Material och Kemi för framtiden

Transkript

1 Material och Kemi för framtiden Engagerad i: E.ON Värme, Norrköping; Kraftringen Produktion, Lund; Mälarenergi, Västerås Chalmers, Materialkemi; HTC; KME; GREEN 1

2 Material/Kemi-relaterade program finansierade av Energimyndigheten Teknikområden Svetsning Kryphållfasthet Strukturstabilitet Värmeforsk KME Waste Refinery Avfall Sverige SHOK Erosion Högtemperaturkorrosion Termisk sprutning HTC CenBio Lågtemperaturkorrosion Gjutning GREEN Smide Bearbetbarhet 0 5 x (År till tillämpbarhet) 2

3 Målsättningar i dessa program Öka andelen förnyelsebara bränslen Öka tillgängligheten Minska underhållskostnader Effektivare elproduktion på förnyelsebara bränslen Minska miljöpåverkan mm Varför samverkar vi inte mer? Regler om hur myndighetspengar får användas Olika finansieringsperioder Kan inte ändra aktiviteter under finansieringsperioden Ökad administration vid samordning av program mm 3

4 KME, konsortiet Materialteknik för utveckling och demonstration av termiska energiprocesser. Deltagande företag: AB Sandvik Materials Technology Sandvik Heating Technology AB Metso Power Outokumpu Stainless AB Siemens Industrial Turbomachinery AB Volvo Aero AB Fortum Värme Stockholm stad Dong Energy A/S ENA Energi AB E.ON Climate and Renewables E.ON Värme Sverige AB Eskilstuna Energi och Miljö AB Falu Energi & Vatten AB Göteborg Energi AB Kraftringen Produktion AB Mälarenergi AB Skellefteå Kraft AB Svensk Fjärrvärme AB Söderenergi AB Tekniska Verken i Linköping AB Umeå Energi AB Växjö Energi AB Vattenfall AB Öresundskraft AB Swedish Energy Agency 4

5 En av KME s visioner The long-term vision includes an erection of a new full scale demonstration CHP plant in , fired with renewable bio fuels and refuse fractions, with at least 3-4 % (percentage points) higher electrical efficiency, compared with commercial plants that has been built today (2010). Om implementerat 2010 Vattenkraft 66,7 TWh Kärnkraft 55,6 TWh Värmekraft 19,1 TWh Vindkraft 3,5 TWh >2 TWh motsvarande mer än 900 vindkraftverk 5

6 KME 601, RPP (Referens Power Plant) Skogsbränsle och 75% RT 25, 50 och 100 MW e Processberäkningar Anläggningskonstruktion Kapitalkostnader Drift- och Underhållskostnader LCC och LCP Riskinventering Anläggningsägare som anmält intresse som möjlig värd för en demonstration Falu Energi och Vatten, Falun ca 25 MW e Vattenfall, Uppsala ca 50 MW e E.ON Climate & Renewable, Antwerpen > 100 MW e 6

7 Economic assessment 100 MW e SWE conditions LV11 175/45 bar, 600/600 C => + 3,4 %-units electric efficiency 30 MEUR extra*, 25 years, 6%, Elcert 200 SEK/MWh => IRR 8,1% * Extra Capex for Boiler and Steam turbine systems compared with base line 140 b, 540 C. Opex + 15 %.

8 Tekniska risker, skogsbränslen Sekundäröverhettare: Högtemperaturkorrosion pga alkaliklorider Additiv Frekvent utbyte Reducerad tillgänglighet Tertiäröverhettare: Sista delen över 560 C Kryp och utmattning Planerat utbyte Tertiäröverhettartuber, samlingslådor och ångledning: Ångsidig korrosion 8

9 Tekniska risker, RT-bränslen Sekundäröverhettaren Högtemperaturkorrosion pga alkaliklorider Additiv Frekvent utbyte Reducerad tillgänglighet Primäröverhettaren Korrosion pga tungmetallklorider Frekvent utbyte Reducerad tillgänglighet Kokarytor Korrosion pga tungmetallklorider Frekvent utbyte Reducerad tillgänglighet 9

10 Alkalikorrosion Prov med olika alkali salter in lab, HTC KCl K 2 SO 4 Före ESEM bilder av 304Lprov exponerade med 0.10 mg/cm 2 salt, 600 C, 5% O 2 och 24h Efter

11 Alkalikorrosion Jämviktsberäkningar av förbränningskemin Luft Förbränning Kokarytor Överhettare Bränslemix Additiv Bädd material ºC till ºC Rökgasrecirkulation 11

12 Alkalikorrosion Förbränningskemi för returträ med hög halt av Cl och Ca, Örtoftaverket 12

13 Alkalikorrosion Normal ÖHtemperatur Alkaliföreningar i rökgasen, Örtofta Svavel ökar fönstret där alkalisulfater är stabila. En ökning av svavelhalten från 0,10 % to 0,18 % minskar daggpunkten med 80 C 13

14 Cyklon Alkaliklorider Alkaliklorider + HCl + H 2 O + SO 2 Alkalikorrosion Ny överhettarkonstruktion i sandlåset med högre materialtemperatur Normal ÖHtemperature ökad ÖH-temperatur. 14

15 Alkalikorrosion Loop seal super heater operating at a materialtemperature of C in a waste fired boiler, inspection after h Resulted in four times increased lifetime Source Metso Power 15

16 Vi vet korrosionsmekanismen. Alkalikorrosion Additiv eller avvägda bränslemixar har använts sedan Anläggningar dimensioneras inkl utrustning för additiv. Metso har utvecklat ett verktyg som nyttjar jämviktsberäkningar av förbränningskemin på designbränslet för att dimensionera anläggningar. Om man använder ett ur korrosionssynpunkt sämre bränsle eller mindre mängd additiv vad gör man då? Är överhettarna förstörda? Finns det ett korrosionsminne? Kan man rengöra? Utveckla mätteknik för on-line mätning av högtemperatur korrosion Branschen bör utveckla verktyg för att utvärdera gränser på bränsleanalysen till en given anläggningskonstruktion så man kan välja rätt bränslemix eller mängd additiv för att minska UH-kostnader. Kan man med en ökad kunskap om förbränningskemin dimensionera för det bästa bränslet istället för som idag det sämsta? Vid ett sämre bränsle öka mängden additiv eller sänka ÖH-temperaturen. Glidtemperaturreglera? mer el ur våra anläggningar 16

17 Ångsidig korrosion 17

18 Tungmetallkorrosion Ingången till rökgasstråk på en rosterpanna utan tomdrag med avfallsbränsle T22, 24h 770 C (rökgas) 280 C (material) 350µm korrosionsskikt, Närvaro av klor XRD CaSO 4 SiO 2 NaCl Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 K 2 ZnCl 4 Waste refinery project #47 HTC

19 SEM/EDX SLF T22, 770 C 280 C, 24h Tungmetallkorrosion 350µm korrosionsskikt, Närvaro av klor XRD CaSO 4 SiO 2 NaCl Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 K 2 ZnCl 4 Waste refinery project #47 HTC

20 Stilleståndskorrosion Havererad tertiär ÖH, Moskogen BFB-boiler 2011 Haveriorsak: Spänningskorrosion i böjar pga restspänning och en korrosiv miljö. 20

21 1 Högtemparaturkorrosion Stilleståndskorrosion 2 Upptag av vatten under avställning Jämviktsdiagram FeCl 2 /H 2 O FeCL 2 n(h 2 O) 4 Kristallvatten Lösning 3 Oxidering av FeCl 2 till FeCl 3 3FeCl 2 (aq) + 3/4O 2 + 3/2H 2 O 2FeCl 3 (aq) + Fe(OH) 3 (s) 4 Hydrolys bildar HCL med PH 1 => stilleståndkorrosion 2FeCl 3 (aq) Fe(OH) 3 + HCl(aq) Delikvescens a(h 2 O) 1 100% RH) Åtgärder vid avställning samt minska högtemperaturkorrosionen 21

22 Förslag på aktiviteter Bättre på samverkan inom norden, effektivare FUD Högtemperaturkorrosion Alkaliklorid additiv bränslemix Daggpunkt alkaliklorid; konstruktiva åtgärder, on-line-mätning Verktyg att bedöma bränslemixar/additiv för anläggningsägare Korrosion pga tungmetallklorider material additiv bränslemix Korrosionsminne rengöring inför byte av bränslemix Konstruktion av ångcykel för bästa bränslet ej sämsta => mer el Glidtemperaturreglering => mer el Prov av ÖH-tuber i ångslinga upp mot 620 C och påkänning motsvarande 175 b samt ångsidig korrosion Kryp- och utmattningshållfasthet av ÖH-material vid höga ångdata Ångsidig korrosion vid höga ångdata; erfarenhetsinventering, vattenkemi för avancerade anläggningar Stilleståndskorrosion additiv, rengöring inför revision 22

23 Tack för att ni lyssnade! Frågor? 23

24 Skogsbränsle 30%Torv + 0,02 gs/mj b Klorider i rökgasen Skogsbränsle 0%Torv 0,040 0,040 0,035 0,030 Alkaliklorider i fast fas 0,025 kmol/s 0,020 Väteklorid i gasfas Alkaliklorider i gasfas kmol/s 0,035 0,030 0,025 0,020 Alkaliklorider i fast fas Väteklorid i gasfas Alkaliklorider i gasfas 0,015 0,015 0,010 0,010 0,005 0,005 0, tempeartur 0, Temperatur ,04 1 g 1 g Sulphur/s Svavel/s gs/mj ,02 gs/mj 0,5 0.5 g Sulphur/s g Svavel/s 20.0 Weight Vikt %% gs/mj g Svavel/s 0 g Sulphur/s S Cl Analys av påslag vs temperatur C 500 C 600 C 400 C 500 C 600 C 400 C 500 C 600 C 24