Seminarium Praktisk Förbränningsteknik Fluidbäddpannor Södertälje 2011-09-14 Jan Olofsson
Jan Olofsson 2005=> Metso Power AB, Göteborg: Chef - Power Generation Service team Produktansvarig för service och ombyggnader av CFB- och avfallspannor 1995-2005: Kvaerner EnviroPower, KvaernerPulping och KvaernerPower: Processteknisk chef kraft- och avfallspannor. 1977-1995: Chalmers Tekn. Högsk. Inst. Ång-/Energiteknik, Götaverken Ång/Energiteknik ( Metso), Megtec, S.E.P Scandinavia Energy Project AB
Kraftpannor inom Metso Power BFB-pannor för avfall BFB-pannor för bio Rostpannor CFB-pannor Olje/gaseldade pannor 3 Date Author Title
Bränslets och askans inverkan på eldstadsutformning - kolpulver Tvärsnittsarea Eldstadsvolym 1,0 1,15 1,25 1,56 1,63 Lika termiska effekt 2,36 1,0 1,20 1,34 2,02 Påverkande faktorer (exempel): Rökgasflöde Utbränningstid Askhalt (gr/mj) Askanalys/kemi Asksmältförlopp Emissioner Ökande bränsle- och askflöde samt halter av fukt, aska, Na, Ca Källa: Joseph G. Singer Combustion Fossil Power Systems 4
Praktisk Förbränningsteknik Fluidbäddpannor Bränslen och och karaktärisering Fluidbäddpannor BFB CFB - Introduktion - Teknikval Bubblande FB-pannor - Processutläggning bio-bränslen Bränslepåverkan - Bränslesystem - Sintring, beläggningar - Överhettarkorrosion - Emissioner 5 Date Author Title
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
Bränslekaraktärisering steg 1: Analyser - Grundläggande data (fasta bränslen) Fukthalt Elementaranalys brännbart (C, H, N, O, S, Cl) Värmevärde (HHV, LHV, LHV ar ) Askhalt (550C, 815C) Elementaranalys för aska: Na, K, Ca, Mg, Si, P, Fe, Al, Ti Asksmältningsförlopp Bulkdensitet Partikelstorleksfördelning Halten flyktigt för kol Bly (Pb), zink (Zn), tenn (Sn) och metaliskt aluminium för avfall, RDF, returflis och material/biprodukter som kommer från industriella processer Beräkning av förbränningsparametrar och karaktäristiska tal 7 7
g/kg d.s g/kg dry solids Bränslekaraktärisering steg 2: Kemisk fraktionering Mest reaktivt = störst problem 35 Rest fraction, analysed 30 Leached in HCl Chemical fractionation - Chicken litter Crushed non-ashed sample 25 20 Leached in Acetate Leached in H2O H 2 O Water soluble - alkali- sulfates/carbonates/chlorides 15 10 NH 4 OAc Acetate leachable - organicaly associated 5 0 Si Al Fe Ti Mn Ca Mg P Na K S Cl Chemical fractionation - Bituminous coal HCl Acid leachable - carbonates/sulfates of alkaline earth metals and other metals Rest - silicates, insoluble rest 35 30 25 20 Rest fraction, calculated Leached in HCl Leached in Acetate Leached in H2O 15 Minst reaktivt = minst problem 10 5 0 Si Al Fe Ti Mn Ca Mg P Na K S Cl 8 8
Bränslekaraktärisering steg 3: Små FB- laboratorieriggar Används för : att allmänt undersöka hur ett nytt okänt bränsle uppför sig i en fluidiserad bädd att undersöka tändförlopp att utvärdera asksmält- och sintringsförlopp och samt eventuella beläggningstendenser att studera additive och/eller olika bäddmaterial att generar prover för andra analyser 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 5. 3. 8. 4. 7. 1.. 2.. 6. 9 9
Bränslekaraktärisering steg 4: Eldning i pilotanläggning alternativt proveldning fullstor anläggning Kartläggning av emissioner utbränning agglomereringsförlopp beläggingar (sonder) temperaturprofiler etc.etc. FB pilot boilers 1-2 MW => Cyclone Heat recovery Emission measurements ESP Stack Propane burner Electrical air preheater Flue gas recirculation Fluidized bed heat exchanger (FBHE) Fluidizing gas/ primary air 10
Fluidbäddpannor BFB och CFB Introduktion Teknikval
Fluidized Bed Combustion Technologies BFB CFB 12
Olika fluidbäddars karaktäristika Fast bädd Bubblande bädd Cirkulerande bäddar (turbulent) (konv. CFB) Pneumatisk transport Tryckfall bädd Ökande Part.flöde Gas hastighet 13
Värmevärde (MJ/kg) Fluidbäddpannor Val av teknik Bränsleberoende val CFB BFB 14 14 Andel flyktigt (vikt-%)
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 15
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 16 Ju högre värden på dessa parametrar => större cirk. bäddmaterialmängd
Bubblande FB-pannor Processutläggningg Date Author 17 Title
Bubblande Fluidbädd Eldstad Tertiärluft Eldstad Lastbrännare Fluidiserad bädd Eldstadbotten balkutförande HYBEX TM Startbrännare Sekundärluft Bränslematning Primarluft Bottenaskstup 18
BFB pannor Bäddbelastning och bränslets fukthalt/värmevärde Bäddbelastning/ Effektutveckling per ytenhet MW/m 2 Max uppmätt Design Designbränsle Bränslefukt (%) 19
Eldstadens dimensionering Designbränsle med låg fukthalt Designbränsle med hög fukthalt Överluft Överluft Rökgasrecirk. Primärluft Primärluft 20
Adiabatisk förbränningstemperatur Bubblande Fluidiserade Bäddar Bäddtemperatur För varmt Rökgasrecirk. Lastreduktion Designpunkt För kallt Luftunderskott Pyrolys/Förgasning Luftöverskott Förbränning Fukthalt 45% 50% 55% 60% 21 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.2 Luftfaktor
Luftfördelning vs. bränslets fukthalt Höjd Tertiärluft Sekundärluft Torrt bränsle Vått bränsle Slam Primärluft 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Luftfaktor 22
Pannlast (%) Förbränningsdiagram definierar bränsle och driftområde 100 80 60 40 2s 850 o C Begränsning pga för stort rökgasflöde c.a 80%last vid lägsta värmevärde 20 0 0 5 10 15 20 25 Bränsleflöde [kg/s] 23 23
Förändringar i pannans värmebalans till följd av hög fukthalt bränslet (exempelvis vid bränslebyte) Ökad rökgasmängd => förskjutning av värmeupptag bakåt i pannan: - För hög ångtemperatur i något överhettarsteg. - För stor insprutningsmängd i ångkylare => mättad ånga efter insprutare => beläggningar i ÖH. - kokande ekonomiser. - Förhöjda rökgastemperaturer i bakre draget => för hög avgastemperatur=> dålig verkningsgrad + problem i rökgasrening. 24
Bränslepåverkan Storleksfördelning Agglomerering och sintring Påslag,beläggningar Överhettarkorrosion Emissioner
Passerande andel (vikt-%) Bränslets storleksfördelning 100 90 80 70 60 50 Exempel på storleksfördelningar Träflis För stor grovandel Förbränningen förskjuts neråt till bädden => Hög bäddtemperatur => Sintringar Grövre askpartiklar => 1. Större andel bäddaska => Mer bottenutmating =>Större sand mängd 2. Risk för sintringar 40 30 20 10 0 0 50 100 150 Partikelstorlek (mm) Stycketov RDF För stor finandel Förbränningen förskjuts uppåt i eldstaden => 1. Låg bäddtemperatur => lastreduktion, stödbränsle 2. Hög eldstadtemperatur => slaggning i övre eldstad, ökad oförbräntandel i flygaska, ökade emissioner av CO, och Nox 26
Vanligt bränslesystem bioeldade BFB pannor Grovt/fint Pannhussilo Utmatningsskruv Segregering i silo Orsak : olämplig avlastning från yttre transportör Kan ge periodiska svängingar av förbränning/last Skraptransportör Doserskruv Mindre ficka Cellmatare Stup Segregering av bränslepartiklar Grova/fina Påverkar emissioner 27
Bränslesystem för att minska effekten av att stora partiklar går i ett bränslestup -utjämningsficka 28
Bränslepåverkan Agglomerering och sintring
Krävande bränslen Avlagring Avlagring Korrosion? INTERNAL Agglomerering Bränsle Bäddmaterial Additiv Al, Ca, Cl, K, Na, S, Si, P, Pb, Zn,... Panntyp Design 30 Date Author Title
Bäddagglomerering Sintring S 100% P 80% Na K 60% 40% Vikts-% Mg Ca Si Bäddkorn 20% 0% Yttre skikt Inre skikt Analys av bädd partikel ; förbränning av bark in en kvartsandsbädd (lab.test) Agglomerering av kvartssands partiklar. Lab.test Bäddpartikel från förbränning av träflis in en BFB. [Ref Umeå Univ.] 31
Alkalihalt är en utmaning Reagerande Reagerande alkali (Na+K) Reagerande Na Alkaligräns alkali, Na [ vikt % fast material] 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 B torv kol björkbark granbark avverkningsavfall eucalyptus bark granplywoodavfall björkplywoodavfall A B kvistmassa höngödsel 32 32
Förebyggande detektering av begynnande agglomerering: Termoelement för mätning av bäddtemperatur i olika nivåer INTERNAL Mätning av vertikal bäddtemperaturprofil i tre eller flera nivåer ovan dysor Termoelementen är placerade skyddsrör. Ackumulering av grovt bäddmaterial kan indikeras genom att först det nedre termoelementet visar på långsamt sjunkande temperatur senare även mittenelementet. På ett tidigt stadium kan åtgärder nu vidtas för att förhindra sintring genom att öka bottenutmatning och sandtillförsel. 33 Date Author Title
Direkt bäddjupsmätning med backblåsning (främst för bränsle med klibbande aska) INTERNAL Renblåsningssystem Tryckuttag direkt inne i bädden Fördelar: Igensättning av tryckuttag undviks Eventuell ingensättning av primärluftdysor påverkar in bäddjupsmätning Mätningen är direkt, inga beräkningar krävs 34 Date Author Title
Sänkt bäddtemperatur Agglomereringar 35 Beläggningtillväxt minskat med c.a 20 % i ÖH region Effekter av sänkt bäddtemperatur: Mindre agglomerering i bädden Lägre sandförbrukning Lägre beläggingstillväxt i ÖH Högre halt klorgas (HCl) i rökgasen Ökad förbrukning av kalk i rökgasreningsanläggningen (avfallseldning) Ökat rökgasmängd pga ökad rökgasrecirkulation. Agglomereringar saknas Källa: Waste refinery Presentation: Förbättrad förbränningsprocess med sänkt bäddtemperatur Bottenaska avfallseldning Normal bäddtemp. c.a 870 C Bottenaska avfallseldning Sänkt bäddtemp. c.a 700 C
Bränslepåverkan Påslag,beläggningar Överhettarkorrosion
Påslag i eldstäder INTERNAL 37 Date Author Title
Förändringar i pannans värmebalans/värmeupptag pga beläggningar Beläggningar i eldstaden => hög rökgastemperatur i/efter eldstad: - För hög ångtemperatur i något överhettarsteg. - För stor insprutningsmängd i ångkylare => mättad ånga efter insprutare => beläggningar i ÖH. - Ökad NOx-bildning - Dåligt fungerande SNCR. - Påslag och korrosion av ÖH. - Förhöjd rökgastemperatur efter ÖH i kombination med ökad rökgasrecirkulation/ökat luftöverskott=> 1. kokande ekonomiser. 2. Förhöjda rökgastemperaturer genom pannan => dålig verkningsgrad + problem i rökgasrening 38
300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 0 0 0 0 0 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 0 0 0 0 0 Andel smälta i askan wt-% Andel smälta i askan (vikt-%) Beläggningar Asksmältkurvor Överhettarbeläggningar Smältkurva utan bly och zink Överhettarbeläggning Smältkurva med bly PbCl2 KCl KCl NaCl NaCl Temperature C Temperatur ( C) 39
T(mat) 350 550 750 950 1150 wt-% melt Cl T(MAX) Korrosionsberäkningar och Materialval, Maximal temperaturer för överhettarmaterial INTERNAL 20 15 10 5 0 600 580 560 540 520 500 480 460 440 420 Corrosive Cl in the flue gas 400 600 800 FLUE GAS TEMP Low Alloy Steel 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Amount of Corrosive Cl Stainless Steel 680 660 640 620 600 580 560 540 520 500 480 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Amount of Corrosive Cl MELT CURVES 8 6 4 2 0 MAX MAT TEMP C 40 Date Author Title
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 Max material temperature [C] Materialval- Exempel INTERNAL 700 650 Max material temperature for non/low alloyed steel and stainless steel vs flue gas temperature Prim SH Tert SH Sec SH 600 550 500 450 400 350 300 Flue gas temperature [C] 41 Date Author Title
Tillsatser för att minska beläggning och korrosion Exempel från Värmeforsk (rapp 997 SEP, Chalmers m fl) INTERNAL Agglomereringstemp cyklonben Beläggningstillväxt ÖH-sond Rötslam 42 Date Author Title
CFB erbjuder möjlighet till alternativ placering av slutöverhettare - i cyklonlåset 43
Bränslepåverkan Emissioner
Emissionspåverkan i FB-processen Kväveoxider (NOx): - Kväveinnehåll i bränslet - Luftöverskott - Luftfördelning - Uppehållstid i eldstad - Rökgasrecirkulation - Bädd/rökgastemperatur. - CFB även kalkstillsats - SNCR Svavel: - Svavelinnehåll i bränslet - Förbränningsprocess/kalktillsats Lustgas (N2O): - Kväve och flykthalt i bränslet - Luftöverskott - Rökgastemperatur (re-burning) - Förbränningsprocess/kalktillsats - SNCR (urea) 45
Kväveinnehållets inverka på Nox-emission NOx=a+b*N^0.7?? 46
SNCR Nox reduktion SNCR non catalytic (NOx) reduction Reduktionsgrad är beroende på pannkonstrution och last BFB: 20 40 % reduktion av NOx CFB: 40 70 % reduktion av NOx Ammoniak- eller urealösning sprayas vid lämpliga temperatur fönster i eldstaden. 47
Bioeldade BFB-pannor - Typiska emissioner Bränsle (torrsubstans) Enhet Multi-cyklon El-filter Textilfilter Partiklar ash 5% mg/nm 3 1000-2000 Enbart sekundärluft 10-100 Sekundär + tertiärluft <10 Sekundär+ tertiärluft + SNCR NO x N 0.5% mg/nm 3 mg/mj 400 160 Låg askhalt eller lågt kalciuminnehåll 200-250 80-100 Självreduktion pga av aska 100-150 40-60 Med kalkstenstillförsel SO 2 S % reduktion 0 10-30 30-50 Jämn bränslematning och fördelning samt optimerad lufttillförsel CO mg/nm 3 mg/mj 50-100 20 40 N 2 O mg/nm 3 <25 * mg /Nm3 at 6% O2 dry 48
Bioeldade CFB-pannor - Typiska emissioner Bränsle (torrsubstans Enhet Multi-cyklon El-filter Textilfilter Partiklar ash 5% mg/nm 3 10-100 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 0 60-90 90-~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 49
Sammanfattning CFB processen är den verkliga multibränsleprocessen. BFB processen är bäst lämpad för förbränning av fuktiga biobränslen och RDF. Olika bränslen kräver olika analyser identifiera kritiska parametrar. Alkali-innehållet (Na och K) är kritiskt för agglomerering. Innehållet av reaktivt klor tillsammans med alkali är kritiskt för korrosion sekundär- och teritäröverhettare. Innehållet av bly, zink och reaktivt klor är kritiskt för korrosion i eldstad, konvektionsdelar och första primäröverhettare. 50