Kraftvärme 2013 Förbränning i Fluidiserad Bädd Konstruktionsaspekter och Driftegenskaper. Stockholm /18 Jan Olofsson

Transkript

1 Kraftvärme 2013 Förbränning i Fluidiserad Bädd Konstruktionsaspekter och Driftegenskaper Stockholm /18 Jan Olofsson

2 Power business line products Boilers - Fluidized bed boilers for combustion of biomass, recycled fuel and coal - Modularized power and heating plants - Oil and gas boilers and boiler plants - Recovery boilers for chemical recovery Evaporators - Evaporators for black liquor concentration Environmental protection systems - Air pollution control systems for the pulp and paper, and power generation industries Services - Rebuilds and upgrades - Maintenance - Spare parts - Accessory products - Partner Services New products and technologies - LignoBoost for lignin removal - AshLeach for reducing the harmful chemicals in fly ash - Biomass gasification to replace oil and natural gas

3 Förbränning i Fluidiserad Bädd Konstruktionsaspekter och Driftegenskaper Förbränningsteknik allmänt - Bränslet bestämmer Fluidbäddpannor BFB CFB - Introduktion - Val av förbränningsteknik Bubblande FB-pannor - Processutläggning bio-bränslen Emissioner - Allmänt - BFB - CFB Sammanfattning 3

4 Förbränningsteknik allmänt Bränslet bestämmer

5 Förbränningstekniker - allmänt Gasforminga, flytande och pulverformiga bränslen Brännarsystem Fasta bränslen olja gas som back-up Fast rost, Fast snedrost, Mekaniska rostar Vibrarost, Wanderrost, Spreader stooker,etc Fasta bränslen olja, gas vid start eller som reserv BFB = Bubblande Fluidiserad bädd CFB = Cirkulerande Fluidiserad Bädd

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 Känn bränslet nyckeln till rätt teknikval och tillförligt drift Steg 1: Traditionella analyser Dimensionering - Fukt, aska, värmevärde, av: flyktiga beståndsdelar Eldstad - Elementaranalys: C,H,N,S,Cl, O, etc Överhettare - Askanalys: + övriga Al,Si,Fe,Na,K,Ca,P,etc värmeöverförande ytor Luft-,rökgas- och ask system Eventuella - Asksmältförlopp additiv. Prediktering - Storleksfördelning av: Rökgasemissioner - Bulkdensitet Förbrukningar - Etc av additiv, el, etc Steg 2: Kemisk fraktionering Mest reaktivt = mest utmanande bränslen Bestämmer : H 2O HCl Crushed non-ashed sample Water soluble - alkali- sulfates/carbonates/chlorides Överhettarutforming Acetate leachable Materialval NH 4OAc - organicaly associated Additiv Ev. begränsningar av ångdata Acid leachable - carbonates/sulfates of alkaline earth metals and other metals Steg 3: Små laboratorie-riggar Undersöker : 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 Tändförlopp Utbränningstid 5. Reaktionshastighet 4. Agglomerering - additiv Steg 4: Proveldning i pilotanläggning Undersöker : Emissioner Beläggningsbildning Korrosionshastighet Agglomerering additiv Speciella undersökningar Minst reaktivt = minst problem Rest - silicates, insoluble rest 7

8 Fluidbädd pannor BFB och CFB Introduktion Teknikval

9 Fluidized bed combustion technologies BFB = Bubbling Fluidised Bed CFB = Circulating Fluidized Bed 9

10 Olika fluidbäddars karaktäristika Fast bädd Bubblande bädd Cirkulerande bäddar (turbulent) (konv. CFB) Pneumatisk transport Tryckfall bädd 10 BFB: 1-2 m/s Ökande Part.flöde CFB : 4-6 m/s Gas hastighet

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

12 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 12

13 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 13 Ju högre värden på dessa parametrar => större cirk. bäddmaterialmängd

14 Materialflöden i eldstad/cyklon-loopen i CFB FÖRBRÄNNINGSLUFT ~ 135 kg/s RÖKGAS ~ 148 kg/s KOL ~ 17,5 kg/s ASKA I KOL ~ 4,5 kg/s KALKSTEN ~ 2,5 kg/s FLYGASKA ~ 5,5 kg/s KOLELDAD CFB-PANNA Termisk effekt : 300 MW th Kol : Eff. Värmev 18,8 MJ/kg Askhalt: 30 % d.s. S-innehåll: 1,2 % d.s. ELDSTAD EXTERN PARTIKEL- CIRKULATION VIA CYKLONER ~1000 kg/s CYKLON(ER) PARTIKELLÅS/ ÅTERFÖRING BOTTENASKA ~ 1,5 kg/s 14

15 CFB erbjuder möjlighet till alternativ placering av slutöverhettare - i cyklonlåset 15

16 Bubblande FB-pannor Processutläggning

17 Bubblande Fluidiserad Bädd Eldstad Tertiärluft Eldstad Lastbrännare Fluidiserad bädd Eldstadbotten balkutförande HYBEX TM Startbrännare Sekundärluft Bränslematning Primärluft Bottenaskstup 17

18 BFB pannor Bäddbelastning och bränslets fukthalt/värmevärde Bäddbelastning/ Effektutveckling per ytenhet MW/m 2 Max uppmätt Design Designbränsle Bränslefukt (%) 18

19 Eldstadens dimensionering Designbränsle med låg fukthalt Designbränsle med hög fukthalt Överluft Överluft Rökgasrecirk. Primärluft Primärluft 19

20 Adiabatisk förbränningstemperatur Bubblande Fluidiserad Bädd Bäddtemperatur vid eldning av biobränslen För varmt Rökgasrecirk. Lastpåverkan Designpunkt För kallt Luftunderskott Pyrolys/Förgasning Luftöverskott Förbränning Fukthalt 45% 50% 55% 60% Luftfaktor 20

21 Eldstadens temperaturprofil Höjd Bränsle med låg fukthalt Höjd Bränsle med hög fukthalt Sekundärluft Sekundärluft Fluidbäddens höjd Temperatur 1000 C Temperatur C 21

22 Emissioner

23 Emissioner i FB processen påverkande faktorer Kväveoxider (NOx): - Kväveinnehåll i bränslet - Luftöverskott - Luftfördelning - Uppehållstid i eldstad - Rökgasrecirkulation - Bädd/rökgastemperatur. - CFB även kalkstillsats - SNCR Svavel: - Svavelinnehåll i bränslet - Förbränningsprocess/kalktillsats Lustgas : - Kväve och flykthalt i bränslet - Luftöverskott - Rökgastemperatur (re-burning) - Förbränningsprocess/kalktillsats - SNCR (urea) 23

24 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 24

25 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 25

26 Sammanfattning

27 Sammanfattning Val av förbränningsteknik bestäms främst av bränslet Olika bränslen kräver olika analyser identifiera kritiska parametrar. CFB processen är den verkliga multibränsleprocessen. BFB processen är bäst lämpad för förbränning av fuktigt biobränsle. BFB- och CFB-pannor har demonstrerat hög tillgänglighet, vanligen > 98 %. Generellt ger BFB- och CFB- processerna låga emissioner och hög utbränning, pga jämna och stabila förbränningsförhållanden. I CFB finns bättre möjligheter att styra förbränningen jämfört med BFB, varför ytterligare möjligheter finns till att optimera emissioner. 27

28 company/metso metsoworld metsogroup metsoworld metsogroup