EFP 2007
Optimering af
biomassefyrede
varmeværker
Slutrapport
Februar 2011
Dall Energy
Venlighedsvej 2
2970 Hørsholm
Telefon 2987 2222
www.dallenergy.com
EFP 2007
j.nr. 33033-0089
Optimering af
biomassefyrede
varmeværker
Slutrapport
Februar 2011
Udgivelsesdato
11. Februar 2011
Udarbejdet
JDB
Kontrolleret
SW, HH
1
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Indholdsfortegnelse
1
Indledning
2
2
2.1
3
2.2
CFD model af 2 MW anlæg
Simulering af NOx med befugtning af
forbrændingsluft
Diskussion
3
3.1
3.2
3.3
Forsøg med pilotanlæg
Beskrivelse af pilotanlægget
Forsøg med pilot anlægget
Diskussion
10
10
13
17
4
4.1
4.2
Opskaleringseffekter
5 MW anlæg
10 MW anlæg
18
18
20
5
Konklusion
23
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
5
9
.
2
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
1
Indledning
Biomasse, både halm, træpiller og træflis, er blevet et væsentligt brændsel i den
danske energiforsyning. Igennem 1980erne og 90erne har biomasse været politisk prioriteret, idet biobrændsel er indenlandsk og CO2-neutralt.
Der er konstant fokus på øget energivirkningsgrad og reduktion af emissioner.
Befugtning af forbrændsluft kombineret med røggaskondensering er en teknologi der på en og samme gang kan reducere emissioner og øge energivirkningsgraden.
Den øgede energivirkningsgrad er eftervist på biomasse anlæg i Sverige og
Findland, og nogle anlæg oplyser en reduktion af NOx mens andre anlæg oplyser at der ikke er en effekt.
I dette projekt er NOx emissionen ved befugtning af forbrændingsluft blevet
undersøgt såvel i praksis som teoretisk.
Projektet er udarbejdet i samarbejde mellem Dall Energy og FORCE technology.
Praktiske forsøg er blevet lavet på Dall Energys pilotanlæg der er opføret med
støtte fra EUDP under projektet ”New Biomass Technologies J.nr. 640090005”. Denne pilot ovn er udstyret med luftfugtningsanlæg.
Der er blevet kørt forsøg med varierende luftbefugtning og emissioner, herunder er NOx blevet målt.
FORCE Technology har foretaget teoretisk modellering af forbrændingsprocessen. FORCE har således modelleret såvel CO og NOx.
Derudover har FORCE Technology modelleret forbrændingen af en Dall Energy ovn i størrelsen 5 og 10 MW.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
3
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
2
CFD model af 2 MW anlæg
Dall Energys biomasseovn er en helt ny type biomasseovn, der kombinerer forgasning med forbrænding.
Herved har man slået flere fluer med ét smæk: Anlægget bliver simplere og
billigere, udslippet af skadelige stoffer reduceres og effekten kan reguleres
ned til omkring 10 procent, så man sparer udgifterne til en “sommerkedel”.
Dall Energy´s biomasse ovn består af to adskilte process trin:
Omdannelse af biomasse til gas i modstrømsforgasser
Forbrænding af gas i gasforbrændingskammer
Figur 2.1
Principdiagram af ovn
Gasforbrændingskammeret af en 2 MW ovn, som er blevet modelleret ved CFD
beregninger af FORCE.
Disse simuleringer er detaljeret beskrevet i rapporten ”Multibrændselsovn –
Proces verifikation” (EUDP projekt nr. 64009-0005). Herunder vises et udpluk af disse simuleringer:
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
4
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Figur 2.2
CFD beregning der viser gashastigheden i gasforbrændingskammeret
ved fuld last
Figur 2.3
CFD beregning der viser reaktionen mellem CO og ilt.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
5
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Figur 2.4
CFD beregning der viser temperaturen i gasforbrændingskammeret.
I nærværende projekt er der udført yderligere simuleringer med henblik på at
beregne NOx emissionen.
2.1
Simulering af NOx med befugtning af
forbrændingsluft
Til simuleringen er CFD programmets standard NOx simulator benyttet. NOx
beregningsmetoden er detaljeret beskrevet i [Fluent 6.3 User´s guide, Chapter
20 ” Modeling Pollutant Formation”]
Der er gennemført 3 beregninger:
1. NOx med opfugtning af forbrændingsluft (reference)
2. NOx uden opfugtning, ved samme (total) luftmængde som reference
3. NOx uden opfugtning, ved samme (tør) luftmængde som reference
2.1.1 NOx med opfugtning af forbrændingsluft (reference)
I reference beregningen er
forbrændingsluften opfugtet til mætning ved 50 C
den samlede luftmængde 0,92 kg/s
ilt overskuddet i forbrændingsluften 4,1% (tør basis)
det samlede masseflow ud af ovnen 1,48 kg/s
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
6
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Figur 2.5
CFD beregning der viser CO emissionen.
Figur 2.6
CFD beregning der viser NO emissionen.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
7
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
2.1.2
NOx uden opfugtning, ved samme (total) luftmængde som
reference
I beregning 2 er
forbrændingsluften tør
den samlede luftmængde 0,92 kg/s
ilt overskuddet i forbrændingsluften 3,9 % (tør basis)
det samlede masseflow ud af ovnen 1,48 kg/s
Figur 2.7
CFD beregning der viser CO emissionen.
Figur 2.8
CFD beregning der viser NO emissionen.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
8
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
2.1.3
NOx uden opfugtning, ved samme (tør) luftmængde som
reference
forbrændingsluften tør
den samlede luftmængde 0,85 kg/s
ilt overskuddet i forbrændingsluften 4,2 % (tør basis)
det samlede masseflow ud af ovnen 1,41 kg/s
Figur 2.9
CFD beregning der viser CO emissionen.
Figur 2.10
CFD beregning der viser NO emissionen.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
9
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
2.2
Diskussion
2.2.1 NOx
Det ses af figurerne 2.6, 2.8 og 2.10, at NO emissionen simuleres til at være
hhv.
100 ppm i 2.8 (uden opfugtning : total luft som i refencen)
60 ppm i 2.6 reference (med opfugtning)
30 ppm i 2.10 (uden opfugtning :. Tør luftmængde som i reference)
Det ser således ikke ud som om befugtning af forbrændingsluft har en afgørende effekt på den mængde NOx der beregnes.
I praksis har NOx emissionen ligget på omkring 100-120 ppm, både med og
unden opfugtning. Det er altså i samme niveau med hvad CFD programmet har
beregnet.
Det var hensigten at NOx modellen i CFD koden skulle kalibreres med måledata.
Kalibreringen skulle foregå ved at man i modellen introducerer ammoniak i den
gas der kommer fra forgasseren. En del af denne ammoniak vil da omdannes til
NOx ved forbrænding og en anden del vil omdannes til N2.
Implementeringen af denne beregning har dog vist at kræve mange flere ressourcer og mere tid end der var afsat i projektet.
Det blev derfor undersøgt om denne del kunne fortsætte i andet regi.
FORCE og Dall Energy har søgt og modtaget støtte fra Forsknings- og Innovationsstyrelsen gennem en forskningskupon til dette. Det forventes at en CFD
model inklusive ammoniak reaktioner fra forgasseren vil være udviklet i løbet
af 2011.
2.2.2 CO
Det ses af figurerne 2.5, 2.7 og 2.9, at CO emissionen simuleres til at være nogenlunde den samme i alle tre tilfælde.
Det er simuleret at CO emissionen er meget tæt på 0. Dette er bekræftet ved
målinger på pilot ovnen.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
10
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
3
Forsøg med pilotanlæg
3.1
Beskrivelse af pilotanlægget
Pilotanlægget består af følgende nøgle komponenter:
Påslag til flis
Transportør
Indføder
Ovn
Askeudtag
Luftbefugter primær luft
Luftbefugter sekundær luft.
Befugtning af forbrændings- og forgasningsluft kan give en række fordele herunder:
Bedre gas (mere brint i gas)
Reduceret NOx
Reduceret slagge
Højere virkningsgrad
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
11
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Figur 3.1PI diagram af pilotanlæg.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
12
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Figur 3.2 Pilot anlæg. Luftbefugtere ses til venstre og ovn til højre.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
13
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
3.2
Forsøg med pilot anlægget
Der er kørt 6 test med pilot anlægget:
1. 2009: Uge 48
2. 2009: Uge 50
3. 2010: Uge 24
4. 2010: Uge 31
5. 2010: Uge 35
6. 2010: Uge 38
I testene 1-4 er der kørt med befugtning af forbrænding luft, mens testene 5-6 er
kørt uden befugtning af forbrændingsluft.
I denne rapport beskrives driftsresultater fra forsøg 2 og 6.
3.2.1 Forsøg 2: Uge 50 2009 (med luftbefugtning)
Brændslet var skovflis med fugtindhold på 45-50%, leveret fra Verninge Savværk
Anlægget var i stabil drift d. 9. December, hvor måleprogrammet foregik. Målinger af emissioner blev foretaget af Finn Petersen, Chimney Lab.
Udover måling af røggasemissionerne lavede Finn Petersen 4 partikel målinger,
mens anlægget kørte fuld last.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
14
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Figur 3.3 Foto fra forsøg i December 2009. Finn Pedersen, Chimney Lab (Tv)
og Bjørn Teislev, Dall Energy (Th) besigtiger anlægget under partikel måling.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
15
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
1200
1000
Gas forbrænding
800
Forgasser
600
Aske
400
200
Stop
100 % last
20 % last
40 % last
0
00:00
01:00
02:00
03:00
04:00
05:00
06:00
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
Figur 3.4 Temperaturer i ovn d. 9. December 2009.
Figur 3.5 Emissioner d.9.december 2009
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
16:00
16
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Tabel 1 Emissionsmålingerne omregnet til mg/Nm3 ved 10% ilt, sammenholdt
med dansk standard og dansk lovgivning
Emission
Dansk Lov
(luftvejledning)
Støv
40 1
i skorsten
200-300
ud af ovn
20-30
ud af ovn
NOx
300 2
200-400
175
625
625
625
300-600
?
Drift ikke mulig.
15
15
15
CO
100% last
40% last
20% last
Dansk Standard
Dall Energy ovn
3.2.2 Forsøg 6: Uge 38 2010 (uden luftbefugtning)
Brændslet var skovflis med fugtindhold på 45-50% leveret fra Verninge Savværk
Målinger af emissioner blev foretaget ved et måle rack lejet af Chimney Lab.
Mellem forsøg 2 og 6 var der indbygget et vanddoseringsanlæg som blev benyttet til at holde temperaturen af ovnen konstant.
1
For kondenserende anlæg gives i dag dispensation så disse kan have op til 100mg/Nm3
støv. Dette skyldes at multicyclon + skrubber ikke reducerer emissionen til under 40
mg/Nm3. En Dall Energy ovn overholder emsissionsgrænsen uden rensning.
2
Gælder kun for anlæg over 5 MW, og anlæg der fyrer med flis kan få lempet krav til 400
mg/Nm3.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
17
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Figur 3.6 Temperatur og emissioner d.22.-23. september 2010
Figur 3.7 Emissioner d.22.-23. september 2010
3.3
Diskussion
Det ses af figurerne herover at såvel temperatur som NOx emission var meget ens
ved forsøg med og uden luftbefugtning.
Det ses også at temperaturen holdes meget stabil ved vanddoseringssystemet i
forsøg 6, hvilket giver en meget stabil værdi af NOx emissionen.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
18
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
4
Opskaleringseffekter
Der er i projektet blevet set på opskaleringseffekter for en Dall Energy ovn.
Dette er gjort ved brug af CFD simulering. Fokus har været at lave et design af
en biomasse ovn der har lave værdier af:
Støv
NOx
CO
4.1
5 MW anlæg
Gennem CFD simuleringer har man fundet frem til at 6 luftdyser med en indblæsningshastighed på 30 m/s er optimalt for et 5 MW anlæg. Dette design giver en god fordeling af forbrændingsluften i gasforbrændingskammeret og samtidig fås en lav luft hastighed hen over brændselslaget hvilket giver meget lavt
støvindhold i gassen.
Figur 4.1 Flow linier i 5 MW ovn.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
19
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Figur 4.2 Temperaturer og flow linier i 5 MW ovn.
Figur 4.3 Ilt koncentration i 5 MW ovn.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
20
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Figur 4.4 CO koncentration i 5 MW ovn.
4.2
10 MW anlæg
Gennem CFD simuleringer har man fundet frem til at 6 luftdyser med en indblæsningshastighed på 44 m/s er optimalt for et 10 MW anlæg.
Figur 4.5 Flow linier i 10 MW ovn.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
21
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Figur 4.6 Flow linier i 10 MW ovn.
Figur 4.7 Temperatur i 10 MW ovn.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
22
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
Figur 4.8 CO koncentration i i 10 MW ovn.
Figur 4.9 CO koncentration i 10 MW ovn.
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.
23
Optimering af biomassefyrede varmeværker ved opfugtning af forbrændingsluft
5
Konklusion
På basis af nærvende projekt kan det konkluderes, at:
•
Man med CFD beregning kan optimere designet af biomasse anlæg med
henblik på reduktion af NOx, CO og støv.
•
FORCE´s standard CFD program beregner CO ret præcist, mens NOx modellens resultater varierer noget.
•
Der ved brug af CFD er udlagt forbrændingskammer for Dall Energy ovn i
størrelserne 2, 5 og 10 MW.
•
NOx-emissionen reduceres ikke væsentligt ved opfugtning af forbrændingsluften.
På basis af undersøgelsen kan det anbefales, at:
NOx modellen i FORCE´s CFD program forbedres
F:\Dall-Energy\Projekter\0_Igangværende\CFD med NOx\Rapport\110211_opti_bio_Slutrapport.doc
.