moisture content is increased to 40 % w/w the interval for possible power output becomes more narrow. The amount of dust that is being emitted from the boilers does not exceed the limits regulated by environmental law, unless the thermal load of the boiler is too high. The single most important factor for a successful change of fuel from wood briquettes to woodchips is that the fuel quality is good.

<p>Intresset för biobränsleproducerad energi har ökat i takt med att kunderna blivit mer miljömedvetna. På grund av detta har efterfrågan på briketter ökat samtidigt som träindustrin har haft det svårt i en sviktande konjunktur. Därför har ett examensarbete utförts i samarbete med E.ON Värme Sverige AB där undersökningar på bränslebyte i pannor avsedda för torra bränslen till fuktigare, stamvedflis har utfört.<strong></strong></p><p>För denna undersökning har begränsningar införts på övre och undre effekt i form av uppehållstid och slutförbränningstemperatur. Intervallen är enbart beräknade på stamvedflis med 30 och 40 % fukthalt.</p><p>Undersökning visar att det går bra att elda stamvedsflis i briketteldade pannor utan att emissionerna ökar så pass mycket att villkoren för anläggningarna överskrids om lasten hålls inom vissa intervall. Det möjliga effektintervallet ökar med minskad fukthalt på bränslet.</p><p>Undersökningen har visat att det är bränslets kvalitet som är den mest begränsande faktorn.</p> / <p>The interest in bioenergy has increased with increased environmental awareness. The increasing demand on biofuels and the decreasing availability of the rawmaterials for making refined biofuels such as wood briquettes and wood pellets have caused the prices of these biofuels to increase. This report is performed in collaboration with E.ON Värme Sverige AB and its purpose is to investigate the possibilities for a change of fuels in existing boilers designed for refined biofuels, from wood briquettes to wood chips.</p><p>To be able to calculate a power interval where it would be possible to use wood chips with moisture contents of 30 and 40% by weight respectively, we had to make some assumptions regarding maximum flue gas flow, minimum retention time and the lowest temperature regarding complete combustion of CO.</p><p>Our calculations show that it is possible to use woodchips with a moisture content of 30 % w/w without any significant problems in all our boilers. When the moisture content is increased to 40 % w/w the interval for possible power output becomes more narrow. The amount of dust that is being emitted from the boilers does not exceed the limits regulated by environmental law, unless the thermal load of the boiler is too high.</p><p>The single most important factor for a successful change of fuel from wood briquettes to woodchips is that the fuel quality is good.<strong></strong></p>

This thesis focuses on the different degradation mechanisms of the stainless steel in a travelling grate in a Grate-Kiln iron ore pellet indurator. The travelling grate is a conveyor belt that transports green-body pellets to a rotary kiln while the pellets are being dried and pre-heated to a temperature of 900-1100 °C by recycled hot air. After unloading of the pellets to the rotary-kiln for further sintering, the travelling grate is cooled in room temperature while returning to the loading zone of the wet pellets. The steel was tested during thermal cycling in a test-rig, in order to simulate the influence of thermo mechanical fatigue and oxide spallation. The influence of erosion-deposition was investigated in a modified horizontal industrial combustion kiln at 800 °C, with slag and coal from production used as erosive media and combustion fuel, respectively. The influence of minor alloying additions of Mn, Si and Ti on the microstructure was explored by eight different casted alloy compositions. Isothermal heat treatments were performed at 800 °C during 200 hours on steel immersed in deposits recovered from a travelling grate in production. The three main degradation mechanisms found in this work are thermal spallation, erosion-deposition and deposit induced accelerated corrosion (DIAC). Thermal spallation of the oxide layer is caused by the thermal expansion difference between the oxide and the metal during heating and cooling. It has been found that Ti improves the spallation resistance while Si reduces it. Spallation of deposits is another cause believed to increase the degradation. Erosion-deposition appears due to simultaneous erosion and deposition of particles on the travelling grate that causes erosion or deposition depending on the amount of alkali metals in the environment. The velocity of the particles also influences erosion and deposition in the way that higher velocities increase erosion. DIAC is proposed to form on the travelling grate due to the concentration of chloride- and sulphate containing alkali metals in the deposits.  Other than these major degrading mechanisms, minor degradation mechanisms such as internal oxidation, sigma formation, carburization and sensitization towards inter-granular attack have been found inside the steel during heating. Thermo mechanical fatigue (TMF) causes intergranular cracks in the material of the travelling grate. Casting issues such as micro-segregation have also been addressed in this thesis. A few different ways to improve degradation resistance have been proposed, such as homogenization heat treatments, optimization of process parameters and inhibitor solutions.