POP 250
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 .
© Copyright 2024