och gaseldning Mats-Lennart Karlsson KTMTW * IK MCaW «MM» Swedish National Testing and Research Institute Energiteknik SP RAPPORT 1992:47

Transkript

1 Mats-Lennart Karlssn VC-utslä pp vid lje ch gaseldning KTMTW * IK MCaW «MM» Swedish Natinal Testing and Research Institute Energiteknik SP RAPPRT 1992:47 i khng.sverki'1

2 f Mats-Lennart Karlssn VC-utslä pp vid lje ch gaseld ning SP DE MASTER Swedish Natinal Testing and Research Institute Energiteknik SP RAPPRT 1992:47 K\mm IF NB MUT B MUtfTtl SP

3 Abstract Emissins f Vlatile rganic Cmpunds (VC) frm il-fired and Gas-fired eating Bilers. The emissins f Vlatile rganic Cmpunds (VC) and nitrgen xides (N X ) frm different types f il-fired and gas-fired bilers have been investigated. Measurements have been made at three excess air ratis fr tw different burners fr dmestic bilers using light fuel il, as well as at larger plants using WRD, heavy fuel il and LPG. Significant emissins f VC, in this case methane, ethylene and acetylene, culd nly be fund in ne case with a burner fr dmestic bilers adjusted t a st number f 9, accrding t Bacharach. wever, this represents practically unrealistic perating cnditins. In all ther cases the cncentratins f VC were belw the detectin limits. The emissins f N X varied between 26 mg N2/MJ u\ ne case fr a burner fr dmestic bilers, t 183 mg N2/MJ fr ne f the heavy fuel il plants. In cnclusin, the survey shws that the VC emissins frm il-fired and gasfired biler plants are very lw. Key wrdsremissins, vlatile rganic cmpunds, nitrgen xides, il-fired bilers, gas-fired bilers.

4 Innehållsförteckning Sida Abstract 2 Innehållsförteckning 3 Sammanfattning 4 1 Inledning Genmförande Bränslen ch anläggningar Mätprinciper Analyserade rökgaskmpnenter FTIR-mätning Analys av tyngre rganiska ämnen Resultat ch diskussin förbrända rganiska ämnen ch kvävexider El WRD E4 E5 Gasl Referenser 15 Bilagr

5 Sammanfattning Emissinerna av flyktiga rganiska ämnen (VC) samt kvävexider (N X ) från ' lika typer av lje- ch gaseldade pannanläggningar har undersökts. Mätningar - har genmförts vid tre inställningar på två lika villabrännare för E 1. samt på - anläggningar sm eldas med WRD, E 4, E 5 samt gasl. Signifikanta emissi- J ner av VC, i detta fall metan, eten ch acetylen. kunde endast knstateras i ett fall med en villabrännare injusterad till sttal 9. Detta är dck praktiskt sett ett realistiskt driftfali. I övriga fall var haltema av VC under detektinsgränsen. N x -emissinen varierade från 26 mg N2/MJ i ett driftfall för en villabrännare till 183 mg N2/MJ för E 4-anläggningen. Sammanfattningsvis kan knstateras att undersökningen visar att VC-utsläppen från lje- ch gaseldade pannanläggningar är mycket små.

6 1 Inledning I tidigare prjekt sm genmförts på uppdrag av STEV ch sedermera NUTEK har en kartläggning av emissiner från lika typer av mindre bibränsleanläggningar gjrts. Mätningar har genmförts dels på vedeldade villapannr ch dels på lika anläggningar i effektintervallet,5-1 MW, eldade med lika typer av bibränslen. I dessa prjekt studerades rökgasemas innehall av lika typer av förbrända rganiska ämnen samt kvävexider. För att kunna jämföra med ljeeldning har i detta prjekt mtsvarande mätningar gjrts på anläggningar sm eldas med lika ljekvaliteter. Även en mätning på en gasleldad anläggning har genmförts.

7 \ 2 Genmförande 2.1 Bränslen ch anläggningar I prjektet ingick följande bränslen: Bränsle Anläggning - E 1 En mdem samt en äldre typ av brännare för villapannr, effekt ca 2 kw - WRD Panna för uppvärmning av en större fastighet - E 4 Panna för uppvärmning ch prcessånga vid en industri, effekt ca 2 MW - E 5 Panna för uppvärmning ch prcessångr vid en industri, effekt ca 4 MW - Gasl Panna i ett fjärrvärmenät, effekt ca 6 MW Prven med E 1 sm bränsle genmfördes i SP:s labratrium. De övriga prven genmfördes i fält ch med den brännarinställning ch lastnivå sm förelåg.

8 2.2 Matprineiper Analyserade rökgaskmpnenter Under prven användes upp till fyra lika analysmetder. Nedan redvisas de ämnen sm analyserades samt vilken analysmetd sm användes. Platsen för prvtagningarna anpassades efter anläggningamas utfrmning. I de fall stfthalt redvisas, anges m prvtagningen ägt rum före eller efter stftavskiljningsutrustningen. Ämnen N. samt N, C,, ttalklväte räknat sm metan C, C 2, C, N, N 2 N V S 2. Metan, Eten, Prpen, Acetylen Analysmetd Beckman 951 mätprincip: kemiluminiscens JUMVE5 mätprincip: flamjnisatin Bins 1 mätprincip: infrarödspektrskpi FTIR-utrustning, se vidare avsnitt Bicykliska ämnen, PA, PM Stft GC-analys av kndensat från rökgaser, se vidare avsnitt Uppsamling på filter FTIR-mätning En FTIR-utrusrning användes för att analysera de ämnen sm anges i avsnitt FTIR är en förkrtning av Furier Transfrmerad InfraRöd spektrskpi. Instrumentet arbetar enligt principen att lika ämnen absrberar infrarött ljus vid lika våglängder. I mtsats till traditinell IR-teknik utnyttjas infrmatin m absrbans vid alla våglängder inm det aktuella mrådet. Vid prvtagningen pumpas rökgas in i en gascell där infrarött ljus reflekteras fram ch tillbaka ett visst antal gånger. Efter det att ljusstrålen passerat gascellen når den en detektr. Detektcrn registrerar ljusets intensitet vid de lika våglängderna. ur str andel av ljuset sm absrberas beskriver halten av ett ämne.

9 Berende på vad sm ska analyseras måste rökgasen behandlas på lämpligt sätt innan den når gascellen. För de flesta lättare klväten ch de traditinella förbränningsparametrama räcker det med att trka rökgasen. m haltema av vissa ämnen är höga kan ttalabsrbans uppstå vid vissa våglängder. Vid dessa våglängder finns därför ingen infrmatin att tillgå. För att kmma förbi detta kan rökgasen spädas med t ex luft eller kvävgas. ärvid sjunker haltema i gascellen, men eftersm C ; -halten i gascellen mäts samtidigt kan haltema räknas m till t ex mg/mj. Vissa ämnen faller ut när rökgas trkas genm kndensering. För att kunna analysera en del av dessa ämnen kan fuktig rökgas spädas. Detta måste ske på sådant sätt att inget vatten ytterligare kndenserar. Ytterligare gasbehandlingsmetder kan tillgripas för an analysera ytterligare ämnen, vilkas absrbans döljs av andra ämnen. T ex döljs bensen av C.. vilket kan avhjälpas genm absrptin av C Analys av tyngre rganiska ämnen Vid denna prvtagning tgs rökgas ut genm ett filter. Genm vägning av detta kunde rökgasens stfthalt bestämmas. Efter filtret gick rökgasen till en kylare där Jen kyldes ch gasens fuktinnehåll kndenserades ut. Vidare passerade gasen en ampull med XAD-2, vilket absrberar lika klväten, samt ett gasur, där den uttagna gasmängden bestämdes. Även temperatur ch C : -halt efter gasuret bestämdes. Filtren ch XAD-2 ampullen tvättades ur ch prdukterna slgs samman varefter detta blandades med av kndensatet. Därefter användes gaskrmatgrafi med flamjnisatinsdetektr för analys av bicykliska ämnen. PA ch PM.

10 3 Resultat ch diskussin 3.1 förbrända rganiska ämnen ch kvävexider I detta avsnitt redvisas mätresultaten för vart ch en av de bränslen sm ingick i detta prjekt El Anläggningsbeskrivning ch genmfrande Emissinsmätningarna med E 1 sm bränsle genmfördes med två lika tryckljebrännare mnterade pi villapannr. Den ena brännaren var en mdem knstruktin med ljeförvärmning ch självstängande spjäll, medan den andra var av äldre datum ch saknade dessa funktiner. Båda brännama var inställda för an avge en effekt på ca 2 kw. Pannrna anslöts till en kylrigg där lika effektuttag kunde simuleras. I detta fall hölls en knstant effektuttag. Detta innebär an brännama gick till ch från i jämnt återkmmande förbränningscykler- För att få en uppfattning m hur emissinsbilden påverkas av anläggningens knditin genmfördes mätningar vid tre lika sttal per brarmare. lje/luft förhållandet ställdes in så att följande tre sttal erhölls: -1,5 ch 9. Resultat I tabell 1 nedan redvisas medelvärden från mätningarna med E 1 sm bränsle. Mdern nrännare Äldre brännartyp Sttal C, i % C N N? N, sm N? Cx Metan Eten Prpen Acetylen Stft , , , , , , Tabell 1: Medelvärden för prven med E 1 i brännare för villapannr. Värdena anges i mg/mj.

11 1 Gassammansättningama var någt lika mellan de två brännama. C,-halten var högre för den mderna brännaren, medan N X -halten var någt lägre. altema av förbrända klväten ch klxid var i de flesta fall mycket låga för båda brännama. Sm tidigare nämnts genmfördes mätningar vid tre lika inställningar av brännama. Sttalen -1,5 ch 9 erhölls genm att ändra lufttillförseln till förbränningen. Detta avspeglas i att C,-halten steg efterhand sm ett högre snal erhölls. Mätresultaten i tabell 1 visar an haltema av förbrända klväten påverkades mycket litet av en sämre injustering av brännama. Detta gäller dck inte vid snal 9 för den mderna brännaren, där relativt höga halter av de förbrända klvätena metan, eten ch acetylen samt klxid uppstd. I detta fall var lufnillförseln tillräcklig ch luftundersktt uppstd vid förbränningen. Detta är dck ett realistiskt driftfall ch en brännare kan inte fungera någn längre tid utan an sta igen med ett så högt sttal. Generellt kan därför sägas an utsläppen av förbrända klväten från en brännare avsedd för förbränning av E 1 i en villapanna är mycket små. Detta gäller tämligen berende av luftinställningen. Däremt ökar naturligtvis stftutsläppet med stigande snal. Stfthalten bestämdes dck endast vid snal - 1. se tabell I i detta tall. N x -halten påverkas någt av luftinställningen ch sjunker vid högre sttal. Detta berr trligen på ett lägre luftöversktt. I bilagrna 1-2 redvisas mätningarna på villapannr i diagramfrm.

12 WRD Anläggningsbeskrivning Derma panna försörjer en större fastighet med värme. WRD-ljan sm eldas i pannan har en visksitet vid 4 C på 7,5-15 mm 2 /s art jämföra med mm ; /s för E 1. Resultat Medelvärdena för de ämnen sm mänes upp under detta prv visas i Tabell 2 nedan. C, i % C N N, N. sm N 7 Metan Eten Prpen Acetylen Stft Låglast»3,8 2 e * e.a 74 4 öglast e.a e.a 83 3 Tabell 2: Medelvärden för prven med WRD sm bränsle. Värdena anges i mg/mj. Inga detekterbara halter av förbrända klväten kunde knstateras. De uppmätta N,-halterna var i förväntad nivå. En lägre N,-nivå brde dck vara möjlig att uppnå. N,-halten var dessutm någt högre vid höglast än vid låglast.

13 E4 Anläggningsbeskrivning Derma panna är installerad på en industri ch försörjer denna med ånga ch värme. Pannan är tillverkad 1986 ch har märkeffekten 3,25 MW. Brännaren är en pressluftbrännare ch även den är tillverkad Under prvet beräknades brännarens medeleffekt till ca 2 MW genm avläsning av en ljemängdsmätare. Resultat I tabell 3 nedan redvisas medelvärden för några i-.nnen sm bildades under prvet med E 4 sm bränsle. Effektnivån ändrade sig antagligen någt under slutet av prvet. Detta antyds av att C 2 -halten var högre under slutskedet av prvet. Prvet är därför uppdelat i två delar i tabell 3 nedan. C, i % C N N, N sm N, Metan Eten Prpen Acetylen Del prv 1 1, Del prv 2 12, Medelvärde del prv 1 ch 2 11, ,5 183 Tabell 3: Medelvärden för prven med E 4 sm bränsle. Värdena anges i mg/mj. ckså under detta prv uppstd mycket låga halter av förbrända klväten. De flyktiga rganiska ämnena metan, eten, prpen ch acetylen kunde inte påvisas.

14 E5 Anläggningsbeskrivning Denna ångpanna försörjer en industri med prcessånga ch värme. Pannan är tillverkad 1965 ch är alltså en äldre typ av anläggning. Märkplåten på pannan var läslig varför någn märkeffekt ej kan anges. Även brännarens märkplåt var svåriäslig men kapacitetsmrådet anges dck till kg/h. Detta innebär ett effektmråde på ca,75-4 MW. Under prvet varierade effektuttaget berende på behvet av prcessångan i industriprcessen. Resultat I tabell 4 nedan redvisas medelvärden för mätningarna under prvet med E 5 sm bränsle. C, i % C N N, N. sm N, Metan Eten Prpen Acetylen 7, Tabell 4: Medelvärden för prvet med E 5 sm bränsle. Värdena anges i mg/mj. altema av förbrända klväten var mycket låga. Inga detekterbara halter av metan, eten, prpen eller acetylen kunde påvisas. En analys av ett antal tyngre rganiska ämnen (bicykliska ämnen, PA ch PM), genmfördes ch en ttal halt på ca 65 ug/mj uppmättes. Detta är en låg halt ch inte speciellt rande. I bilaga 3 specificeras dessa ämnen. Den uppmätta M x -halten var tämligen hög ch uppfyller inte dagens krav.

15 Gasl Anläggningsbeskrivning Denna panna ingår sm en del i ett kmmunalt fjärrvärmenät. Panna är tillverkad 1986 ch från början avsedd för ljeeldning. Kapaciteten är ca 6 MW. Brännaren är en pressluftbrännare ch byggdes 199 m för att möjliggöra gasleldning. Under prvet var effektnivån ca 3-4 MW. Resultat I tabell 5 nedan redvisas mede'varden för mätningarna under prvet med gasl sm bränsle. C, i % C N N, N X sm N, Metan Eten Prpen Acetylen 11, Tabell 5: Medelvärden från prvet med gasl. Värdena anges i mg/mj. altenia av förbrända ämnen var sm väntat befintliga. Däremt var ten relativt hög.

16 15 Referenser 1. Karlssn, M-L ch Gustavssn, L: Karaktärisering av rökgaser frän vedpannr. STEV-prjekt nr Brås SP-rapprt 1992: Karlssn, Mats-Lennart: Emissiners frän vedpannr - lastförhållandets betydelse. STEV-prjekt nr Brås SP-rapprt 1992: Karlssn, M-L: Emissiner frän bibränsleeldade anläggningar mellan,5 ch 1 MW. NUTEK-prjekt nr Brås SP-rapprt 1992:46.

17 Bilaga 1 a 1(3) Mdern viabrannare, stla! -1 E in IN in J (M C CVI m N m w in in m C r G_ C ^ I ' U C i L: ; 1 rr Ö C\i x s ^ ^ CJ 1 1 a,* i.- /.! i rl

18 Bilaua 1 a 2(3) Mdern viiiabrännare, stui! -1 E m in n C\l L m n in C cz CD CL C 1 t~! V. '-J \ C:! n i " j j c X I 2

19 Bilaga 1 a 3(3) Mdem viiiabrännate. stlal -1 E in N in C\l (M in in L J m m m J C") r_ C i 9. 6 v ^ ev CTi --.", -, i X I 7 X C >

20 Miinn»iiiabrannare. sttai :> E L in n l) L n y ' w - 1 Z u. C ^ N t D ^ C\J E.

21 Bilaga 1 b!(?) Mdern \ illabrännare. sttal 5 CD,-1 i / < \ CD I si J \ / / / \ \ \ / Wl u u. <,,. 1 CD CD C\l / / t i E

22 Bilaga 1 b 3(3) Mdtrn Mllabrannare. sltal 5 É en r* L> n w i : (M! u» N CD E

23 !(,) Mdern villabrännare. sttal 9 E n n J in L n m i P) rf + X Zi u. CD V 3 -t ' G i > i

24 Bilaga 1 c 2(4) Mdtrn villabrännarc. sttal 9 E c» CD I s - n J rf*.._ i i I I.. x i ~J. I *! u fj I

25 Miidtrn \ illabninnarc. M>U;II 9 -i -i \ -.-.* i v :-t *? T ii -n w ri T (Mj E j U. C N (M ri

26 B:!.-.j:a 1 c 4(4) Mdern \illahrannare. sttal 9 a n 5 'i CD ö 1 J f u. CD 7 -i

27 B:!.:v;a 2 a ](2) Aidic N iilibninnare. sitai - i r J CJ "7 ( U i "! ^ u # L f\l L L L L L [\ L L ( L

28 Äldre > illahrännare. *ttal -1 E ^- a> 1^ n n C Cvi x I -7 i- ". m m (M j I

29 Bilaga 2 b 1(2) Äldre vj abrann3re, sttal 5 E (D CD \ rl CD CD E 1 :, \ n n r. L I C rl 1 fr u m m w m m m N m r- m L

30 A!dre vi!!;ibrannarc. sttal 5 E? C-J (\J C < L.' C n.- ^ \ X I N x ^ 9 ji Z u m m N 1 m m J m m ;!

31 Diiacrt - <- Äldre villabidiinaie, söttal 9 E X C\l N C a f\l a CD ~ c: r E _i i 1 f f\ Cv T i IT"! c" CJ ^ C L -T- J "C \ C ID N w u m m m N

32 Mdrc \ illabninnare. smal 9 E rn [v n W - 1 f \ I x U i D l D l i n l. in ( \ j r - i n j h i n c \ i (M (M

33 \ A;:!}I;,I l,j L> Kl is ka iirmu ;i. PA K::r.t PM Kldnint; nu-d K 5 Ar,r,e ugmj 2-MetyInatalen -ILL ,64 Sun-.rr.a ider.t.ferace bicvkliska Acenaftylen Acenafteri_ Fl jren.5.13 Ferian'ren Ar.'.racen 2- > /et>'lar,tracen 4.5-Dirr;C-ryl?en3r,lren 4-ch/eIIer 9-!,'ety!fc-r~,antren 1-Metylfer,an!ren Fluran'.er» Benz(e)acenafty!en _^ Pyren Etyl-me^'l-fenantren Benz(a)fiuren 35i E _.466 " Mety!pyren 2-Metylpyren /!/etylfluranlren 1-Metylpyren Benz(ghi)fluranten Benz(c)fenantren Cyclpenlen(cd) pyren Eenz(a)an!racen Chrysen ch Trifenyl Benz(b)fluran)en Benz(j)fluran)en Benz(k)fluran1en Benz(e)pyren Benz(a)pyren Perylen lnden(1,2,3-cd)pyren Dibenz (ac.'ah) anir acener Benz(ghi) perylen Antanlren Crnen Summa identifierade PA Dibenzfuran Dibenztifen Carbazl Benz(d,e,f)dibenziifen Ben2tinafien Benzfenanlridin Benz(c,d)pyren-6-n Summa identfierade PM Tta! sumrr.a identfierade i! 1 1,_ !.5 2^ c ,84