Förbränning för produktion av energi

Transkript

1 Förbränning för produktion av energi

2 Patrik Marklund Drifttekniker från MDH 1985 Maskinist Mälarenergi-KVV Driftmästare Mälarenergi-KVV Konsult inom pannor och förbränning 1996-

3 Föreläsningens innehåll - Allmän bakgrund - Energiförsörjning i stort - Förbränning, vad är det och varför - Allmän anläggningskunskap - Bränslen - Förbränningsreaktioner - Emissioner Det är OK att när som helst avbryta och ställa relevanta eller irrelevanta frågor!

4 Ekonomiska aspekter på energi - Energi är en nödvändighet för ett modernt samhälle - Ekonomin för energiproduktion och konsumtion är nödvändig att till viss del reglera: - Världskrigen visar på sårbarheten för kol - Oljekrisen 1972 tydliggör sårbarheten i samhället vad gäller olja - Försurningsdebatten under tal ger insikt i behovet av reglera utsläpp - Växthuseffekten flyttar frågan om energi/emissioner från lokal/regionalnivå till globalnivå - Det som beläggs med avgift eller skatt minskar snabbare än det som regleras via lag

5 Nuvarande energitillförsel och användning Energitillförsel [TWh] Vindkraft; 7 Energianvändning [TWh] Kärnkraft, brutto*; 188 Vattenkraft, brutto; 79 Råolja och oljeprodukter; 165 Biobränslen, torv m.m.; 140 Naturgas, stadsgas; 12 Kol och koks; 21 Förluster i kärnkraften***; 123,5 Förluster** ; 37,3 Utrikes transporter*; 60,1 Industri; 145,5 Inrikes transporter; 86,2 Värmepumpar i fjärrvärmeverk; 6 Bostäder och service m.m; 145,8

6 Fjärrvärme en del av vår vardag - Ca 450 orter från små till stora har fjärrvärmenät, utöver detta finns även en lång rad närvärmenät - Ger värme och varmvatten till i stort sett alla fastigheter i tätorter - Första näten startade på 50-talet - I stort sett alla orter värms från en Värmeverk eller Kraftvärmeverk som förbränner bränslen av olika slag

7 Energileverans från fjärrvärme GWh Övrig värme Fjärrvärme

8 Lite historia om förändringar i Sveriges energiförsörjning Energitillförsel [TWh] Råolja och oljeprodukter Naturgas, stadsgas Kol och koks Biobränslen, torv m.m Värmepumpar i fjärrvärmeverk Vattenkraft, brutto* Kärnkraft, brutto** Vindkraft 1 4 Elimport minus elexport Totalt energitillförsel***

9 Omställning i värmeproduktion till 80-tal dominerades av eldningsolja - Under 80-talet startades en omställning från fossilt till biobränsle och avfall som pågår än - Mindre och medelstora orter domineras värmeproduktionen nu av biobränsle - Större orter använder många olika bränslen men avfall och biobränsle dominerar

10 Lite historia om pannor - Herons ångkula är den första kända användningen av förbränningsenergi i kombination med mekaniskt arbete - Papins gryta från 1680 var första gången man använde ånga över atmosfärstryck - Fram till slutet av 1800-talet var högsta godkända ångtryck ca 10 bar - Under 1900-talet utvecklades pannorna enormt och man väljer idag panntyp, ångtryck och bränsle efter förutsättningar Gemensamt är att man använder förbränning för att förädla energin

11 Anläggning med värmeproduktion - I Sverige väljs nästan uteslutande anläggningar som kan producera värme, antingen i form av värmeverk eller kraftvärmeverk, hit räknas även industrianläggningar som ofta producerar värmeenergi till process - Grunden för valet av anläggning är då vad som ska produceras (ånga, hetvatten etc) samt förbrukningsmönstret - Sorteras all förbrukning av värme från högsta till lägsta fås ett så kallat varaktighetsdiagram

12 Lastdiagram för avfallspanna Termisk last GJ/h 110 % last 100 % last 14,5 MJ/kg (max) 12,6 MJ/kg (design) 10 MJ/kg MJ/kg Minlast (70 %) Termisk överlast Minlast (70 %) 100 % last 110 % last 126 % last (max) Differentierad luftförvärmning ska vara möjlig Ton avfall/h

13 Effekt [MW] Effektvariation fjärrvärme över ett år 100,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 Tid

14 Effekt [MW] Varaktighetsdiagram för värme 70 P6 P2 P3 P4 P

15 Anläggningstyper

16 Val av anläggning Vad spelar in? - Val av panna/pannor beror på ett flertal faktorer, de primära är: - Max-/mineffekt i nätet som ska försörjas - Är nätet stabilt (instabilt=snabb start/stopp) - Vad ska produceras, hetvatten eller ånga - Vilka bränslen finns tillgängliga

17 Olika typer av pannor (efter förbränningsprincip) - Rostereldade pannor - Används för fasta bränslen, torra eller fuktiga - Från små villapannor till stora avfallsugnar på MW - Lång rad principer beroende på rosterkonstruktion - Pannor med fluidbäddar - Används för fasta bränslen, torra eller fuktiga - Oftast större pannor från ca 25 MW upp till MW - Principer efter hur sanden rör sig - Pannor med brännare - Olja, gas eller pulver (kol, torv eller trä) - Från villapannor till flera tusen MW - Lång rad olika konstruktioner

18 Mindre anläggningar <10MW - Baslastpannor - Fuktiga biobränslen - Rosterpannor - Topp och reservpannor - Träpellets - Olja (fossil eller bio) - Rosterpannor eller brännare

19 Mindre anläggningar <10MW - Består ofta av en rosterugn med tillhörande rökrörspanna - För spets- och reservpannor används ofta liggande rökrörspanna som eldas med olja

20 Anläggningar MW - Baslastpannor - Fuktiga biobränslen eller avfall - Ofta rosterpannor - BFB-pannor om högre ångdata eller snabbare reglering önskas - Topp och reservpannor - Träpulver (pellets eller briketter som mals) - Olja (fossil eller bio) Observera att man kan välja lite olika lösningar beroende på om det finns industriprocesser som ska försörjas

21 Anläggningar >60 MW - Baslastpannor - Fuktiga biobränslen eller avfall - BFB- eller CFB-pannor vanligast i Sverige - Topp och reservpannor - Träpulver (pellets eller briketter som mals) - Olja (fossil eller bio) - Internationellt används kolpulver, gas eller olja i överkritiska pannor

22 Förbränningstyper och pannor - Rostereldade pannor - Fluidbädd - Pulverpanna - Oljepanna - Sodapanna Osv.

23 Roster - Finns en rad typer - Används upp till ca MW - Klarar blandade bränslen - Mycket bränsle i ugnen - Trög reglering, men relativt okänsliga för bränslevariation - Relativt sett billiga att bygga

24 Exempel på medelstor rosterpanna

25 Exempel på avfallseldad rosterpanna

26 Fluidbädd - Partiklarna i bädden flyter i en gas eller vätskeström - Bränsleflexibilitet - BFB, bubblande fluidbädd Avgaser brinner upp Kolåterstod brinner långsamt i bädden Uppstart minimumtemp 600 C - CFB, cirkulerande fluidbädd Hög lufthastighet Cirkulation på partiklar i luft samt cirkulation i bädd Bränsleflexibel Låg partikelkoncentration i bädd

27 Exempel på BFB-panna

28 Hur en FB-panna funkar

29 Bränslen

30 Val av Bränsle - Det finns ett flertal huvudfaktorer som spelar in: - Investeringsmöjlighet, svåreldat bränsle=dyrare anläggning (ex avfall) - Bränsletillgång - Krav på hög tillgänglighet i en anläggning kräver enklare bränsle - Lagringsegenskaper på kort och lång sikt - Miljöhänsyn

31 Allmänt om bränslen - Bränsle består av en rad beståndsdelar som presenteras i en elementaranalys - Bränsle består av kol, väte, syre, kväve, svavel och aska - Lågt kol- och väteinnehåll = Lågt värmevärde - Andel flyktiga beståndsdelar kontra koksrest är till stor del avgörande för eldningsteknik

32 Bränsleanalys

33 Fasta biobränslen - En lång rad olika fraktioner används: bark, stamvedsflis, grot, sågspån, förädlat spån till pellets mm - Trä består av olika ämnen såsom cellulosa, lignin, hemicellulosa, harts och andra extraktivämnen såsom fett - Består till ca 50%ts av kol, 5-6%ts väte, 40%ts syre samt kväve, aska och lite svavel - Fukthalt varierar från 4-5% till 60-70% - Effektivt värmevärde på ts är ca 18,5-19,5 MJ/kg (5,1-5,4 kwh/kg) - Trots en tillsynes homogen analys skiljer sig egenskaperna kraftigt åt beroende på aska, bitstorlek, finfraktion mm

34 Värmevärde [MWh/ton ts] Värmevärde fasta biobränslen (ts) 6 5,5 5 4,5 4 3, Antal analyser [st]

35 Returträ - Normalt avfallsklassad biomassa - Skiljer sig från vanlig biomassa genom lågt fuktinnehåll, hög andel aska och mycket föroreningar såsom spik, skruv, metall, färg mm - Andelen metall innebär problem i panna, rökgasrening mm - Andelen färg och annat ger ofta surare gaser med högre halt saltsyra

36 Flytande oljor - Både fossilt och biogent används - Normalt är oljor raffinerade till olika kvalitéer - Fossila oljor är lagringsbeständiga, jämnt värmevärde och normalt lågt askinnehåll - Biooljor är ofta hygroskopiska (tar åt sig vatten) vilket ger risk för algbildning och att oljan förstörs över tid

37 Fast avfall - Allt brännbart (och lite annat) som slängs kan dyka upp som bränsle - Sortering ger mer homogent avfall - Brännbar del är ofta plaster, papper/kartong/pappersfluff (blöjor) och trärester - Har utvecklats till en europeisk marknad som omsätter stora belopp

38 Vad är värmevärde? - Den energimängd som frigörs då en viktenhet bränsle förbränns fullständigt vid konstant tryck och förbränningsprodukterna kyls till utgångstemperaturen - Referenstillstånd, 25 C och 1 atm (1,013 bar) - Definitioner - Kalorimetriskt värmevärde, H s, övre värmevärde. Vattnet från förbränningsförloppet ska finnas som vätska (ångan ska ha återkondenserats) - Effektivt värmevärde, H i, under värmevärde. Vattnet från förbränningsförloppet ska här vara i ångform

39 Olika typer av värmevärden

40 Förbränning

41 Syfte med förbränning Grundläggande finns tre olika syften med förbränning - Utvinna den energi som finns bunden i ett bränsle för uppvärmning, elproduktion mm - Destruera något som man vill bli av med (avfall, smittförande ämnen mm) - Nyttja en förbränning som förädling i en industriprocess (ex Sodapannor, stålproduktion, kalkugnar mm)

42 Vad är förbränning? - En snabb reaktion med syre där energi frigörs - Bränsle består normalt av en kombination av väte och kol som båda reagerar relativt lätt med syre - För att starta en förbränning krävs någon form av aktiveringsenergi, men när väl förbränningen är startad underhåller den sig själv med energi - All form av förbränning ger upphov till restprodukter, ex CO 2, NO x

43 Förutsättningen för god förbränning? Förenklat pratar man om 3-T Tid (uppehållstid i förbränningen med tillräckligt god temperatur) Temperatur (rätt temperatur, inte för varmt och inte för kallt) Turbulens (luft och brännbart måste blandas)

44 Grundläggande förbränningsreaktioner - Samtliga kommersiella bränslen innehåller kol, väte och i de flesta fall små mängder svavel - För god förbränning krävs tillgång på värme och syre i rätt mängd - Grundläggande förutsättningar är de tre T na: Tid, Temperatur och Turbulens

45 Grundläggande förbränningsreaktioner Kol reagerar med syre och bildar vid fullständig reaktion koldioxid C + O 2 CO 2 + värme En stor del av förbränningen sker via kolväte CH ½O 2 CO + 2H 2 O+ värme Kolförbränning kan även ske i flera steg: C + ½O 2 CO + värme CO + ½O 2 CO 2 + värme Fritt väte (ej så vanlig) reagerar med syre och bildar vattenånga H 2 + 2O 2 2H 2 O + värme Svavel reagerar med syre och bildar svaveldioxid S + O 2 SO 2 + värme

46 Grundläggande förbränningsreaktioner Kväve reagerar inte naturligt med syre. N 2 + O 2 2NO värme (försumbar reaktion i förbränningsberäkningar) Det syre som finns bundet i bränslet minskar behovet av luft Aska reagerar inte med syre Vissa mindre reaktioner finns även, ex: H 2 + 2Cl 2HCl

47 Modern eldningsteknik - I takt med svårare bränslen och högre miljökrav har eldningstekniken utvecklats - Önskemål - Lägre bildning av NOx - Mindre bildning av CO och TOC - Högre verkningsgrad - Mindre risk för hög- och lågtemperaturkorrosion

48 Rökgaser Förbränning med över- eller underskott av luft Gashalter [CO2]t [O2]t [CO]t [CO]t Luftunderskott Luftöverskott m=1

49 Vad händer var

50 Vad kan ske vid luftunderskott?

51 Emissioner och dess historia

52 Stoft och aska - Skitade ner den lokala miljön - Från början en lokal fråga - Reningsteknik har införts succesivt - Begränsningsvärden har blivit allt lägre - Från början höga skorstenar därefter cykloner numer elfilter eller slangfilter

53 Svavel - Svavel reagerar med syre och bildar SO 2 eller SO 3 - Vid kontakt med vatten H 2 SO 3 eller H 2 SO 4 - Försurning - Regional fråga - Lågsvavliga bränslen, skatt mm infördes under 80-talet - Rening i de fall man har höga halter av svavel i bränsle

54 Kväveoxider - Försurning, övergödning och smog (marknära ozon mm) - Regional fråga - Avgiftssystem i Sverige, begränsningsvärden i tillstånd och beslut - Har till stor del förändrat förbränningstekniken - Rening genom SNCR eller SCR

55 Kolmonoxid - Ett mått på dålig förbränning - Begränsningsvärden i tillstånd - Åtgärdas med 3T (tid, temperatur och turbulens)

56 Övriga emissioner - Ammoniak (vid SNCR eller SCR) - Saltsyra, oftast vid avfallsförbränning - Tungmetaller - Dioxin

57 Koldioxid - Växthusgas - Global fråga - Reningsteknik saknas - Handelssystem i europa. Ett ton fossil koldioxid = en utsläppsrätt

58 Mätning och redovisning av emissioner - Merparten av anläggningarna mäter kontinuerligt vissa emissioner (NO x och CO är vanligast) - Beroende på tillstånd/föreskrift mäts andra emissioner periodiskt av externt lab - För redovisning av halter är beräkningen oftast relativt enkel - För redovisning av mängder måste rökgasflöde och verkningsgrad på pannan mätas eller beräknas

59 Vanliga enheter för emissioner Mätinstrument - ppm i torr eller våt gas - mg/m 3 n Redovisning - mg/m 3 n tg x % O 2 - mg/m 3 n tg x % CO 2 - mg/mj - kg/h (månad/år)

60 Redovisning - Villkor på korttid (timme eller halvtimme) ofta absolut halt - Villkor på medellång tid (dygn/månad), halt eller viktad värde - Villkor på lång tid (år), oftast viktat värde Tänk på! - Hur ska det följas upp? - Hur ska redovisning ske? - Vilka begränsingar i drift accepteras?

61 Viktigt för mätning och redovisning av emissioner - Mätinstrument för gashaltiga emissioner är dyra och kräver underhåll och kalibrering - Kontinuerlig stoftmätning är ofta något billigare men har en mycket hög driftkostnad (går ej att själv kalibrera) - Svaga länken ofta rökgasflöde - Tänk igenom tidsaspekten mycket noga

62 Sammanfattning - Allmän bakgrund - Energiförsörjning i stort - Förbränning, vad är det och varför - Allmän anläggningskunskap - Bränslen - Förbränningsreaktioner - Emissioner Frågor ni inte fått svar på?