Additiv för ökad tillgänglighet

Transkript

1 Praktisk förbränningsteknik- bränslen och pannor september 2011 Scandic Skogshöjd Södertälje Additiv för ökad tillgänglighet Solvie Herstad Svärd WSP Process Consulting f.d. S.E.P. Scandinavian Energy Project AB se

2 Inledning Kort om olika åtgärder Upplägg Resultat från Värmeforskprojektet Agglobelägg Exempel från andra forskningsprogram Samförbränning hushållsavfall/industriavfall och rötslam KME Samförbränning SLF och rötslam WR Svavelrecirkulation WR Samförbränning Lignin och barkpellets FRAM2 Slutsatser/diskussion

3 S.E.P. Konsulter inom energi- och miljöteknik 9 medarbetare Civilingenjörer kemi- och maskinteknik k ik Grundades 1988 Kontor vid SKF-nya kulan i Göteborg En del av WSP Group sedan och ingår i WSP Sverige Process Vårt mål är att förse våra kunder med spetskompetens inom termisk energiomvandling med tillhörande miljöaspekter

4 Vi är WSP - vi levererar i 35 länder konsulter globalt Omsätter MSEK Noterat på börsen i London sedan 1987

5 WSP i Sverige Specialist- tjänster och integrerade lösningar Söker optimala hållbara lösningar medarbetare i Sverige Stark lokal Stark lokal förankring

6 WSP Process Effektivisering för industri- och energibolag Våra verksamhetsområden Konsulttjänster inom energi (förbränningsteknik, pann-, turbin- och ångteknik samt bränsle- och materialhantering) Kompletta konsulttjänster inom processteknik Avancerad rådgivning inom process Avancerad rådgivning g inom energi Provningstekniska lösningar Antal anställda: Cirka 35

7 Organisation, WSP Process WSP PROCESS Tf Jan-Åke Fransson SEP S.E.P. BUSINESS DEVELOPMENT Eva Nilsson TESTING TECHNOLOGY Johnny Eliason PROCESS ENGINEERING Pierre Almqvist PROJECT MANAGEMENT Ingrid Nohlgren PROCESS CONSULTING Ola Thorson ENGINE ENGINEERING MECHATRONIC PLANT ENGINEERING Michael Axeborn PROCESS AUTOMATION Tf. P.Almqvist

8 Bränslerelaterade driftproblem Agglomerering i bädd och i cyklonbensretur Påslag gpå eldstadsväggar Beläggningsproblem på värmeöverförande ytor Korrosion Stoftbelastning Ansamling av överstort material risk dålig fluidisering risk för sintringar i

9 Askrelaterade driftproblem mycket kemi Kalium Natrium Klor Kisel Svavel Aluminium Bly Kalcium Fosfor Magnesium Zink Genom att ha kravspecifikation på bränsle, tillföra additiv eller smart blandning av bränslen kan man minska problem

10 Källa: Foster Wheeler Bränslet styr design av panna

11 Forskning och utveckling Värmeforsk, Elforsk,KME, Waste Refinery, (TPS-branschforskning) Drivkraften är mer el d.v.s. högre tryck och temperatur och minskade driftproblem. Avfallspannor har traditionellt varit designade för 400 C och 40 bar. ÖH-tuberna oftast i kolstål ev. belagda med höglegerat stål. I CFB-pannor kan man placera ÖH i cyklonbensretur => ökade ångdata. Smarta bränsleblandningar och additiv ändrar kemin i eldstad och rökgas potential att minska problem, öka ångdata mm. Typ av panna (avfall, bio) styr vad man kan samförbränna.

12 Tillsätta svavel 2KCl + S + 2O 2 K 2 SO 4 + 2HCl Elementärt svavel Ammoniumsulfat (Chlor-Out) Andra sulfater aluminium, järn Samförbränna med svavelrikt bränsle; torv, rötslam, skogindustriellt bioslam, gummi, lignin Svavelsyra - recirkulation av svavel från rökgaskondensering

13 ChlorOut IACM Mätpos. sonder KCl NaCl SO 2 Insprutningslansar IACM baseras på molekylär absorption i UV/vis-området. Mäter SO 2, KCl och NaCl Ammoniumsulfat doseras vid C SO 3 reagerar med KCl/NaCl ChlorOut lösning Mätpos. Lufö-sond

14 Fånga in alkali Tillsätta kaolin som binder alkali i sin struktur Torvaska och rötslamsaska kan sannolikt binda alkali Sänka temperaturen t i bädden för att minska avgång av alkali => mer alkali binds upp som alkalisilikater Öka bäddomsättningen för att blöda ut askkomponenter

15 Tillsätta fosfor Samförbränna med fosforrikt bränsle t.ex. rötslam, Biomal Dosera fosfater i rökgaskanal likt Chlor-Out

16 Olika åtgärder påverkar processen Svaveltillsats Elementärt Svavel Bränslesvavel (torv, kol, gummidäck, kommunalt slam) Ammoniumsulfat, Järn-aluminiumsulfat Ammoniak Urea Ammoniumsulfat Kvävetillsats Askkomponenter Kaolin och kalcium Lermineraler i bränsleaska (torv, kol..) Kaolin och kalcium i restprodukter (avsvärtningsslam, smetspill) Zeoliter i kommunalt avloppsslam Byte av bäddmaterial Olivinsand, Hyttsand, PFBC-aska CO Dioxiner NOx Beläggningar/korrosion Bäddagglomereringar

17 Olika åtgärder påverkar processen Viktigt med ett helhetsgrepp!

18 Åtgärder för samtidig minimering i i av alkalirelaterade driftsproblem-agglobelägg VF-Rapporter 997,1037 och 1167 Projekt partners: S.E.P. Scandinavian Energy Project AB Chalmers Tekniska Högskola (Energiteknik, Oorgan och HTC) SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut Vattenfall Research and Development Finansierat av Värmeforsk, AB Fortum Värme och E.ON

19 Projektutförare tfö Solvie Herstad Svärd Britt-Marie Steenari Lars-Erik Åmand, Jessica Bowalli, Johannes Öhlin Jesper Pettersson, Sofia Karlsson, Erik Larsson, Jan-Erik Svensson, Lars-Gunnar Johansson Kent Davidsson, Linda Bäfver Matts Almark S.E.P. Chalmers Avd. Oorganisk kemi Chalmers Avd. Energiteknik Chalmers HTC SP Vattenfall Research and Development

20 Vilka åtgärder påverkar vad?? Agglomereringar, beläggningar, korrosion Additiv Kaolin Sulfat Fosfat Svavelgranuler Kaolin+ammoniumsulfat Basbränsle 75% trä+25% halm 80% bark+20% avfall Hushållsavfall + industriavfall Byta bäddmaterial Hyttsand Olivinsand Bottenaska från Värtan (Kolaska +dolomit) Blanda bränslen Torv Kommunalt Rötslam Skogsindustriellt avsvärtningsslam

21 Agglomereringar - Uppkomst Otillräcklig fluidisering (lokalt p.g.a. igensatta dysor eller anrikning av skrot) Lokalt förhöjd temperatur eller tillfälliga temperaturökningar t i bädden (t.ex. oljebrännare i gammal bädd) Otillräcklig bäddomsättning (för mycket skrot) Otillräcklig tillförsel av ny sand/bäddmaterial (anrikning av alkali eller besvärliga askelement)

22 Agglomereringar - Uppkomst Samverkan mellan bäddmaterial och bränsleaska Anrikning i av bränsleaska med låg smältpunkt Alkali i gas-,aerosoleller partikelfas Lagerbildning genom reaktion mellan alkali och bäddmaterial Lagerinitierad bäddagglomerering Förenklat: Natrium och Kalium Sand partikel Sand partikel Sänker smältpunkt Smälta/klibbiga askfragment Smältainitierad bäddagglomerering Kalcium, Magnesium och Aluminium Höjer smältpunkt Sand- Sand partikel partikel Sandpartikel

23 Partiklar från cyklon Chalmers CFB-panna bränsle 80% bark 20% avfall

24 Alkalisilikater i lager runt sandpartiklar SEM-EDX-bilder av sandpartiklar Innersta lagret: kaliumsilikat Kisel Det yttre lagret domineras av kalcium och kalium Kalium Kalcium

25 Åtgärder för att minska risken för bäddagglomerering Bra kontroll på bäddkvalitet Se till att omsätta bädden undvik dikansamling av grovt material som inte fluidiserar Ändra kemin Tillsats av kaolinlera Samförbränning med bränslen som har gynnsam aska t.ex. rötat kommunalt avloppsslam, vissa slam från skogsindustrin, torv, eller kol Byte av bäddmaterial kan orsaka ökade problem med beläggningar g och korrosion

26 mg/kg ts Askinnehåll mg/kg g aska Trä Halm Rötslam Avs-slam Torv Si Fe 0,6 5,3 53,1 53,3 4,1 P Ti Mg Al Ca Na K Cl S 0 Trä Halm Rötslam Avs-slam Torv Si P Ti Fe Mg Al Ca Na K Cl S Inblandning : Rötslam 8% av ts Avsvärtningsslam 6 % av ts Torv 48% av ts

27 Initial bäddagglomerering Temperatur [ C] Ref RefCl Röt RötCl Torv AmAvs AmKao AmKaoCl

28 Situationen vid en ÖH Rökgas KCl, HCl, H 2 O, O 2, SO 2, CO 2, NOx, askpartiklar, sandpartiklar NaCl, KCl, K 2 SO 4, Na 2 SO 4, CaSO 4,CaCO CO 3 Avlagring (Fe,Cr) 2 O 3 (Fe,Cr,Ni) 3 O 4 Fe, Cr, Ni, Mn, Mo Ånga Oxid Metall Källa:Jesper Pettersson HTC Chalmers

29 Motåtgärder korrosion Anpassa pannan efter bränsle t.ex. tomdrag, placering av ÖH i cyklonbensretur. Välja mer höglegerat material till överhettare Förändra rökgasens kemiska sammansättning, t.ex. med additiv eller samförbränning Sota lagom mycket Sänka materialtemperaturen Höja materialtemperaturen?

30 Kaliumklorid(g) - ökad risk för korrosion Kaliumkloridhalten i rökgasen ökar vid halmdosering KCl = 30 ppm Halmdosering startas t

31 Beläggningsmätning med gg g g tempererade sonder

32 ka ämnen n (mg/h*m2 2) Belägg gningstillv växt för oli Beläggningstillväxt trä och halm +extra klor(pvc) Ref RefCl_2 RötCl AmCl_2 AmKaoCl_2 Si P Mg Al Ca Na K Cl S Alkaliklorid (g)= SO2(g)=

33 olika ämn nen (mg/h* *m2) Belä äggningsti illväxt för Beläggningstillväxt Ref AmKao_2 Avs AmAvs Torv_2 Aska Röt_2 Si P Mg Al Ca Na K Cl S KCl(g)= SO 2 (g)=

34 Agglobelägg Etapp 3 Chalmers Åtgärder testade i etapp 3 Tillsats av sulfat och fosfat Samförbränning med 4 olika rötslam Basbränsle 20 % Avfallspellets 80 % Barkpellets Effekt på agglomerering, beläggningar och initial korrosion?

35 Agglobelägg Etapp 3 - P14 Händelö Åtgärder testade i etapp 3 Samförbränning med rötslam 3 4 % av ts Basbränsle Hushållsavfall 30 50% Industriavfall 50 70% Korrosion och materialavverkning

36 Chalmers 12 MW CFB-panna Sulfate or Phosphate Bark 80% RDF 20% Digested Sewage Sludge Källa: Lars-Erik Åmand Chalmers Energiteknik

37 Rötslam Lågt värmevärde Torra slam Mycket aska MJ/kg Svavel och fosfor Fuktigt Aluminium, järn och 0,6-1,8 MJ/kg kalcium Additiv

38 mg/kg ts Är det skillnad på olika slam?? Slam använda i projektet S Si P Mn Fe Mg Al Ca Na % aska % Fukt 0 Himmerfjärd Sjölunda Rya Nolhaga K

39 Alkaliklorider(g) i rökgas Alkaliklorid, ppm 70,00 60,0 (Na+K)Cl 6% O 2 ] Sjödala, Fe-fällt Nolhaga, Al-fällt Rya, Fe-fällt 50,0 Himmerfjärd, Fe-fällt 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 Tillsatt slam, % av ts

40 Jämförelse beläggningsringar mg/m 2 h Agglobelägg2 Trä+halm+PVC Agglobelägg3 Bark+RDF 4500 Ba Si P Mn Ti Mg Al 2500 Ca Na K Cl S RefCl RötCl AmCl RDF RyaMed HimMed HimHög Him 10 % Him 13 % av ts Rya 8% av ts Rya 9%

41 Minskad initial korrosion med dosering av rötslam i Chalmerspannan 24 timmars exponering vid 600 CC 304L (19,5 % Cr, 9,5% Ni, 67 % Fe) Alkaliklorid i rökgas 96 ppm 3 ppm 22 % avfallspellets 22 % avfallspellets 78% barkpellets 78% barkpellets + ca 13% av ts rötslam Källa: Jesper Pettersson HTC

42 Händelö 75 MW CFB-panna

43 Långtidsförsök vid Händelö med dosering av rötslam (4% av ts) Ca 400 timmars exponering vid 600, 650 och 700 CC 304L (19,5 % Cr, 9,5% Ni, 67 % Fe) Sanicro 28 (27,0 % Cr, 31,0 % Ni, 34,5 % Fe)

44 Alkaliklorid(g) - ökad risk för korrosion Alkalikloridhalten, risken för korrosion, kan minskas genom: Tillsats av sulfat, svavelgranuler, fosfat Samförbränning med rötslam, torv, lignin, gummi Hög dos av kaolin Men. Alkalikloridhalten ökar genom: Samförbränning med kalciumrika bränslen (kalken binder svavel och fosfor) Byte av bäddmaterial (binder mindre alkali i bädden y ( som alkalisilikat)

45 Åtgärder som påverkar både bädd och korrosion Bädd Korrosion Kaolin X (X)* Ammoniumsulfat Svavelgranuler Byta bäddmaterial X Kan vara negativt Rötslam X X Torv X X** X X *Vid hög dosering >7kg/MWh **Beror på torv - undvik kalkhaltig torv

46 KME -411 Konsortiet Materialteknik för termiska Energiprocesser Långtidsförsök med samförbränning av industri- och hushållsavfall med rötslam i P14 Händelö Andra alternativ som testats i korttidsförsök tidigare: Tillsats av svavel - ökade mängden beläggningar i vissa delar av pannan (dock inte korrosiva) Dosering av ammoniumsulfat medförde hög ammoniakslip. (Höga alkalikloridhalter i rökgasen => hög dosering => ammoniumdelen gav alltför hög ammoniakhalt. ) Samförbränning med avsvärtningsslam - gav ingen minskning av alkalikloridhalten i rökgas Källa: KME 411

47 KME -411 Konsortiet Materialteknik för termiska Energiprocesser Långtidsförsök med rötslamsdosering Mängden rötslam begränsades av fukthalten och möjligheten att få fram tillräckligt med slam. Blev ca 4 %avts. Rötslamsdoseringen räckte inte till att minska alkalikloridhalten i rökgasen mer än ca 20-30%. Resultat från Agglobelägg 3 visade att det skulle behövts mer slam,10-15 % av ts. Trots detta erhölls tydliga effekter på minskad korrosion. Tydligast vid 550 C Källa: KME 411

48 KME -411 Godstjocklek k efter 1000 timmars exp. Referens 3-4% av ts dosering av rötslam C C TP310H AC66 Källa: KME 411

49

50 Försök i Lidköping med dosering av rötslam Fluff, SLF Rötslam Högre värmevärde, mer klor och metaller än vanligt avfall Mycket lågt värmevärde, mycket aska

51

52

53 Varför så positiva effekter av rötslam? Innehåller svavel som sulfaterar alkaliklorider Innehåller fosfor reagerar med kalcium så att svavel kan reagera vidare. Kan även ersätta klorid med fosfat. Innehåller zeoliter från tvättmedel som kan binda alkali. Innehåller mycket aska vilket i sig skulle kunna agera som kondensationskärnor för alkaliklorid. Rötslam minskar även risken för bäddagglomerering

54 Waste Refinary Projekt speciellt för våt svavelrening

55

56

57 ug/h 3500 Beläggningstillväxt Försök med bark och lignin inom FRAM Mn 2500 Ba K 2000 Na 1500 Al P 1000 Ca 500 S Cl 0 Bark 100 % Lignin 15 % bark 85 % Lignin 15 % bark 85 % + Kalksten

58 Sammanfattning/slutsatser Nya bränslen => askkemin blir viktigare => smarta bränsleblandningar kan ge synergieffekter t.ex. samförbränning med slam. Åtgärder som minskar alkali/klor-relaterade driftsproblem bygger på förändrad kemi i eldstad och rökgas. Viktigt att klarlägga effekt både i bädd och bakre drag. Samförbränning med rötslam eller torv är exempel på åtgärder som både minskar risken för bäddagglomerering och risken för korrosion. Mängden som behövs påverkas av bränslets innehåll av alkali, klor och kalcium. Typ av anläggning - avfall, samförbränning eller bio påverkar möjligheter till att använda avfalls/restprodukter vid samförbränning.

59 Tack för mig! se

60

61 KME Konsortiet Materialteknik för termiska Energiprocesser KME-rapporter 132, 309 och 411 Utvärderat olika tubmaterial vid fältförsök i Händelöpannan Undersökt effekten av svaveltillsats vid försök ök i Händelö upp till 1000 timmars exponering Jämfört olika additiv/bränslen vid 24 timmars exponering (Elementärt svavel, ammoniumsulfat, avsvärtningsslam, rötslam) Valt ut rötslam för långtidsexponering 450, 500 och 550 C Dessutom har det gjorts labstudier till stöd för att förstå korrosionsförlopp och mekanismer Källa: KME/HTC Jesper Pettersson