Reburning Reburning med naturgas. Potential i Sverige Wlodzimiers Blasiak Kungliga Tekniska Högskolan Nordisk Gasteknisk Center Nordie Gas Technology Centre
Reburning med naturgas. Potential i Sverige Wlodzimiers Blasiak Värme- och Ugnsteknik KTH 21. Februar 1990
NGC's "Modelling ofcombustion Processes" and "Reburning" Projects The focus during current years is on the possibilities for reducing the emission of nitrogen oxides, NOx, from combustion processes. Natural gas, which is a very clean fuel, can generally be burned with a low emission of pollutants, thougb not without forrning a certain amount of nitrogen oxides. Initiated in early 1989 and scbeduled for completion by end 1990, two projects carried out by the Nordie Gas Technology Centre are intended to promote a better understanding of the formation of NOx and tbus create improved options for cutting down emissions of NOx from combustion processes. The two projects are entitled: Modelling of Combustion Processes and Reburning. l. Modelling of Combustion Processes The objective of the "Modelling of Combustion Processes" project is to develop a computer rnadel which can be used to develop combustion processes with low NOx emission. The model will be established by integrating flow and combustion models and a detailed desedptian of the reactions leading to the formation of nitrogen oxides. The prograrnme is intended to make possible detailed studies of, for example, burner design, size and geometry of the combustion chamber and operating conditions. The project will be rounded off with a number of scenarios in which the scope for achieving lower NOx emission is evaluated. The project is being executed by: SINTEF, Trondheim (Norway) Division ofthermodynamics Tecbnical University of Denmark, Lyngby Laboratory of Reating and Air Conditioning Åbo Academy, Åbo (Finland) Department of Chemical Engineering
2. Reburning Rebuming is a process that uses natural gas as an additive which, for example, when added to flue gas from the comhustion of coa~ reduces the content of nitrogen mddes in the flue gas. Natural gas is injected downstream of the primary combustion rone, creating a wne with reducing conditlons - the so-called reburning zone. Here, the nitrogen oxides are broken down by reactive hydraearbon radicals. After the reburning zone, air is fed in so thai uncombusted natural gas is oxidized before the flue gas is piped to the convection seetio n of the boller. Laboratory and pilot-seale trials have shown that a reduction of nitrogen oxide emissions of more than 50% is possible using the process, although the importance of process parameters s u ch as primacy and secondary surplus air, temperature conditions, dwell time and the volume of natural gas added have not yet been fully described. Tbese factors are being examirred in the project. Applying the computational tool described above, modified so as also to describe the reburning phenomenon, the aim is to optimize the reburning process, inter alia by incorporating the results of completed projects and demonstration projects in progress under other sponsorships. The project is being executed by: SINJ'EF, Trondheim (Norway) Division ofthermodynamics Technical University of Denmark, Lyngby Laboratory of Heating and Air Conditioning Åbo Academy, Åbo (Finland) Department of Chemical Engineering Royal Institute oftechnology, Stockholm (Sweden) Department of Heat and Furnace Technology
3. Publication ofproject Resnits The resulls from the two projeets are described in a series of reports compiled by the individual project partidpants as work progresses. These reports serve a variety of purposes; inter alia, they will ensure that the results are disseminated among the individual participants. Because the reports will contain the latest knowhow in the field and the Nordie Gas Teehnology Centre wishes to broaden the knowledge of new spheres of application for natural gas, the project reports will be publicized as and when compiled. It should be noted that although published by the Nordie Gas Teehnology Centre the reports will be reprinted unamended, as drewn up by the individual eonsultants. The views and attitudes expressed in the reports, therefore, do not necessarily refleet those of NGC. It is our hope that!hese publieations will stimulate interest
INNEHÅLLSFÖRTECKNING sid SAMMANFATTNING 3 l. INLEDNING 4 2 REBURNING 4 3. PANNOR I SVERIGE 7 3.1. Kriteria för pannklassificering.... 7 3. 2. NOx-ernmissioner....... B 3. 3. Kapacitet................................. s 4. REBURNINGS TILLÄMPLIGHET I SVERIGE... 10 5. SLUTSATSER l O 6. REPERENSER 12 FÖRTECKNING ÖVER BILAGOR 1. Kartor över befintligt samt planerat naturgasnät 2. Skisser över svenska pannor
3 SAMMANFATTNING Institutionen för Värme- och Ugnsteknik har på uppdrag av Nordisk Gasteknisk Center Undersökt möjligheten att i svenska pannor använda naturgas som reburningbränsle för att sänka NOx-emissionen. För studien valdes koleldade pannor i närheten av det befintliga eller planerade naturgasnätet som var större än 40 MW ut. Från det material som erhölls från de olika pannanläggningarna (20 st) bedöms 12 st vara intressanta för reburning. Deras sammanlagda kapacitet är 1878 MW. Åtta av pannorna ligger i anslutning till det befintliga naturgasnätet. Av dessa är fyra konserverade. Resterande 12 pannor ligger nära (max 30 km ifrån) det planerade nätet.
4 l. INLEDNING I denna rapport undersöks möjligheten att i svenska pannor använda naturgas som reburningbränsle. studien är begränsad till kolpulvereldade pannor större än 40MW som ligger nära det befintliga och framtida planerade naturgasnätet. studien är en del av det större projektet 11 Reburning 11 med Nordisk Gasteknisk Center (NGC) som uppdragsgivare. Projektet drivs i samarbete mellan: Institutionen för Värme- och Ugnsteknik, KTH, Stockholm, Sverige. -Laboratoriet for Varme og Klirnateknik, DTH, Lyngby, Danmark. - Förbränningskemi, Åbo Akademi, Åbo, Finland. - Institutt for Teknisk Varmelaere, NTH, Trondheim, Norge Reburning projektet är ett större projekt för forskning på begreppet reburning som en metod för NOx-reduktion med naturgas som reduktant. Målet med projektet är att vinna grundläggande kunskaper om reburningprocessen med naturgas. Forskare i Norge, Finland, och Danmark skall studera kinetiken hos NOx-bildning och -reduktion. Institutionen för Värme- och Ugnsteknik skall studera möjligheten att optimera NOx reducerande betingelser i panntyperna. I projektet 11 Reburning 11 ingår som ett delprojekt att kartlägga svenska pannor, lämpliga för reburning. Som en undre gräns sattes 40MW. En datorsökning hos statens Anläggningsprovning visade att det i Sverige finns 162 pannor större än 40MW. Utifrån detta material valdes pannor eldade med kol samt placerade nära naturgasledningen, den existerande samt den framtida planerade sträckningen, ut. Detta gav 13 pannor belägna nära den existerande ledningen samt 10 pannor intressanta i framtiden. se Bilaga 1 för befintliga samt planerade naturgasnätet. För att inte upprepa vad som redan skrivits i de tidigare rapporterna om Reburning i Finland och Internationellt gjordes en datasökning där endast sådana rapporter som ej refererats till i dessa rapporter tagits med. 2. REBURNING Reburning är en låg NOx-teknik där man använder en del av bränslet för att reducera NOx. I korthet tillgår processen så att en del av bränslet tillsätts i en senare zon, reburnzonen. I denna zon erhålls då en bränslerik blandning vilket gör att den NOx som bildades i förbränningszonen reduceras. över reburnzonen tillsätts luft så att en slutförbränning erhålls.
5 NOx reduktionen genom reburning är beroende av: - Luft/bränsleförhållandet.. Enligt försök i laborator i e och fullskalestudier har man funnit att en luftfaktor i reburnzonen på 0.85-0.95 ger optimalt resultat [2, 3, 4 1 7]. Mulholland et al [6) har funnit att det är luftfaktorn i förbränningszonen samt uppehållstiden i reburnzonen som ger störst reduktion. - Typ av reburnbränsle. Effektivast reduktion erhålls med flyktiga, lågkvävehaltiga bränslen (2, 3, 4, 7, 10]. - Uppehållstiden i reburnzonen. En längre uppehållstid ger bättre blandning av luft och bränsle. [2, 3, 7, 9]. Kokkinas [2] samt Ciotti [4] har funnit att uppehållstiden i reburnzonen bör vara minst 0.5 S 1 i slutförbränningszonen ca 0,6 s. Detta kan jämföras med Mulholland et al [3] som funnit att naturgas kräver en uppehållstid på 200 ms i reburnzonen. - Temperaturen. För att erhålla en maximal NOx-reduktion krävs att temperaturen i reburnzonen är så hög som möjligt, utan att störa förbränningszonen, samt att temperaturen i slutförbränningszonen är så låg som möjligt, utan att förhindra kolförbränningen i zonen. [2, 7, 9] - Brännerplacering [5 1 lo] se figur 1. NO x 111_9_ ~,J 800 OPPOSED FIRED SINGLE WALL FIREO 600 400 200 TANGENTIAL FIRf:D Fig. l 0+--~-.---,-----,--- J o 1000 1500 BOl LER INPUT NOx-emission samt funktion av pannstorlek vid koleldning ( 5 J.
6 Figuren visar att vid pannstorlekar över ca 1000 MWt är tangentiellt eldad panna att föredra. Vid pannstorlek under ca 1000 MWt kan likartade resultat i NOx emission uppnås med horisontellt motsatt samt tangentiellt eldad panna uppnås en lägre maximal NOx emission än för de övriga brännararrangemangen. - Initial NOx nivå. En reduktion på upp till 70% är möjlig, beroende av reburningbränsle, initial nivå samt luftfaktor [2, 10]. Mulholland et al [3] finner dock att man erhåller en 50%-ig NOx reduktion oberoende av initial NOx samt bränsle (7]. För att reducera NOx vid halter under 200 ppm krävs gasbränslen utan bränslebundet kväve [7]. Den mängd naturgas som bör tillföras reburningzonen har i litteraturen [2-7, 11) befunnits ligga mellan 10-30% av total bränslemängd. Pedersen [5], Greene et al [7] och Mulholland et al [6] fann dock att mängden bör vara ca 20% [5,7] respektive ca 15% [6].
7 3. PANNOR I SVERIGE För att samla information om svenska pannor och värmeverk som är lämpliga för reburning krävdes material om dessa. Efter kontakt med: - studsvik Energiteknik AB - Värmeverksföreningen - statens Anläggningsprovning fann vi att den typ av fakta som behördes inte existerar i någon databas. statens Anläggningsprovning har en mycket förenklad databas där följande information finns att hämta: - adress till värmeverk - namn och telefonnurnmemr till kontaktperson - effekt - bränsletyp - panntillverkare - år då pannan installerades. Därför beslöt vi att bygga vår egen databas. Teknisk information om pannor och värmeverk är ur militär och säkerhetssynpunkt mycket begränsad. En databas med sådan information kräver tillåtelse från statens Energiverk. Ett sådant tillstånd erhölls 89-08-08. Under hösten utsändes en enkät till svenska pannägare. Av de 23 utvalda pannorna erhölls uppgifter om 20. Av dessa är 4 pannor från början av 1950-talet. De är idag konserverade och kommer inte att köras i framtiden utan stora ombyggnader. En av de 20 pannorna eldas enbart med olja, och tre är av typ fluidiserande och cirkulerande. 3.1 Kriteria för pannklassificering. Ett av de viktigaste diskussionsämnena vid uppställningen av enkäten var vilken typ av information som skall ingå i databasen. Utifrån vår erfarenhet samt fordringar på en databas av denna typ bestämdes slutligen dessa kriteria: - utgående panneffekt - avstånd från befintligt och planerat naturgasnät - typ av bränsleförsörjningssystem - typ av bränsle. Den lägre gränsen för panneffekt sattes till 40 MW. Avståndet bedömdes enskilt från fall till fall. En gräns drogs dock om ca 30 km. Koleldade pannor studerades.
8 Totalt i Sverige finns 162 pannor. Av dessa uppfyllde 23 stycken ovanstående krav. 13 av dem ligger i anslutning till det befintliga nätet och 10 pannor ligger i anslutning till det planerade nätet. Den nya databasen innehåller följande information: - pannans lokalisering * plats * avstånd till befintligt naturgasnät * avstånd till planerat naturgasnät - panntyp de viktigaste geometriska parametrarna och dimensionerna på pannans förbränningsrurn. - brännertyp och antal - brännarposition pannans effekt - bränsletyp - medium (vatten, ånga) samt mediumparametrar (flöde, temperatur, tryck) - utrustning för rökgasrening - namn, adress och telefonnummer till kontaktperson. 3.2 NOx emissioner De i studien undersökta pannorna är byggda 1957 till 1985. Alla pannorna är koleldade och deras NOx utsläpp är ca 100-200 mg NoxfMJ I vissa fall är utsläppen så höga som 300 mg NOx/MJ. sedan 1988 är Naturvårdsverkets riktlinje för NOx utsläpp från koleldade pannor 50 mg NOx/MJ, vilket kan medföra problem för pannägarna att uppfylla när deras koncession skall förnyas. Reburning är därför ett intressant alternativ för NOx-reduktion. 3 3 Kapa c i te t Totala kapaciteten för de 20 pannorna är 2767,4 MW. Av dessa svarar de konserverade pannorna för 394,4 MW, de fluidizerande cirkulerande för 135 MW samt den oljeeldade pannan för 360 MW. Detta medför att kapaciteten för de pannor där reburning är ett realistiskt alternativ är 1878 MW. De 8 panor som ligger i anslutning till det befintliga nätet svarar för 1222,4 KW. Av dessa är 394,4 MW konserverade samt 360 MW oljeeldade vilket ger 460 MW.
9 Resterande 12 pannor ligger nära det i framtiden utbyggda nätet: 1545 MW. Av dessa är 3 CFB:l35 MW vilket ger 1410 MW. 6 av panorna är tangentialeldade: 1113 MW. Tre är av typ CFB:l35 MW. För de fyra konserverade finns inga uppgifter lämnade om förbränningsteknik. Resterande pannor är fronteldade. se tabell l. Tabell l. Svenska koleldade pannor större än 40 MW nära (max 30 km) det befintliga samt planerade naturgasnätet. Förbrän- Naturgas A vs tån Nr Bränsle nings- Kapacitet Bygg år Använd- konsum- till teknik MW ni ng t i on nätet m 3 n;h (km) l Kol Tangen- 125 1983 Värme 2883 o tie l l t eldad 2 Kol/ Front- 165 1957 Kraft/ 3805 o olja eldad värme 3 Olja Front- 360 1963 Kraft/ 8303 o eldad värme 4 Kol; - 4X98,6 1952-9096 o olja 5 Kol; Tangenolja tiellt 178 1980 Kraft/ värme 4105 o eldad 6 Olja; CFB 55 1985 Värme 1268 lo stenkol biobränsle 7 Kol; CFB 2x40 1985 Värme 1845 lo olja; torv B Kol Front- 3X100 1959 Kraft/ 6919 lo eldad värme 9 Kol; Front- 2Xl50 1963 Kraft/ 6919 lo olja eldad värme ' 10 Kol; Tangen- 450 1971 Kraft/ 10378 lo olja tiellt värme eldad 11 Kol; Tangen- 3X120 1982 Värme 8303 lo olja tiellt eldad
lo Pannornas läge redovisas i bilaga 1. Skisser över pannorna redovisas i bilaga 2. Naturgaskonsumtionen är räknad med en antagen panneffektivitet på 80%, naturgasen antages uppgå till 20% av totaleffekten. Naturgasens effektiva värmevärde sätts till 39 MJ/m 3 n. Den totala mängden naturgas uppgår till 63824 m3njh. Det saknas uppgift om hur många timmar pannorna är i drift. För de värmeproducerande pannorna uppskattas driftstimmarna till 5600 h (5100 h den kalla årstiden 15 sept - 15 april och 100 h/månad för resterande månader). För de kraft- och värmeproducerande antages att de är i drift året runt men endast till 50% under tiden 16 april - 14 sept. Detta ger 6900 h. Naturgaskonsumtionen under ett år blir då 359 034 500 m 3 n;år (359 x 106), vid maximal last. 4. REBURNINGS TILLÄMPLIGHET I SVERIGE Utgående från pannornas i Sverige tvärsnitt samt volymflöde gjordes en grov uppskattning av pannornas möjlighet att använda reburning. Vid en uppehållstid i reburningszonen på 0.5 s har alla i studien ingående pannor kapacitet för reburning. Den längd som krävs varierar från 0.4 till 1.3 m. De 8 pannor som inte ligger i direkt anslutning till det idag befintliga naturgasnätet kommer när nätet är uppbyggt ligga inom rimligt avstånd från detta. De tre pannorna av typ CFB kräver stora ombyggnader för att kunna använda reburning. Det anses därför mindre troligt att reburning kommer att tillämpas i dessa. För att de fyra konserverade pannorna skall tagas i drift krävs här stora ombyggnader. Då dessa även snart är 40 år gamla anses detta mindre troligt. 5. SLUTSATSER Av de 20 undersökta pannor som ligger i anslutning (max 30 km ifrån) till det befintliga och framtida naturgasnätet anses 12 vara möjliga att tillämpa reburning på. Dessa är alla koleldade. Av de övriga 8 kräver 7 stora ombyggnader även för att kunna tillämpa reburningtekniken. Tre av dem är av typ CFB och fyra är konserverade. Den åttonde eldas idag enbart med olja vilket denna studie inte undersöker.
11 Av de 12 pannorna är fyra från 1950-talet och två från början av 1960-talet, dvs sex är ca 30 år och äldre. Dessa kan därför anses närrna sig slutet på sin livslängd, vilket medför att det i Sverige idag finns sex pannor där reburning är ett realistiskt alternativ. Dessa sex pannor har en kapacitet på 1113 KW och den maximala naturgaskonsumtionen vid maximal last, 80% effektivitet samt 20% naturgasinjektion är 162,6 x 106 m3njår.
12 REFERENSER 1. Kremer, H.;, Mechenbier, R.; Schultz, w. 11 Wirksamheit der Stufenverbrennung bei der Minderung brennstoffbedingter NOx-Emissionen". Industriefeurung 38(1986) 9-15. 2. Kokkinos, A. "Reburning for eyelene Boiler NOx central". Control Technology, Jan 1989, Vol 39, No 1. 3. Mulholland, J.A.; Hall, R.E. 11 Fuel Oil Reburning Application for Nox central to Firetube Package Boilers 11 J. of Eng. for Gas Turbines and Power, Apr. 1987, vol 109 4. Cioffi, P 11 100 MW Demonstration of Coal Reburn in eyelene Boilers". NOx Emission Control, Feb. 1989 5. Pedersen, J. 11 BWE Low-NOx Combustion Systems". Burmeister & Wain Energi A/S 6. Mulholland, J.A; Lanier, w.s. 11 Application of Reburning for NOx control to a Firetube Package Boiler 11 J. of Eng. for Gas Turbines and Power, July 1985, vol 107 7. Greene, S.B.; Chen, S.L.; Pershing, D.W.; Heap, M.P.; Seeker, W.R. "Bench scale Process Evaluatian of Reburning for In-Furnace NOx Reduction 11 Transactions of the ASME July 1986, vol 108. 8. Glans, J.W.; Wendt, J.O.L. "Mechanisms Governing the Destruction of Nitrogenoas Species During the Fuel Rich Combustion of Pulverized Coal". 19th symp. (Int.) on Comb., The Combustion. Inst. 1982, pp 1243-1251. 9. Ruding, L. "sekundär bränsletillförsel till kolpulverflamma för reducering av NOx-emissionen". Värmetorsk 324 10.Strauss, K. 11 Betriebliche Konsequenzen bei primarseltiger NDx-Minderung in Kohlenstaubfeuerungen 11 VGB Kraftwerkstechnik 66, Heft 9, september 1986. ll.leikert, K.; Rennert, K.D.; ötte, M. "NO x-minderung durch Porennstoffstufung 11 VDI 574 ( 1985).
BILAGA 1 l :l KARTOR ÖVER BEFINTLIGT SAMT PLANERAT NATURGASNÄT
1:2. Siffrorna på Sverige-kartan är de två första siffrorna i V2.rje:OmråcteS pb.stiiunun ef-::~ :. Av ett postnummer kan du roed kartans hjälp.snabb,t.se,,v;u:.. t iandet orten ligger... - ' --.,,..,. -... '........< SKI:LlEnU 89-92 "83-84 0SlER$llNO. 85-88 78-79 " OOLLNJ<S 51JNo;>SVALl ' ' '. ' ""!r? Oel wemko nolurgosnötet6r 1Q88.
1:3 ~ ' ' t ' ' <... 1993.. jniw Sovje-t \ NATURGASNAT MELLANSVERIGE Planerad utbyggnad tolkad ur pressmeddelande från Swede Gas sommaren 1989 - -BEFINTLIG GASLEDNING PROJEKTERAD GASLEDN!NG ---GRENLEDNINGAR FÖR SENARE UTBYGGNAD -- STAMLEDNING SwedeGasAB
2:1 Bilaga 2 SKISSER ÖVER SVENSKA PANNOR
2:2 Panna l Panna 2. - l_i --- L_ lv v x >< -l <- ~ -c <- - - '""' Panna 3 Panna 5
2:3 Panna 6 Pan <.i 7 Panna 8 Panna 9
2:4 >< ~ f- - ~ - - ~ Panna 10 Panna 11
Publikationer fra Nordisk Gasteknisk Center Publications from Nordie Gas Technology Centre Titel: ISBN nr.: Konferencerapporter/Conference reports: Naturgasfyreda decentrale krafu-varmev!erker Naturgas i industrin Forskning och utveckling inom naturgasanvändning Naturgas och milj0 Industrielle t0rringsprocesser 87-89309-00-6 87-89309-02-2 87-89309-04-9 87-89309-06-5 87-89309-08-1 Projektrapporter/Research reports: Modsling and Chemical Reaeliens - Review of Turbulence and Gombustian Models Reburning - International Experiences with Reburning with Special Emphasis on Reburning Fuel lnjection and Mixing Modellering og Kemisk Reaktion - Statusrapport: Reaktionskinetisk database/den kemisk kinetiske medel Reburning- status over internatianale erfaringer statusrapport for methanudslip fra naturgasanl!eg i de nordiske l ande Forunders0gelse af minigasturbins Gasturbinernas tekniska nivå och utvecklingsriktningar Industriell gasanvändning i Norden - En branschanalys Nordie R&D Projaets within the field of Natural Gas Downstream Technologies- Directory 1990 The Fuei-Rich Hydraearbon/Nitrogen Chemistry - lmplications for Reburning with Natural Gas Reburning - Reburning using Natural Gas - Potential in Finland Modsling and Chemical Reaeliens- Detailed Modsling of NO, Emissions from Staged Gombustian in Full Scale Units Status Report cancern i ng Mathane Release from Natural Gas Systems in the Nordie Countries Reburning - Reburning med naturgas på kulst0vsfyrede kedler Potentials i Danmark Reburning- Reburning med naturgas- Potential i Sverige 87-89309- t 0-3 87-89309-t4-6 87-89309-t 6-2 87-89309-t 8-9 87-89309-20-0 87-89309-22-7 87-89309-24-3 87-89309-28-6 87-89309-30-8 87-89309-32-4 87-89309-34-0 87-89309-36-7 87-89309-38-3 87-89309-0t -4 87-89309-03-0 Publikationerne kan erhverves ved henvendelse tll Nordisk Gasteknisk Center. The publications are available from the Nordie Gas Technology Centre. Mar. 1990