Seminarium Praktisk Förbränningsteknik Fluidbäddpannor. Södertälje Jan Olofsson

Transkript

1 Seminarium Praktisk Förbränningsteknik Fluidbäddpannor Södertälje Jan Olofsson

2 Jan Olofsson 2005=> Metso Power AB, Göteborg: Chef - Power Generation Service team Produktansvarig för service och ombyggnader av CFB- och avfallspannor : Kvaerner EnviroPower, KvaernerPulping och KvaernerPower: Processteknisk chef kraft- och avfallspannor : Chalmers Tekn. Högsk. Inst. Ång-/Energiteknik, Götaverken Ång/Energiteknik ( Metso), Megtec, S.E.P Scandinavia Energy Project AB

3 Kraftpannor inom Metso Power BFB-pannor för avfall BFB-pannor för bio Rostpannor CFB-pannor Olje/gaseldade pannor 3 Date Author Title

4 Bränslets och askans inverkan på eldstadsutformning - kolpulver Tvärsnittsarea Eldstadsvolym 1,0 1,15 1,25 1,56 1,63 Lika termiska effekt 2,36 1,0 1,20 1,34 2,02 Påverkande faktorer (exempel): Rökgasflöde Utbränningstid Askhalt (gr/mj) Askanalys/kemi Asksmältförlopp Emissioner Ökande bränsle- och askflöde samt halter av fukt, aska, Na, Ca Källa: Joseph G. Singer Combustion Fossil Power Systems 4

5 Praktisk Förbränningsteknik Fluidbäddpannor Bränslen och och karaktärisering Fluidbäddpannor BFB CFB - Introduktion - Teknikval Bubblande FB-pannor - Processutläggning bio-bränslen Bränslepåverkan - Bränslesystem - Sintring, beläggningar - Överhettarkorrosion - Emissioner 5 Date Author Title

6 6 Bränslets inverkan på pannkonstruktion, drift och driftresultat Faktorer som påverkar val av pannkonstruktion: - Primärt: Typ av bränsle: gas, olja, kol, bio, avfall etc. Bränsleflexibilitet: spann - Sekundärt: Ångdata Emissioner Faktorer som påverkar drift: - Typ av bränsle: bio, kol, avfall - Fukthalt / värmevärde - Storleksfördelning - Askinnehåll - Askanalys - Innehåll av N och S

7 Bränslekaraktärisering steg 1: Analyser - Grundläggande data (fasta bränslen) Fukthalt Elementaranalys brännbart (C, H, N, O, S, Cl) Värmevärde (HHV, LHV, LHV ar ) Askhalt (550C, 815C) Elementaranalys för aska: Na, K, Ca, Mg, Si, P, Fe, Al, Ti Asksmältningsförlopp Bulkdensitet Partikelstorleksfördelning Halten flyktigt för kol Bly (Pb), zink (Zn), tenn (Sn) och metaliskt aluminium för avfall, RDF, returflis och material/biprodukter som kommer från industriella processer Beräkning av förbränningsparametrar och karaktäristiska tal 7 7

8 g/kg d.s g/kg dry solids Bränslekaraktärisering steg 2: Kemisk fraktionering Mest reaktivt = störst problem 35 Rest fraction, analysed 30 Leached in HCl Chemical fractionation - Chicken litter Crushed non-ashed sample Leached in Acetate Leached in H2O H 2 O Water soluble - alkali- sulfates/carbonates/chlorides NH 4 OAc Acetate leachable - organicaly associated 5 0 Si Al Fe Ti Mn Ca Mg P Na K S Cl Chemical fractionation - Bituminous coal HCl Acid leachable - carbonates/sulfates of alkaline earth metals and other metals Rest - silicates, insoluble rest Rest fraction, calculated Leached in HCl Leached in Acetate Leached in H2O 15 Minst reaktivt = minst problem Si Al Fe Ti Mn Ca Mg P Na K S Cl 8 8

9 Bränslekaraktärisering steg 3: Små FB- laboratorieriggar Används för : att allmänt undersöka hur ett nytt okänt bränsle uppför sig i en fluidiserad bädd att undersöka tändförlopp att utvärdera asksmält- och sintringsförlopp och samt eventuella beläggningstendenser att studera additive och/eller olika bäddmaterial att generar prover för andra analyser 1. Grid plate 2. Electric heating element in bed area 3. Electric heating element in furnace area 4. Fuel feeding screw 5. Fuel silo 6. Primary air preheater 7. Secondary air input 8. Cyclone and flue gas duct

10 Bränslekaraktärisering steg 4: Eldning i pilotanläggning alternativt proveldning fullstor anläggning Kartläggning av emissioner utbränning agglomereringsförlopp beläggingar (sonder) temperaturprofiler etc.etc. FB pilot boilers 1-2 MW => Cyclone Heat recovery Emission measurements ESP Stack Propane burner Electrical air preheater Flue gas recirculation Fluidized bed heat exchanger (FBHE) Fluidizing gas/ primary air 10

11 Fluidbäddpannor BFB och CFB Introduktion Teknikval

12 Fluidized Bed Combustion Technologies BFB CFB 12

13 Olika fluidbäddars karaktäristika Fast bädd Bubblande bädd Cirkulerande bäddar (turbulent) (konv. CFB) Pneumatisk transport Tryckfall bädd Ökande Part.flöde Gas hastighet 13

14 Värmevärde (MJ/kg) Fluidbäddpannor Val av teknik Bränsleberoende val CFB BFB Andel flyktigt (vikt-%)

15 Fluidiserade bäddar- Värmebalans för några bränslen Bituminöst kol Torrt trä Avfall/ RDF Bark Fukthalt: 8% Askhalt: 6% Eff. värmevärde: 27 MJ/kg Fukt: 14% Aska: 1% V.v.eff: 15,0 MJ/kg Fukt: 30% Aska: 25% V.v.eff: 10,3 MJ/kg Fukt: 58% Aska: 1% V.v.eff: 6,2 MJ/kg Andelen av bränsleenergin som måste bortföras från bädden via värmeupptagning i eldstadens väggar för att hålla en bäddtemperatur på 850 C vid en förbränningslufttemperatur på 20 C och ett luftöverskott på 20% 850 C Rökgas 44% 850 C 850 C 850 C 51% 57% 75% Värme tillförsel 100% Till eldstadsväggar 56% 49% 43% 25% CFB pannan är de enda panntyp som kan kontrollera värmeupptagningen från bädden och kan därför bränna alla typer av bränslen från kol till våt bark utan lastreduktion 15

16 CFB-pannor : Eldning av olika bränsletyper Möjligheten att kontrollera eldstadens värmebalans Koleldning Kol = Högt värmevärde kräver stort värmeupptag i eldstaden (56 % av tillförd energi) => stor cirk. mängd bäddmaterial Eldning av fuktig biomassa Fuktig biomassa = Lågt värmevärde kräver lite upptag av värme i eldstaden (25% av tillf. energi) => liten cirk. mängd bäddmaterial Den cirkulerande bäddmaterialmängden styrs av: fördelning primär-/sekundärluft rökgasrecirkulationsflöde mängden bäddmaterial i eldstad och cyklon 16 Ju högre värden på dessa parametrar => större cirk. bäddmaterialmängd

17 Bubblande FB-pannor Processutläggningg Date Author 17 Title

18 Bubblande Fluidbädd Eldstad Tertiärluft Eldstad Lastbrännare Fluidiserad bädd Eldstadbotten balkutförande HYBEX TM Startbrännare Sekundärluft Bränslematning Primarluft Bottenaskstup 18

19 BFB pannor Bäddbelastning och bränslets fukthalt/värmevärde Bäddbelastning/ Effektutveckling per ytenhet MW/m 2 Max uppmätt Design Designbränsle Bränslefukt (%) 19

20 Eldstadens dimensionering Designbränsle med låg fukthalt Designbränsle med hög fukthalt Överluft Överluft Rökgasrecirk. Primärluft Primärluft 20

21 Adiabatisk förbränningstemperatur Bubblande Fluidiserade Bäddar Bäddtemperatur För varmt Rökgasrecirk. Lastreduktion Designpunkt För kallt Luftunderskott Pyrolys/Förgasning Luftöverskott Förbränning Fukthalt 45% 50% 55% 60% Luftfaktor

22 Luftfördelning vs. bränslets fukthalt Höjd Tertiärluft Sekundärluft Torrt bränsle Vått bränsle Slam Primärluft Luftfaktor 22

23 Pannlast (%) Förbränningsdiagram definierar bränsle och driftområde s 850 o C Begränsning pga för stort rökgasflöde c.a 80%last vid lägsta värmevärde Bränsleflöde [kg/s] 23 23

24 Förändringar i pannans värmebalans till följd av hög fukthalt bränslet (exempelvis vid bränslebyte) Ökad rökgasmängd => förskjutning av värmeupptag bakåt i pannan: - För hög ångtemperatur i något överhettarsteg. - För stor insprutningsmängd i ångkylare => mättad ånga efter insprutare => beläggningar i ÖH. - kokande ekonomiser. - Förhöjda rökgastemperaturer i bakre draget => för hög avgastemperatur=> dålig verkningsgrad + problem i rökgasrening. 24

25 Bränslepåverkan Storleksfördelning Agglomerering och sintring Påslag,beläggningar Överhettarkorrosion Emissioner

26 Passerande andel (vikt-%) Bränslets storleksfördelning Exempel på storleksfördelningar Träflis För stor grovandel Förbränningen förskjuts neråt till bädden => Hög bäddtemperatur => Sintringar Grövre askpartiklar => 1. Större andel bäddaska => Mer bottenutmating =>Större sand mängd 2. Risk för sintringar Partikelstorlek (mm) Stycketov RDF För stor finandel Förbränningen förskjuts uppåt i eldstaden => 1. Låg bäddtemperatur => lastreduktion, stödbränsle 2. Hög eldstadtemperatur => slaggning i övre eldstad, ökad oförbräntandel i flygaska, ökade emissioner av CO, och Nox 26

27 Vanligt bränslesystem bioeldade BFB pannor Grovt/fint Pannhussilo Utmatningsskruv Segregering i silo Orsak : olämplig avlastning från yttre transportör Kan ge periodiska svängingar av förbränning/last Skraptransportör Doserskruv Mindre ficka Cellmatare Stup Segregering av bränslepartiklar Grova/fina Påverkar emissioner 27

28 Bränslesystem för att minska effekten av att stora partiklar går i ett bränslestup -utjämningsficka 28

29 Bränslepåverkan Agglomerering och sintring

30 Krävande bränslen Avlagring Avlagring Korrosion? INTERNAL Agglomerering Bränsle Bäddmaterial Additiv Al, Ca, Cl, K, Na, S, Si, P, Pb, Zn,... Panntyp Design 30 Date Author Title

31 Bäddagglomerering Sintring S 100% P 80% Na K 60% 40% Vikts-% Mg Ca Si Bäddkorn 20% 0% Yttre skikt Inre skikt Analys av bädd partikel ; förbränning av bark in en kvartsandsbädd (lab.test) Agglomerering av kvartssands partiklar. Lab.test Bäddpartikel från förbränning av träflis in en BFB. [Ref Umeå Univ.] 31

32 Alkalihalt är en utmaning Reagerande Reagerande alkali (Na+K) Reagerande Na Alkaligräns alkali, Na [ vikt % fast material] 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 B torv kol björkbark granbark avverkningsavfall eucalyptus bark granplywoodavfall björkplywoodavfall A B kvistmassa höngödsel 32 32

33 Förebyggande detektering av begynnande agglomerering: Termoelement för mätning av bäddtemperatur i olika nivåer INTERNAL Mätning av vertikal bäddtemperaturprofil i tre eller flera nivåer ovan dysor Termoelementen är placerade skyddsrör. Ackumulering av grovt bäddmaterial kan indikeras genom att först det nedre termoelementet visar på långsamt sjunkande temperatur senare även mittenelementet. På ett tidigt stadium kan åtgärder nu vidtas för att förhindra sintring genom att öka bottenutmatning och sandtillförsel. 33 Date Author Title

34 Direkt bäddjupsmätning med backblåsning (främst för bränsle med klibbande aska) INTERNAL Renblåsningssystem Tryckuttag direkt inne i bädden Fördelar: Igensättning av tryckuttag undviks Eventuell ingensättning av primärluftdysor påverkar in bäddjupsmätning Mätningen är direkt, inga beräkningar krävs 34 Date Author Title

35 Sänkt bäddtemperatur Agglomereringar 35 Beläggningtillväxt minskat med c.a 20 % i ÖH region Effekter av sänkt bäddtemperatur: Mindre agglomerering i bädden Lägre sandförbrukning Lägre beläggingstillväxt i ÖH Högre halt klorgas (HCl) i rökgasen Ökad förbrukning av kalk i rökgasreningsanläggningen (avfallseldning) Ökat rökgasmängd pga ökad rökgasrecirkulation. Agglomereringar saknas Källa: Waste refinery Presentation: Förbättrad förbränningsprocess med sänkt bäddtemperatur Bottenaska avfallseldning Normal bäddtemp. c.a 870 C Bottenaska avfallseldning Sänkt bäddtemp. c.a 700 C

36 Bränslepåverkan Påslag,beläggningar Överhettarkorrosion

37 Påslag i eldstäder INTERNAL 37 Date Author Title

38 Förändringar i pannans värmebalans/värmeupptag pga beläggningar Beläggningar i eldstaden => hög rökgastemperatur i/efter eldstad: - För hög ångtemperatur i något överhettarsteg. - För stor insprutningsmängd i ångkylare => mättad ånga efter insprutare => beläggningar i ÖH. - Ökad NOx-bildning - Dåligt fungerande SNCR. - Påslag och korrosion av ÖH. - Förhöjd rökgastemperatur efter ÖH i kombination med ökad rökgasrecirkulation/ökat luftöverskott=> 1. kokande ekonomiser. 2. Förhöjda rökgastemperaturer genom pannan => dålig verkningsgrad + problem i rökgasrening 38

39 Andel smälta i askan wt-% Andel smälta i askan (vikt-%) Beläggningar Asksmältkurvor Överhettarbeläggningar Smältkurva utan bly och zink Överhettarbeläggning Smältkurva med bly PbCl2 KCl KCl NaCl NaCl Temperature C Temperatur ( C) 39

40 T(mat) wt-% melt Cl T(MAX) Korrosionsberäkningar och Materialval, Maximal temperaturer för överhettarmaterial INTERNAL Corrosive Cl in the flue gas FLUE GAS TEMP Low Alloy Steel Amount of Corrosive Cl Stainless Steel Amount of Corrosive Cl MELT CURVES MAX MAT TEMP C 40 Date Author Title

41 Max material temperature [C] Materialval- Exempel INTERNAL Max material temperature for non/low alloyed steel and stainless steel vs flue gas temperature Prim SH Tert SH Sec SH Flue gas temperature [C] 41 Date Author Title

42 Tillsatser för att minska beläggning och korrosion Exempel från Värmeforsk (rapp 997 SEP, Chalmers m fl) INTERNAL Agglomereringstemp cyklonben Beläggningstillväxt ÖH-sond Rötslam 42 Date Author Title

43 CFB erbjuder möjlighet till alternativ placering av slutöverhettare - i cyklonlåset 43

44 Bränslepåverkan Emissioner

45 Emissionspåverkan i FB-processen Kväveoxider (NOx): - Kväveinnehåll i bränslet - Luftöverskott - Luftfördelning - Uppehållstid i eldstad - Rökgasrecirkulation - Bädd/rökgastemperatur. - CFB även kalkstillsats - SNCR Svavel: - Svavelinnehåll i bränslet - Förbränningsprocess/kalktillsats Lustgas (N2O): - Kväve och flykthalt i bränslet - Luftöverskott - Rökgastemperatur (re-burning) - Förbränningsprocess/kalktillsats - SNCR (urea) 45

46 Kväveinnehållets inverka på Nox-emission NOx=a+b*N^0.7?? 46

47 SNCR Nox reduktion SNCR non catalytic (NOx) reduction Reduktionsgrad är beroende på pannkonstrution och last BFB: % reduktion av NOx CFB: % reduktion av NOx Ammoniak- eller urealösning sprayas vid lämpliga temperatur fönster i eldstaden. 47

48 Bioeldade BFB-pannor - Typiska emissioner Bränsle (torrsubstans) Enhet Multi-cyklon El-filter Textilfilter Partiklar ash 5% mg/nm Enbart sekundärluft Sekundär + tertiärluft <10 Sekundär+ tertiärluft + SNCR NO x N 0.5% mg/nm 3 mg/mj Låg askhalt eller lågt kalciuminnehåll Självreduktion pga av aska Med kalkstenstillförsel SO 2 S % reduktion Jämn bränslematning och fördelning samt optimerad lufttillförsel CO mg/nm 3 mg/mj N 2 O mg/nm 3 <25 * mg /Nm3 at 6% O2 dry 48

49 Bioeldade CFB-pannor - Typiska emissioner Bränsle (torrsubstans Enhet Multi-cyklon El-filter Textilfilter Partiklar ash 5% mg/nm Sekundärluft <10 Sekundärluft + SNCR NO x N 0.5% mg/nm 3 mg/mj Låg askhalt eller lågt kalciuminnehåll <200 < 80 Självreduktion pga av aska <100 < 40 Med kalkstenstillförsel SO 2 CO S =0.07% % reduktion mg/nm 3 mg/mj ~100 Jämn bränslematning och fördelning samt optimerad lufttillförsel <50 < 20 N 2 O N 0.5% mg/nm 3 <25 * mg /Nm3 at 6% O2 dry 49

50 Sammanfattning CFB processen är den verkliga multibränsleprocessen. BFB processen är bäst lämpad för förbränning av fuktiga biobränslen och RDF. Olika bränslen kräver olika analyser identifiera kritiska parametrar. Alkali-innehållet (Na och K) är kritiskt för agglomerering. Innehållet av reaktivt klor tillsammans med alkali är kritiskt för korrosion sekundär- och teritäröverhettare. Innehållet av bly, zink och reaktivt klor är kritiskt för korrosion i eldstad, konvektionsdelar och första primäröverhettare. 50