EXAMENSARBETE 2006:295 CIV Produktion av kraftvärme med restavfall från en fullskalig etanolfabrik Lars Forsling Luleå tekniska universitet Civilingenjörsprogrammet Maskinteknik Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik Avdelningen för Energiteknik 2006:295 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--06/295--SE
Förord Detta arbete är en civilingenjörsuppsats i maskinteknik med inriktning mot energi. Tacksägelse Jag vill tacka alla som hjälpt mig med detta arbete. Ett speciellt tack till min handledare Sylvain Leduc vid avdelningen Energiteknik på Luleå Tekniska Universitet som hjälpt mig med simuleringsprogrammet Aspen Plus och med andra problem som dykt upp under arbetets gång. Anders Wingren på Etek Etanolteknik AB för att förse mig med data till mina simuleringar i Aspen och hjälpt till med andra problem angående Aspen Plus. För hjälp med processkonfiguration och ekonomiska beräkningar. Markus Slotte, Foster Wheeler AB. Jan Strömberg, Torkapparater AB. Michael Mazur, Siemens Industrial Turbomachinery. Helge Karlsen, Ramab AB. II
Abstract As the need of finding a new energy sources for replacing fossil fuels grows, ethanol seems to be one of the solutions for it. Ethanol can be used in many applications where we today are using fossil fuels. Ethanol has many advantages, it doesn t contribute to the global warming, it can be produced locally and can in a near future be economical profitable depending on tax regulations and reduced production costs. The development of ethanol production plants get more sophisticated and give more ethanol from less feedstock. To further increase the efficiency of a full scale plant the solid waste products has to be utilized in an economical, environmental and efficient way. Aspen Plus have been used to simulate different technical solutions and working conditions. Combustion of waste product to produce process steam and steam to a power plant has been studied. Economical studies of an investment in a combined power and heating plant and different methods for drying the fuel have been investigated. III
Sammanfattning Allt eftersom behovet att finna nya energikällor som ersättning för fossila bränslen växer, ser etanol ut att vara en av lösningarna på detta. Etanol kan användas i många applikationer där vi idag använder fossila bränslen. Etanol har många fördelar, den bidrar inte till den globala uppvärmningen, den kan produceras lokalt och kan inom en snar framtid bli ekonomiskt förmånlig genom skatteregleringar och minskade produktionskostnader. Utvecklingen av etanolproducerande fabriker blir mer sofistikerad och producerar mer etanol på mindre råvara. För att ytterligare öka effektiviteten på en fullskalig anläggning måste restprodukterna bli utnyttjade på ett ekonomiskt, miljömässigt och effektivt sätt. Aspen Plus har används för att simulera olika tekniska lösningar och driftfall. Förbränning av restprodukter för att producera ånga till etanolprocessen och kraftvärmeanläggning har studerats. Ekonomisk studie av en investering i en kraftvärmeanläggning och olika tillvägagångssätt för att torka bränslet har blivit utredda. IV
1 INTRODUKTION...1 1.1 MÅL...1 1.2 METOD...1 1.3 KRAFTVÄRMEANLÄGGNINGEN...2 1.4 BRÄNSLET...2 2 BAKGRUND...3 2.1 FOSSILA BRÄNSLEN...3 2.2 BIOETANOL...3 2.2.1 Råmaterialet...4 3. ETANOLFRAMSTÄLLNING FRÅN LIGNOCELLULOSOR...5 3.1 GENERELL PROCESSKONFIGURATION...5 3.2 FÖRBEHANDLING...6 3.2.1 Mekanisk förbehandling...6 3.2.2 Syra förbehandling...7 3.2.3 Alkalisk förbehandling...7 3.2.4 Fysisk förbehandling...7 3.2.5 Biologisk förbehandling...8 3.2.6 Kombinerad förbehandling...8 3.3 HYDROLYS...8 3.3.1 Syrahydrolys...8 3.3.2 Enzymatisk hydrolys...8 3.4 FERMENTATION, DESTILLATION OCH SEPARATION...9 3.5 ENZYMATISK PROCESSLÖSNING...9 4. KRAFTVÄRMEANLÄGGNINGEN...11 4.1 KRAFTVÄRME...11 4.2 ÅNGPANNAN...12 4.3 ÅNGTURBINEN...12 4.4 KONDENSATTANKEN...13 4.5 BRÄNSLETORKEN...14 5 SIMULERING I ASPEN PLUS...15 5.1 ASPEN PLUS 11.1...15 5.2 SIMULERING AV ÅNGPANNAN...15 5. 3 SIMULERING AV ÅNGTURBINEN...19 5.4 SIMULERING AV BRÄNSLETORKEN...22 V
5.5 SIMULERING AV KONDENSATTANKEN...24 5.6 HELA ASPENSIMULERINGEN AV KRAFTVÄRME-ANLÄGGNINGEN...25 5.7 RESULTAT FRÅN SIMULERINGAR I ASPEN PLUS...26 6. EKONOMISK BERÄKNING AV EN INVESTERING...28 6.1 INVESTERINGSKOSTNADER...28 6.2 INTÄKTER...29 6.3 EKONOMISKT RESULTAT...30 7. RESULTAT OCH DISKUSSION...32 8. SLUTSATS...34 REFERENSER...35 VI
1 Introduktion 1.1 Mål Målet med detta arbete är att utreda möjligheten att förbränna restprodukterna från en fullskalig etanolfabrik och därigenom producera fjärrvärme och el i en kraftvärmeanläggning. På grund av den höga fukthalten i bränslet undersöks även möjligheten att torka bränslet med ånga. 1.2 Metod Bränsleflödet till kraftvärmeanläggningen baseras på Wingrens doktorsavhandling [1]. För att utreda värme och elutbytet vid förbränning av restprodukten i en Kraftvärmeanläggning används simuleringsprogrammet Aspen Plus. I Aspen simuleras ångpanna med förvärmning av matarvatten och inkommande luft. Matarvattenpumpens energiåtgång anses vara försumbar. Förbränningen antas vara ideal och inga värmeförluster till omgivningen är medräknade. Motströmsvärmeväxlare som ingår i ångpannan representerar ekonomiser, förångare och överhettare och antas vara ideala. Aspen Plus har inte funktionen att simulera avtappning av ånga från en turbin därför simuleras turbinen med fyra seriekopplade turbiner för att möjliggöra avtappningar av processånga till etanolfabriken, ånga till förvärmning av matarvatten och ånga till bränsletork. De seriekopplade turbinerna antas ha en isentropisk verkningsgrad på 0.95 och en mekanisk verkningsgrad på 0.9. Bränsletorken simuleras med två seriekopplade motströmsvärmeväxlare, värmekälla till torken är 4 bars ånga från turbinen och rökgaser från ångpannan. 1
Uppskattad investeringskostnad av turbin med generator, ångpanna, bränsletork och värmeväxlare inhämtas från personlig kommunikation med företag inom berörda branscher. Övriga kringliggande investeringskostnader erhålls från rapporter med liknande investeringsunderlag. Den värme som produceras antas vara möjlig att sälja till närliggande bebyggda områden i form av fjärrvärme till full effekt 75% av året. Producerat elöverskott säljs till elnätet och elcertifikat per producerad MWh från biobränsle säljs till elanvändare. Annuitetsmetoden används som ekonomisk beräkningsmetod för att avgöra om investeringen är vinstgivande. En ränta på 5% och en avbetalningstid på 15 år är antagen 1.3 Kraftvärmeanläggningen Anläggningen består av en ångpanna som ska producera processånga till etanolanläggningen och ånga som ska driva en turbin för elproduktion. Fjärrvärmen fås genom kondensering av ångan från turbinen. 1.4 Bränslet Det bränsle som används är restprodukter från etanolfabriken. Två olika restprodukter används varav den ena är en blandning av lignin och cellulosa och den andra är en komplex blandning av sockersirap med glukosliknande egenskaper. 2
2 Bakgrund 2.1 Fossila bränslen Energibehovet över hela världen ökar med en stadig takt och den huvudsakliga energikällan till detta behov är fossila bränslen. Under årens lopp har många nationer blivit ekonomiskt beroende av oljan. Medan behovet av olja ökat så har fyndigheterna av olja minskat. De oljefyndigheter som funnits har sakta men säkert börja sina. Detta har på senare tid bidragit till ständigt ökande priser på olja och därmed blivit en stor drivkraft för att minska oljeberoendet. Ett annat problem med användningen av olja eller andra fossila bränslen är de stora utsläppen av koldioxid (CO 2 ). Atmosfären består av flera växthusgaser och en av dessa gaser är CO 2. Växthusgasernas uppgift är att släppa in solstrålarna genom atmosfären men inte lika lätt låta dem passera ut. Detta fenomen kallas växthuseffekten och är avgörande för en livgivande temperatur på jorden. Nu när användningen av fossila bränslen på senare år har ökat kraftigt har också utsläppen av CO 2 nått en orimlig nivå. De senaste 250 åren har CO 2 koncentrationen i atmosfären ökat med 30%. Resultatet har blivit en global uppvärmning på jorden. Medeltemperaturen har under de senaste åren ökat med 0.6 C och en stigning på 1.4 6.8 C innan år 2100 förväntas [1]. 2.2 Bioetanol Bioetanol har många fördelar, den är en förnyelsebar energikälla, vilket menas att medan råvaran som etanol tillverkas av växer i vår natur så förbrukar den samma mängd CO 2 som den tillför vid förbränning av slutprodukten etanol. Bioetanol är en vätska med 3
bensinliknande egenskaper. Detta medför att etanolen kan ersätta bensinen till våra transportfordon. Redan idag används bioetanolen i många fordon, största delen av försäljningen av bioetanol är en blandning med 5% etanol och resten bensin men även E85, en blandning av 85% etanol börjar att bli allt vanligare. Brasilien är för tillfället den största producenten av etanol, och deras råvara är rörsocker. Därefter kommer U.S.A. som framställer största delen av sin etanol från majs. För att kunna producera etanol i större mängder med ekonomisk konkurrenskraft mot bensinen behövs billiga råvaror som skogsbiomassa eller restprodukter från jordbruket. Tyvärr är det betydligt svårare att producera etanol från lignocellulosabaserade råvaror än från stärkelse- och sockerbaserade råvaror. 2.2.1 Råmaterialet Råmaterialet för etanolframställning kan delas in i tre olika grupper, lignocellulosa, stärkelse- och sockerbaserade. Den är enklast att tillverka etanol från är från sockerbaserade råmaterial, där endast fermentering och destillation är nödvändig för att få fram etanol. Stärkelse- baserade råvaror som majs måste först hydrolyseras till glukos och sedan fermenteras och destilleras. Trä, som ingår i lignocellulosagruppen, består av tre huvudsakliga polymerer, cellulosa, hemicellulosa och lignin. Cellulosan och hemicellulosan är polysackarider som går att hydrolyseras och slutligen fermentera till etanol. Trä består av 40-60% cellulosa och bindningarna mellan cellulosamolekylerna är så starka att det inte går att lösa i vanliga lösningar med vatten som lösningsmedel. Hemicellulosa är lättare än cellulosa att lösa i hydrolysen och utgör 20-40% av den torra biomassan. Tillsammans med hemicellulosan 4
ligger ligninet som ett skyddande skal runt cellulosan, detta skal måste sönderdelas i en förbehandling innan en effektiv hydrolys kan göras. Trä består av 10-25% lignin, som är en stor komplex molekyl. Lignin är inte en kolhydrat och kan därmed inte fermenteras och omvandlas till etanol. Lignin är en av restprodukterna från en etanolfabrik. Ligninet har ett bra värmevärde och går att förbränna. Resterande andel i biomassan består av aska, syror, salter, mineraler och andra organiska material [2]. 3. Etanolframställning från lignocellulosor 3.1 Generell processkonfiguration Vid etanolframställning av lignocellulosor genomgår biomassan fyra grundläggande steg: förbehandling, hydrolys, fermentation och slutligen destillation, se figur 3.1. I förbehandlingen bryts biomassan ner i mindre delar och biomassans cellstruktur förstörs delvis. Hemicellulosan och delar av cellulosan löses till socker, delar av ligninet frigörs också från cellulosan. Hydrolyssteget löser resterande del av cellulosan till glukos. Under fermentationen så omvandlas sockret till etanol och till slut så destilleras blandningen till ren etanol och destillat. 5
Figur 3.1. Generell processkonfiguration 3.2 Förbehandling 3.2.1 Mekanisk förbehandling I den mekaniska förbehandlingen tvättas och sönderdelas råmaterialet till mindre delar. Mindre delar ger större yta area vilket ökar effektiviteten för enzymer, katalysatorer och ånga att penetrera fibrerna i råmaterialet. 6
3.2.2 Syra förbehandling Vid syra förbehandling används en utspädd lösning av svavel, salt eller salpetersyra ca: 0.5-1.5% koncentration. Detta ger ett ganska bra utbyte där 75-90% av hemicellulosan omvandlas till socker. Syran måste sedan neutraliseras före hydrolyssteget [2]. 3.2.3 Alkalisk förbehandling Vid alkalisk förbehandling användes kaustiksoda eller kalciumhydroxid som bas. Delar av hemicellulosan och allt lignin löses. Alkalireaktorn är billigare att köpa in än den för syra, men medför också en högre kostnad för kemikalier och miljöhantering av avfallsvatten. 3.2.4 Fysisk förbehandling Det finns två metoder av fysisk förbehandling. Den ena, ångsprängning, använder sig av komprimerad ånga vid ett tryck på 20-50 bar och en temperatur på 210-290 C. Under dessa förhållanden värms materialet i ett par minuter, sedan sänks trycket hastigt till atmosfärstryck. Detta ger en hög lösning av hemicellulosan men en dålig lösning av ligninet. Med hjälp av enzymet cellulas ombildas 45-65% av hemicellulosan till socker. Den andra metoden (LHV) Liquid Hot Water, löses hemicellulosan med komprimerat varmt vatten. Denna metod ombildar 88-98% av hemicellulosan till socker. Dock är denna metod fortfarande på forskningsstadiet [2]. 7
3.2.5 Biologisk förbehandling Biologisk förbehandling använder mikroorganismer för att bryta ner hemicellulosan och ligninet. Metoden är billig men processen är väldigt långsam [3]. 3.2.6 Kombinerad förbehandling Det finns flera kombinationsmöjligheter, ångsprängning med utspädd syra eller bas. Ångsprängning med utspädd bas fungerar bra på hårda träslag och rester från jordbruket men är inte så effektiv på mjuka träslag. 3.3 Hydrolys 3.3.1 Syrahydrolys Syrahydrolysen är uppdelad i två steg. Första steget är under milda förhållanden ca: 0.7% syra och 190 C i lösningen, detta görs för att inte det nybildade sockret ska brytas ner ytterligare, vilket skulle ge en mindre kvantitet av etanol i slutet. Till det andra steget, där miljön är hårdare 215 C med en koncentration på 0.4% syra går endast kvarstående solida produkter för att brytas ner till socker [3]. 3.3.2 Enzymatisk hydrolys Enzymatisk hydrolys ser ut att vara den mest lovande lösningen, med hög avkastning av socker. Den är kompatibel med de flesta förbehandlingslösningarna och är miljövänlig. I enzymatisk hydrolys används enzymer som kallas cellulaser till att bryta ner cellulosan till glukos. För tillfället är cellulas en stor kostnad vid etanolframställning, men forskning pågår med att göra dessa mer effektiva 8
och man beräknar med att de kommer att vara 7 ggr så effektiva år 2010 [3]. 3.4 Fermentation, destillation och separation I fermentationssteget ombildas sockerarterna glukos, xylos, galaktos, mannos och arabinos, som bildats från hemicellulosan och cellulosan, etanol Se figur 3.1. Fermentation av xylos och arabinos är svår. Genetisk forskning pågår för att ta fram en jäst som klarar detta på ett bra sätt. Därefter destilleras mixen varvid 94 procentig etanol samlas upp i ett kärl. Återstående destillat bestående av cellmassa och vätska samlas i ett separations kärl. I separationskärlet, se figur 3.1, separeras fasta restprodukter som lignin och cellulosa samt löst socker som ej fermenterats s.k. sirap [1]. 3.5 Enzymatisk processlösning När enzymatisk hydrolys används finns olika processlösningar på hur hydrolyssteget respektive fermentationssteget ska genomföras. Med separat hydrolys och fermentation (SHF), menas att hydrolysen och fermentationen sker i separata reaktorer. I figur 3.2 separeras först fasta produkter och lösbart socker till olika strömmar, det lösta sockret fermenteras och det fasta produkterna genomgår enzymhydrolysen och fermenteras senare. Produkterna destilleras därefter till etanol och destillat. 9
Figur 3.2. Enzymatisk processlösning SHF. Separat försockring och fermentation (SSF) processlösningen arbetar på ett lite annorlunda sätt. Där sker hydrolysen och fermentationen samtidigt, se figur 3.3. När cellulosan ombildas till glukos så fermenteras den omedelbart till etanol i samma reaktor. SSF lösningen har fördelen att inte lika många reaktorer behöver användas men det negativa är att hydrolysen och fermenteringen konkurrerar med varandra om den optimala driftmiljön. Om en jäst eller bakterie med högre temperaturtålighet utvecklas så kommer SSF processens effektivitet att öka betydligt. Figur 3.3. Enzymatisk processlösning SSF. 10
4. Kraftvärmeanläggningen 4.1 Kraftvärme En kraftvärmeanläggning producerar el och värme. Värmen används vanligtvis till fjärrvärme för närliggande bebyggda områden och anläggningens eget värmebehov. Den el som produceras täcker fabrikens elbehov och säljs även till elmarknaden. Den kraftvärmeanläggning som studerats och simulerats i Aspen Plus visas i figur 4.1. Figur 4.1 Schematisk bild på kraftvärmeanläggningen 11
4.2 Ångpannan Ingående bränslen som används är restprodukterna från etanolfabriken, ligninbränslet och sirapen. Ligninbränslet med 20% fukthalt efter torkning innehåller ca 80% lignin och 20% cellulosa. Sirapen som är en komplex blandning av olika sockerarter antas ha samma egenskaper som glukos och ha en fukthalt på 50%. Sirapen har efter kemisk analys konstaterats att den är väldigt svår att torka [4]. Ångpannan är en bubblande fluidiserad bäddpanna och prisuppgifter på installation av panna och tillhörande utrustning tillhandahölls av Foster Wheeler [5]. 4.3 Ångturbinen Turbinen är designad arbeta under 80 bars tryck och temperaturen 500 C för inkommande ånga. På turbinen finns tre avtappningar, 25 bar, 10 bar respektive 4 bar. 25 bars ångan ska användas som processånga till etanolfabriken till största del i förbehandlingen och hydrolysen. 10 bars ångan kondenseras till mättad vätska och dess uppgift är att höja matarvattentemperaturen till ångpannan genom att värmeväxla med utgående vatten från kondensattanken så kallad. matarvattenförvärmning. Matarvattnet värmeväxlar därefter även med 25 bars ångan för att ytterligare höja temperaturen på matarvattnet till 180 C se figur 4.2. En högre matarvattentemperatur medför att massflödet på matarvattnet kan höjas för att bibehålla samma temperatur på ångan till turbinen, därmed ökar effekten ut från turbinen. Flera avtappningar medför fler värmeväxlare och därmed en högre kostnad på turbinen. För att hålla priset nere förses små turbiner endast med en avtappning och större turbiner med två till tre avtappningar. 4 bars ångans uppgift är att upprätthålla rätta förhållanden i kondensattanken och för att torka bränslet i bränsle- 12
torken [5]. Utgående ångan från turbinen används till att producera fjärrvärme. I figur 4.2 visas ett flödesschema av processen. Figur 4.2. Schema för kondensatortanken och ångturbinen 4.4 Kondensattanken I kondensattanken samlas alla kondensat, ångflöden och spädvattet. Den processånga som tappas av till etanolfabriken förbrukas och kan inte återföras till ångcykeln därför tillförs spädvatten i samma mängd 13
som bortförd processånga. I tanken ska tillståndet vara 2.7 bar mättad vätska. En pump höjer sedan matarvattnet från 2,7 bar till 80 bar [5]. 4.5 Bränsletorken Bränslet torkas med indirekt teknik se figur 4.3. Med indirekt teknik menas att bränslet inte har direkt kontakt med det medium som ska torka bränslet. Bränsletorken är i princip en värmeväxlare där lågtrycksångan går i manteln av en roterande trumma och det blöta bränslet torkas i centrum. För att inte få en klibbig massa av bränsle så återförs torrt bränsle med strömmen av blött bränsle in i torken, varvid bränslet torkar fortare. Detta har många fördelar speciellt om bränslet har klibbiga egenskaper. Vattenångan som avdunstar vid torkningen bortförs med hjälp av rökgaser. 50% av de producerade rökgaserna används vid torkningen [6]. Figur 4.3 Indirekt torkning [6]. Vid undersökning utförda av Torkapparater AB konstaterades att torkning av ligninbränslet med endast rökgaser var ogenomförbart. Vid torkning med endast rökgaser krävs en hög rökgastemperatur till torken. Detta skulle medföra att ligninet i bränslet klibbar ihop till ohanterliga klumpar som tar lång tid att torka. [6]. 14
5 Simulering i Aspen Plus 5.1 Aspen Plus 11.1 Kraftvärmeanläggningen är utvärderad med hjälp av simuleringsdatorprogrammet Aspen Plus [7]. Anläggningen som simuleras är ansluten till en framtida tänkt fullstor SSF etanolfabrik med ett råvaruflöde på 25 000 kg/h. Etanolfabrikens driftförhållanden är hämtade från Wingrens doktorsavhandling [1]. Ingående flöden av bränslen redovisas i tabell 5.1. Tabell 5.1. Ingående bränslen till kraftvärmeanläggningen [4]. Lignin Sirap Temperatur [ C] 100 60 Tryck [bar] 1 1 Massflöde Torrsubstans [Kg/h] 7500 4250 Värmevärde [MJ/Kg TS] 26 15 Fukthalt [%] 70 50 5.2 Simulering av Ångpannan För att simulera en ångpanna byggdes den upp med reaktorn Rstoik, där förbränningen av ingående bränslen lignin, cellulosa och glukos simuleras. Rstoikreaktorn beräknar förbränningsreaktionerna utifrån stökometrisk jämnvikt från ekvation 1,2 resp 3. Produkten blir en het rökgas. Ett luftöverskott på 20% har antagits [5]. Förbränningen sker under 1 bars tryck och inga värmeförluster med omgivande miljö är antagen. Fullständig förbränning av produkterna har antagits. Inkommande bränslen till förbränningen är simulerade med fyra strömmar, lignin-, sirap-, luft och vattenströmmen. Lignin och cellulosa finns inte i Aspens databas för olika kemiska föreningar. 15
Nödvändig kemiska data för lignin och cellulosa från Appendix 1 infördes i Parameters- Pure components. I Parameters- Pure components definieras ligninets och cellulosans kemiska egenskaper, exempel på dessa är molekyl vikt, värmekapacitet, antal atomer och atom nummer. I ligninströmmen antas att ligninet och cellulosan är i fast fas. Detta antagande är en nödvändig förenkling för att inte tvingas föra in så många olika fysiska parametrar i Aspens databas för olika ämnen. Antagandet påverkar inte resultatet. Fraktionen av lignin respektive cellulosa är 80/20. Sirapen antas vara ren glukos med 50 % fukthalt. Glukos finns i Aspens databas för kemiska ämnen och lades bara till i components listan. Vattenströmmen in till Rstoikreaktorn är vattnet som finns i ligninbränslet efter torkning till 20% fukthalt. Inkommande luftström är den luft som behövs för fullständig förbränning samt ett luftöverskott på 20%. Förvärmning av luften sker i en värmeväxling med rökgaserna där temperaturen höjs från 10ºC till 100ºC, se figur 5.1. Figur 5.1 visar hur förbränningspannan är uppbyggd i Aspen Plus. Indata och utdata till Rstoikrektorn återfinns i tabell 5.2. 16
Figur 5.1 Processuppbyggnad av ångpanna i Aspen Plus. Tabell 5.2 In- och utströmmar till Rstoikreaktorn. Inströmmar Utströmmar Lignin Sirap Vatten Luft Rökgas Temperatur [Cº] 100 60 100 100 1313 Tryck [Bar] 1 1 1 1 1 Massflöde [Kg/h] 7500 8500 1750 116000 133875 Värmeöverföringen mellan rökgaser och matarvatten respektive inkommande luft till förbränningen simuleras med motströmsvärmeväxlaren MheatX. I MHeatX värmeväxlarna behövs data på båda inkommande strömmarna anges och specificering av önskvärt förhållande på en av de utgående för att beräkna sista strömmens utgående tillstånd. I simuleringen av kraftvärmeanläggningen antas att alla värmeväxlingar ske i motströmsvärmeväxlare och vara ideala. 17
Rökgasen värmeväxlar i tre steg med inkommande matarvatten till pannan för att producera 500 C ånga vid 80 bar till ångturbinen [9], värmeväxlarna 3, 2 och 1 representerar ekonomiser, förångare resp. överhettare. Därefter värmeväxlar rökgaserna med inkommande luft till förbränningen så kallad luftförvärmning. Tabell 5.3 och 5.4 kan beräknad data från Aspen Plus för de olika värmeväxlingarna avläsas. Tabell 5.3 Data från simulering i Aspen Plus för värmeväxling mellan rökgas och vatten för förbränningspannan. In Ut VVX1 Medium Rökgas Vatten Rökgas Vatten Ström beteckning 4 11 5 12 Temperatur [ºC] 1313 295 500 500 Tryck [Bar] 1 80 1 80 Ångfraktion 1 0,02 1 1 VVX2 Medium Rökgas Vatten Rökgas Vatten Ström beteckning 5 10 6 11 Temperatur [ºC] 500 200 288 295 Tryck [Bar] 1 80 1 80 Ångfraktion 1 0 11 0,02 VVX3 Medium Rökgas Vatten Rökgas Vatten Ström beteckning 6 9 7 10 Temperatur [ºC] 288 180 249 200 Tryck [Bar] 1 80 1 80 Ångfraktion 1 0 1 0 Tabell 5.4 Data från simulering i Aspen Plus för värmeväxling mellan rökgas och luft i förbränningspanna. In Ut VVX Medium Rökgas Luft Rökgas Luft Luft Ström beteckning 7 13 8 14 Temperatur [ºC] 249 10 180 100 Tryck [Bar] 1 1 1 1 Ångfraktion 1-1 - 18
Massflödet på matarvattnet regleras med en designspecifikation som reglerar flödet på matarvattnet tills temperaturen på utgående rökgaser sjunkit till 500ºC. Massflödet på matarvattnet uppgår då till 68695 Kg/h. Fysiska egenskaper av bränslena återfinns i Appendix 1 [8]. Stökometriska förbränningsreaktioner [8] Cellulosa C 6 H 10 O 5 + 6O 2 5H 2 O + 6CO 2 (1) Lignin C 7.3 H 13.9 O 1.3 + 10.125O 2 6.95H 2 O + CO 2 (2) Glukos C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6H 2 O + 6CO 2 (3) Simuleringarna gjordes med Solides som beräkningsmetod i Aspen Plus. Solides är ett beräkningsmetod i Aspen Plus som tillåter ämnen i Fast fas att förekomma i beräkningarna. 5. 3 Simulering av ångturbinen Ångturbinen simulerades med en antagen isentropisk verkningsgrad på 0,9 och en antagen mekanisk verkningsgrad på 0,95. Inkommande ånga har ett tryck på 80 bar och temperaturen 500ºC. Avtappningarna från turbinen simulerades genom att dela upp den i fyra olika seriekopplade delar där det utgående trycket från varje del var det önskade trycket för respektive avtappning, se figur 5.2. Aspen Plus kan ej simulera avtappningar från en turbin därför 19
seriekopplades fyra separata enheter vilket i verkligheten representerar en turbin. Figur 5.2 Processuppbyggnad i Aspen Plus för ångturbinen. Det utgående flödet från de tre första seriekopplade turbinerna delades upp med en splitter kallad Fsplit. Fsplit används i Aspen plus för att dela upp flödet av en ström till flera strömmar med önskat flöde. De olika flödena används dels i processen och det resterande flödet återförs till nästa turbin. Två designspecifikationer appliceras på simuleringen av turbinen. Designspecifikation är en funktion i Aspen Plus som möjliggör att Aspen reglerar en eller flera parameterar för att uppnå ett visst tillstånd av något i simuleringen, t.ex. en designspecifikation som höjer eller sänker massflödet av en ström genom en värmeväxlare så att temperaturen på det andra flödet sjunker till önskad temperatur. I simuleringen av matarvatten- 20
förvärmningen appliceras en designspecifikation på massflödet av ström 19 så att flödet fullständigt kondenserar till mättat vatten i värmeväxlingen med matarvattnet (ström 25). För att få konstant 2,7 bars tryck i kondensattanken så styr en designspecifikation massflödet på ström 23, se bild 5.2. Kondensorn för fjärrvärmen simulerades som en vanlig kylare som kondenserar utgående ånga till 100 C mättad vätska. Utgående och inkommande flöden för simulering av turbinen presenteras i tabell 5.5. Värmeutbytet i värmeväxlarna 25 bar, 10 bar samt fjärrvärme presenteras i tabell 5.6. Tabell 5.5 Flöden in och ut från turbin blocken. In Ut Turbin 1 Ström beteckning 12 14 Temperatur [ºC] 500 332 Tryck [Bar] 80 25 Massflöde [Kg/h] 68695 68695 Turbin 2 Ström beteckning 15 17 Temperatur [ºC] 332 222 Tryck [Bar] 25 10 Massflöde [Kg/h] 55786 55786 Turbin 3 Ström beteckning 18 20 Temperatur [ºC] 222 144 Tryck [Bar] 10 4 Massflöde [Kg/h] 50330 50330 Turbin 4 Ström beteckning 21 24 Temperatur [ºC] 144 100 Tryck [Bar] 4 1 Massflöde [Kg/h] 31596 31596 21
VVX- 10 bar VVX- 25 bar Tabell 5.6 Data för värmeväxling i anslutning till flöden från turbinen. In Ut Medium Vatten Vatten Vatten Vatten Ström beteckning 25 19 26 29 Temperatur [ºC] 131 222 171 180 Tryck [Bar] 80 10 80 10 Ångfraktion 0 1 0 0 VVX- Fjärrvärme Massflöde [kg/h] 68695 5456 68695 5456 Medium Vatten Vatten Vatten Vatten Ström beteckning 26 16 9 28 Temperatur [ºC] 171 332 180 224 Tryck [Bar] 80 25 80 25 Ångfraktion 0 1 0 1 Massflöde [kg/h] 68695 12909 68695 12909 Medium Vatten - Vatten - Ström beteckning 24-30 - Temperatur [ºC] 100-100 - Tryck [Bar] 1-1 - Ångfraktion 0,94-0 - Massflöde [kg/h] 31596-31596 - 5.4 Simulering av bränsletorken Bränsletorken simuleras med två seriekopplade MHeatX värmeväxlare, se figur 5.3. Figur 5.3. Processuppbyggnad i Aspen Plus för bränsletork. 22
Bränslet in till torken antas vara mättat vatten med en temperatur på 100 C. För att simulera bortförandet av ånga med rökgaserna värmeväxlar bränslet med hälften av de producerade rökgaserna och i nästa steg värmeväxlar bränslet med 4 bars ånga från turbinen. Flödet av 4 bars ångan representerar mediet som indirekt värmeväxlar med bränslet. Massflödet på 4 bars ångan regleras så att fullständig förångning av vattnet i bränslet sker till en temperatur av 100 C. I tabell 5.7 presenteras fullständig data för de olika flödena i värmeväxlarna. VVX- Rökgas VVX- Ånga Tabell 5.7 Data för värmeväxling i tork. In Ut Medium Rökgas Vatten Rökgas Vatten Namn ström 31 34 32 35 Temperatur [ºC] 180 100 102 100 Tryck [Bar] 1 1 1 1 Ångfraktion - 0-0,16 Massflöde [kg/h] 66937 16500 66937 16500 Medium Vatten Vatten Vatten Vatten Namn ström 22 35 33 2 Temperatur [ºC] 144 100 106 100 Tryck [Bar] 4 1 4 1 Ångfraktion 1 0,16 0 1 Massflöde [kg/h] 13700 16500 13700 16500 23
5.5 Simulering av kondensattanken Kondensattanken simuleras som en mixer i Aspen Plus. Förhållandet i tanken ställs in till 2,7 bar. För att reglera så att rätt tryck hålls i tanken används en designspecifikation på ström 23, se figur 5.4. Figur 5.4 Processuppbyggnad av kondensattank i Aspen Plus. Spädvattnet tillförs i samma mängd som den processånga som förs bort. Spädvattnet är tappvatten och antas ha en temperatur på 10ºC och ett tryck på 1 bar. Pumpen antas vara ideal och höjer trycket på det mättade vattnet från 2,7 bar till 80 bar. Energiåtgången i pumpen antas vara försumbar. 24
5.6 Hela Aspensimuleringen av kraftvärmeanläggningen Figur 5.5 Hela processuppbyggnaden av kraftvärmeanläggningen. 25
5.7 Resultat från simuleringar i Aspen Plus Aspens simuleringar visar att vid förbränning av 9750 Kg/h ligninbränsle vid 20% fukthalt efter torkning och 8500 Kg/h sirap vid 50% fukthalt behövs en ångpanna med 51,9 MW termisk effekt. Ångpannan genererar vid full effekt 68695 Kg/h ånga vid 80 bars tryck och en utgående temperatur från pannan på 500 C. Vid ingående trycket 80 bar och temperaturen 500 C på ångan ger turbinen en effekt på 14,3 MW. Restvärmen av ångan från turbinen kondenserades till 100 C och ger 16.5 MW värme till fjärrvärmenätet. För att beräkna den termiska pannverkningsgraden beräknades undre värmevärdet med ekvation 4 [10]. Ekvation 4 används av skogsindustrin för att beräkna värmevärdet av skogsbiomassa och är baserad på ett medelvärde av biobränslens vätehalt i viktprocent 5.8%. I jämförelse med Foster Wheelers beräkningar av LHV för ligninbränslet och sirapen stämmer ekvation 4 väldigt bra. Med undre värmevärdena för ligninbränslet och sirapen från ekvation 4 beräknades den termiska pannverkningsgraden med ekvation 5. H i = H T 2, 45 V [MJ/kg] (4) s H i =Undre värmevärdet H s =Övre värmevärdet T = Andel torrt bränsle V = andel fukt 2,45 = Vattnets ångbildningsvärme vi 25 C i MJ/Kg 26
n p Å ( i = öh i B H i mv ) (5) Å = Massflöde ånga i öh = Entalpi efter överhettare i mv =Entalpi matarvatten B = Massflöde bränsle Ekvation 4 och 5 gav en termisk pannverkningsgrad på 77%. Den låga verkningsgraden beror på osäkerhet i de övre värmevärdena i bränslet och den beräknade värmemängden som bildads vid förbränningen enligt simuleringarna i Aspen Plus. Enligt Foster Wheeler bör termiska pannverkningsgraden ligga mellan 85-90% vid förbränning av biobränslen. 27
6. Ekonomisk beräkning av en investering 6.1 Investeringskostnader Kostnaderna är baserade på en fullskalig etanolfabrik med kapacitet att producera 5813 Kg/h etanol. Drifttiden för anläggningen är 8000 timmar per år [1]. Följande huvudsakliga komponenter har tagits med i beräkningarna av kostnader. Kostnaderna framtagna av respektive företag är uppskattade utifrån aspens beräkningar och är baserade på investeringskostnad per MW. 1. Ångturbin med generator (Siemens Industrial Turbomachinery AB) 2. Bränsletork ånga (Torkapparater AB) 3. Ångpanna med bränslehantering och rökgasrening (Foster Wheeler) 4. Värmeväxlare (Ramab AB) [12] Kostnaderna för byggnader, kontrollsystem, ihopkoppling med existerande system och oljebrännare är från L. Gunnar Erikssons rapport Combustion of solid waste from wood-based ethanol production. Kostnaderna i Erikssons rapport antas vara likartade med investeringarna för denna kraftvärmeanläggning[17]. I rapporten utreds möjligheten att kombinera en kraftvärmeanläggning med en etanolfabrik. Kostnaden för administration och osäkerhet är antaget vara en procentuell del av totala fasta kostnader för investeringen. Totala grundinvesteringen för kraftproduktionen blev 422,8 Msek och kostnaden för ingående komponenter och andra kostnader kan avläsas i tabell 6.1. 28
6.2 Intäkter Tabell 6.1 Investeringskostnader för kraftvärme produktion Msek Ångturbin 14,3 MW 74,1 Ångpanna 51,9 MW 256,5 Byggnader 5 Värmeväxlare 1 Kontrollsystem 12 Ihopkoppling med existerande system 4 Oljebrännare 0,05 Tork 30 Totala fasta kostnader 382,65 Administration +10% 38,27 Osäkerhet +5% 1,91 Total grundinvestering 422,83 Vid försäljning av el producerat från förnyelsebar energi, får företaget elcertifikat som kan säljas på energimarknaden. Enligt svenska kraftnät kan licenserna säljas till ett pris på ca 203 Kr/MWh [13]. Marknadspriset för att el är ca 381,6 Kr/MWh. [14]. Den värme som antas kunna säljas till närliggande kund, säljs till ett marknadspris på 457,5 Kr/MWh [15]. Kraftanläggningen har en beräknad kapacitet att producera 114400 MWh el och 103680 MWh värme med en drifttid på 8000 timmar. Av den producerade elektriciteten används 60000 MWh i driften av etanolfabriken och resterande 54400 MWh el säljs till elnätet. Värmeproduktionen är baserad på att en försäljning av värme till full effekt är möjlig under 75% av året. Enligt rådande marknadspriser på el och värme skulle det ge intäkter enligt tabell 6.2 29
6.3 Ekonomiskt resultat Tabell 6.2 Intäkter under ett år. Intäkter MSEK El 20,76 Elcertifikat 23,22 Värme 47,43 Total intäkt 91,41 Tillverkningspriset på en liter etanol är enligt Wingrens doktorsavhandling 3,82 kr/liter. Wingren har räknat med en elkostnad på 0,26 kr/l [1]. Med nuvarande marknadspriser på el, 386,6 kr/mwh [14], skulle elkostnaden per producerad liter etanol öka till 0,49kr/l. Kostnaden för att producera en liter etanol skulle då bli 4,06 kr/l. I detta pris ingår att restprodukten säljs till marknaden och att fabriken köper in el. Se tabell 6.3 för Wingrens beräknade pris av produktion av etanol i en SSF fabrik. Tabell 6.3 Beräknad produktionskostnad av etanol [1]. Kostnad Kr/L producerad etanol Råmaterial 1,41 Rest produkt -0,86 Kapital 1,51 Elektricitet 0,26 Kemikalier 0,26 Enzymer 0,60 Andra kostnader 0,65 Total kostnad 3,82 Vid en investering i en kraftvärmeanläggning skulle detta medföra att fabriken blev självförsörjande på el. Den värme och el som genererats av kraftvärmeanläggningen säljs till rådande marknadspriser. Värmen säljs till närliggande bebyggda områden och elen till elnätet. 30
Annuitetsmetoden används för att beräkna inbetalningsöverskottet för kraftvärmeanläggningen med ekvation 6. Ränta på 5% och en avskrivningstid på 15 år antogs vilket ger en annuitetsfaktor på 0,0953 [16]. Årlig vinst per år = a-g annuitetsfaktor (6) a = Inbetalningsöverskott G = Grundinvestering Inbetalningsöverskottet består av intäkter från el och fjärrvärme. Den årliga vinsten för kraftvärmeanläggningen uppgår till 50,7 Msek/år enligt beräkningar med ekvation 6 och vinsten per producerad liter etanol till 1,09 Kr/liter. Posterna restprodukt och elektricitet tas bort från Wingrens etanolpris i tabell 6.3 detta på grund av att restprodukterna inte säljs till marknaden och egen producerad el används. Då skulle den slutliga kostnaden för att producera en liter etanol med vinsten från kraftproduktionen medräknad bli 3,33 Kr/l. 31
7. Resultat och Diskussion En SSF etanolfabrik med en kapacitet att producera 5813 l etanol/h och en drifttid på 8000 h/år skulle i kombination med en kraftvärmeanläggning kunna producera 114400 MWh el och 103680 MWh värme. En förutsättning är att etanolfabriken är placerad i närheten av ett bebyggt område med behov av fjärrvärme. Av de 114400 MWh el som produceras används 60000 MWh i driften av etanolfabriken och 54400 går till försäljning ut på elnätet. Om värme och el säljs till rådande marknadspriser kan priset på framställningen av en liter etanol reduceras med 1,09 kr/l. Marknadspriset på el är antaget vara dagspriset 2006-05-09 och marknadspriset på fjärrvärme är baserat på medelpriset för fjärrvärme i Sverige år 2005. En etanolfabrik i kombination med en kraftvärmeanläggning är ett ekonomisk fördelaktigt alternativ. Det krävs dock att etanolfabriken placeras där ett behov av värme finns. Stora fördelar finns även med att vara självförsörjande på el. Detta ger med ökande elpriser en sjunkande produktionskostnad för etanolen. Viss osäkerhet finns i hur förbränningen av sirapen ska lösas. Inga tester på detta har gjorts och det är för tidigt att säga om det med säkerhet kommer att fungera i praktiken. Hur mycket värmeutbyte förbränningen av restprodukterna exakt kommer att ge är också svårt att avgöra. Aspens beräknade värmevärden och de tillhandahållna värmevärdena från Etek stämmer inte helt överens. En av anledningarna kan vara att Aspen Plus beräknar ett värmevärd utifrån de kemiska egenskaperna för cellulosa och lignin införda i Aspen Plus. Dessa kemiska egenskaperna av cellulosa och lignin är en förenkling av 32
verkligheten. Lignin är en väldigt komplex molekyl som ser olika ut beroende på vilket trädslag den kommer ifrån. De kemiska egenskaperna införda i Aspen är ett medelvärde av alla dessa olika typer av lignins verkliga egenskaper. 33
8. Slutsats Vid en fullskalig etanolfabrik måste restavfallet användas på ett kostnadseffektivt sätt. Förbränning av restavfallet i en kraftvärmeanläggning är ett bra alternativ. En av anledningarna till detta är att etanolfabriken måste producera ånga till etanolprocessen. Därmed är stora delar av investeringskostnaden till en kraftvärmeanläggning redan betalda. Alternativa lösningar kan vara att producera pellets eller att bara sälja restprodukten till pelletsproducenter. I L. Gunnar Erikssons rapport görs en ekonomisk studie av en pelletsfabrik i anslutning till etanolfabriken. Ligninbränslet används där som råvara för att tillverka pellet. Rapporten visar att pelletsproduktion kan vara en möjlig lösning för hantering av restprodukten från en etanolfabrik. I studien uppskattas produktionskostnaden av en liter etanol kosta ca: 2,8 Kr/l om etanolfabriken använder sitt ligninbränsle för produktion av pellets. 34
Referenser 1. Wingren, A. Ethanol from softwood. Dept.of chem.. eng, 2005 2. Hammelinck, C, N. Hooijdonk, G. Faaij, A. Etanol from lignocellulosic biomass: teckno-economic preformance in short-, middle- and long term. 2004. 3. Hammelinck, C, N. Hooijdonk, G. Faaij, A. Prospect for etanol from lignicellulosic biomass: Techno performance as development progresses. 2003. 4. Wingren, A. Etek Etanolteknik AB. Örnsköldsvik. Sverige. Personlig kommunikation. 2006. 5. Slotte, M. Foster Wheeler Energi AB. Norrköping. Sverige. Personlig kommunikation. 2006. 6. Strömberg, J. Torkapparater AB. Göteborg. Sverige. Personlig kommunikation. 2006. 7. Aspen Technology, I.,et al,. Aspen Plus Version 11.1. 2001 8. Wooley, J. Putsche, V. Development of an Aspen plus physical property database for biofuels components. 1996. 9. Mazur, M. Siemens Industrial Turbomachinery AB. Finspång, Sverige. Personlig kommunikation. 2006. 10. Bioenergihandboken, www.novator.se/bioenergy/facts/eco.pdf. Sverige. 2003. 35
11. Alvarez, H. Energiteknik Del 2. 1990. s. 818. 12. Karlsen, H. Ramab AB. Stockholm. Sverige. 2006. 13. Svenska Kraftnät, Marknadsstatistik för elcertifikat system, https://elcertifikat.svk.se/. Sverige. 2006. 14. Nord pool. El börsen. www.nordpool.com. 2006-05-09. 15. Energimyndigheten, Fjärrvärme statistik för Sverige. www.steam.se. Sverige. 2004. 16. Olsson, J. Skärvad, P-H. Företags ekonomi 99. 2000. s. 213-214. 17. L. Gunnar Erikssons, Combustion of solid waste from woodbased ethanol production, 2005. 36
Appendix 1. Data för solides simulering i Aspen Plus Appendix 1 Physical properties for ASPEN PLUS database Aspen property Units Lignin Cellulose Property Molecular Weight MW 122.493 162.1436 Solid Heat of formation DHSFRM J/Kmole -1,592,659,000-976,362,000 Solid Molar Volume VSPOLY/1 Cum/Kmole 0.0817 0.106 VSPOLY/2 0 0 VSPOLY/3 0 0 VSPOLY/4 0 0 VSPOLY/5 0 0 VSPOLY/6 298.15 298.15 VSPOLY/7 1000 1000 Solid Heat capacity CPSPO1/1 CPSPO1/2 J/Kmole K 31431.7-11704 CPSPO1/3 394.427 672.07 CPSPO1/4 0 0 CPSPO1/5 0 0 CPSPO1/6 298.15 298.15 CPSPO1/7 1000 1000 Atom Number ATOMNO/1 6 6 ATOMNO/2 1 1 ATOMNO/3 8 8 ATOMNO/4 0 0 ATOMNO/5 0 0 ATOMNO/6 0 0 ATOMNO/7 0 0 ATOMNO/8 0 0 ATOMNO/9 0 0 ATOMNO/10 0 0 Number of atoms NOATOM/1 7.3 6 NOATOM/2 13.9 10 NOATOM/3 1.3 5 NOATOM/4 0 0 NOATOM/5 0 0 NOATOM/6 0 0 NOATOM/7 0 0 NOATOM/8 0 0 NOATOM/9 0 0 NOATOM/10 0 0 1
Appendix 2. Ingående och utgående flöden till kraftanläggningen Massflöde [kg/h] Tryck [Bar] Temperatur [C ] Processånga 12909 25 225 Spädvatten 12909 1 0 Matarvatten 68695 80 180 Ligninbränslet 30% TS 9350 1 100 Sirapen 50% TS 8500 1 60 2