Praktisk förbränningsteknik- bränslen och pannor 14-1515 september 2011 Scandic Skogshöjd Södertälje Additiv för ökad tillgänglighet Solvie Herstad Svärd WSP Process Consulting f.d. S.E.P. Scandinavian Energy Project AB solvie.herstad.svard@wspgroup.se svard@wspgroup se 0705-32 55 16
Inledning Kort om olika åtgärder Upplägg Resultat från Värmeforskprojektet Agglobelägg Exempel från andra forskningsprogram Samförbränning hushållsavfall/industriavfall och rötslam KME Samförbränning SLF och rötslam WR Svavelrecirkulation WR Samförbränning Lignin och barkpellets FRAM2 Slutsatser/diskussion
S.E.P. Konsulter inom energi- och miljöteknik 9 medarbetare Civilingenjörer kemi- och maskinteknik k ik Grundades 1988 Kontor vid SKF-nya kulan i Göteborg En del av WSP Group sedan 2011-04-15 och ingår i WSP Sverige Process Vårt mål är att förse våra kunder med spetskompetens inom termisk energiomvandling med tillhörande miljöaspekter. 2011-09-16
Vi är WSP - vi levererar i 35 länder 9 000 konsulter globalt Omsätter 7 900 MSEK Noterat på börsen i London sedan 1987
WSP i Sverige Specialist- tjänster och integrerade lösningar Söker optimala hållbara lösningar 2 400 medarbetare i Sverige Stark lokal Stark lokal förankring
WSP Process Effektivisering för industri- och energibolag Våra verksamhetsområden Konsulttjänster inom energi (förbränningsteknik, pann-, turbin- och ångteknik samt bränsle- och materialhantering) Kompletta konsulttjänster inom processteknik Avancerad rådgivning inom process Avancerad rådgivning g inom energi Provningstekniska lösningar Antal anställda: Cirka 35
Organisation, WSP Process WSP PROCESS Tf Jan-Åke Fransson SEP S.E.P. BUSINESS DEVELOPMENT Eva Nilsson TESTING TECHNOLOGY Johnny Eliason PROCESS ENGINEERING Pierre Almqvist PROJECT MANAGEMENT Ingrid Nohlgren PROCESS CONSULTING Ola Thorson ENGINE ENGINEERING MECHATRONIC PLANT ENGINEERING Michael Axeborn PROCESS AUTOMATION Tf. P.Almqvist
Bränslerelaterade driftproblem Agglomerering i bädd och i cyklonbensretur Påslag gpå eldstadsväggar Beläggningsproblem på värmeöverförande ytor Korrosion Stoftbelastning Ansamling av överstort material risk dålig fluidisering risk för sintringar i
Askrelaterade driftproblem mycket kemi Kalium Natrium Klor Kisel Svavel Aluminium Bly Kalcium Fosfor Magnesium Zink Genom att ha kravspecifikation på bränsle, tillföra additiv eller smart blandning av bränslen kan man minska problem
Källa: Foster Wheeler Bränslet styr design av panna
Forskning och utveckling Värmeforsk, Elforsk,KME, Waste Refinery, (TPS-branschforskning) Drivkraften är mer el d.v.s. högre tryck och temperatur och minskade driftproblem. Avfallspannor har traditionellt varit designade för 400 C och 40 bar. ÖH-tuberna oftast i kolstål ev. belagda med höglegerat stål. I CFB-pannor kan man placera ÖH i cyklonbensretur => ökade ångdata. Smarta bränsleblandningar och additiv ändrar kemin i eldstad och rökgas potential att minska problem, öka ångdata mm. Typ av panna (avfall, bio) styr vad man kan samförbränna.
Tillsätta svavel 2KCl + S + 2O 2 K 2 SO 4 + 2HCl Elementärt svavel Ammoniumsulfat (Chlor-Out) Andra sulfater aluminium, järn Samförbränna med svavelrikt bränsle; torv, rötslam, skogindustriellt bioslam, gummi, lignin Svavelsyra - recirkulation av svavel från rökgaskondensering
ChlorOut IACM Mätpos. sonder KCl NaCl SO 2 Insprutningslansar IACM baseras på molekylär absorption i UV/vis-området. Mäter SO 2, KCl och NaCl Ammoniumsulfat doseras vid 800-900 C SO 3 reagerar med KCl/NaCl ChlorOut lösning Mätpos. Lufö-sond
Fånga in alkali Tillsätta kaolin som binder alkali i sin struktur Torvaska och rötslamsaska kan sannolikt binda alkali Sänka temperaturen t i bädden för att minska avgång av alkali => mer alkali binds upp som alkalisilikater Öka bäddomsättningen för att blöda ut askkomponenter
Tillsätta fosfor Samförbränna med fosforrikt bränsle t.ex. rötslam, Biomal Dosera fosfater i rökgaskanal likt Chlor-Out
Olika åtgärder påverkar processen Svaveltillsats Elementärt Svavel Bränslesvavel (torv, kol, gummidäck, kommunalt slam) Ammoniumsulfat, Järn-aluminiumsulfat Ammoniak Urea Ammoniumsulfat Kvävetillsats Askkomponenter Kaolin och kalcium Lermineraler i bränsleaska (torv, kol..) Kaolin och kalcium i restprodukter (avsvärtningsslam, smetspill) Zeoliter i kommunalt avloppsslam Byte av bäddmaterial Olivinsand, Hyttsand, PFBC-aska CO Dioxiner NOx Beläggningar/korrosion Bäddagglomereringar
Olika åtgärder påverkar processen Viktigt med ett helhetsgrepp!
Åtgärder för samtidig minimering i i av alkalirelaterade driftsproblem-agglobelägg 2005-2010 VF-Rapporter 997,1037 och 1167 Projekt partners: S.E.P. Scandinavian Energy Project AB Chalmers Tekniska Högskola (Energiteknik, Oorgan och HTC) SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut Vattenfall Research and Development Finansierat av Värmeforsk, AB Fortum Värme och E.ON
Projektutförare tfö Solvie Herstad Svärd Britt-Marie Steenari Lars-Erik Åmand, Jessica Bowalli, Johannes Öhlin Jesper Pettersson, Sofia Karlsson, Erik Larsson, Jan-Erik Svensson, Lars-Gunnar Johansson Kent Davidsson, Linda Bäfver Matts Almark S.E.P. Chalmers Avd. Oorganisk kemi Chalmers Avd. Energiteknik Chalmers HTC SP Vattenfall Research and Development
Vilka åtgärder påverkar vad?? Agglomereringar, beläggningar, korrosion Additiv Kaolin Sulfat Fosfat Svavelgranuler Kaolin+ammoniumsulfat Basbränsle 75% trä+25% halm 80% bark+20% avfall Hushållsavfall + industriavfall Byta bäddmaterial Hyttsand Olivinsand Bottenaska från Värtan (Kolaska +dolomit) Blanda bränslen Torv Kommunalt Rötslam Skogsindustriellt avsvärtningsslam
Agglomereringar - Uppkomst Otillräcklig fluidisering (lokalt p.g.a. igensatta dysor eller anrikning av skrot) Lokalt förhöjd temperatur eller tillfälliga temperaturökningar t i bädden (t.ex. oljebrännare i gammal bädd) Otillräcklig bäddomsättning (för mycket skrot) Otillräcklig tillförsel av ny sand/bäddmaterial (anrikning av alkali eller besvärliga askelement)
Agglomereringar - Uppkomst Samverkan mellan bäddmaterial och bränsleaska Anrikning i av bränsleaska med låg smältpunkt Alkali i gas-,aerosoleller partikelfas Lagerbildning genom reaktion mellan alkali och bäddmaterial Lagerinitierad bäddagglomerering Förenklat: Natrium och Kalium Sand partikel Sand partikel Sänker smältpunkt Smälta/klibbiga askfragment Smältainitierad bäddagglomerering Kalcium, Magnesium och Aluminium Höjer smältpunkt Sand- Sand partikel partikel Sandpartikel
Partiklar från cyklon Chalmers CFB-panna bränsle 80% bark 20% avfall
Alkalisilikater i lager runt sandpartiklar SEM-EDX-bilder av sandpartiklar Innersta lagret: kaliumsilikat Kisel Det yttre lagret domineras av kalcium och kalium Kalium Kalcium
Åtgärder för att minska risken för bäddagglomerering Bra kontroll på bäddkvalitet Se till att omsätta bädden undvik dikansamling av grovt material som inte fluidiserar Ändra kemin Tillsats av kaolinlera Samförbränning med bränslen som har gynnsam aska t.ex. rötat kommunalt avloppsslam, vissa slam från skogsindustrin, torv, eller kol Byte av bäddmaterial kan orsaka ökade problem med beläggningar g och korrosion
mg/kg ts 350 000 Askinnehåll 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 0 mg/kg g aska Trä Halm Rötslam Avs-slam Torv 700 000 Si 600 000 500 000 Fe 0,6 5,3 53,1 53,3 4,1 P Ti Mg 400 000 Al 300 000 Ca Na 200 000 K 100 000 Cl S 0 Trä Halm Rötslam Avs-slam Torv Si P Ti Fe Mg Al Ca Na K Cl S Inblandning : Rötslam 8% av ts Avsvärtningsslam 6 % av ts Torv 48% av ts
Initial bäddagglomerering Temperatur [ C] 1100 1050 1000 950 900 850 800 Ref RefCl Röt RötCl Torv AmAvs AmKao AmKaoCl
Situationen vid en ÖH Rökgas KCl, HCl, H 2 O, O 2, SO 2, CO 2, NOx, askpartiklar, sandpartiklar NaCl, KCl, K 2 SO 4, Na 2 SO 4, CaSO 4,CaCO CO 3 Avlagring (Fe,Cr) 2 O 3 (Fe,Cr,Ni) 3 O 4 Fe, Cr, Ni, Mn, Mo Ånga Oxid Metall Källa:Jesper Pettersson HTC Chalmers
Motåtgärder korrosion Anpassa pannan efter bränsle t.ex. tomdrag, placering av ÖH i cyklonbensretur. Välja mer höglegerat material till överhettare Förändra rökgasens kemiska sammansättning, t.ex. med additiv eller samförbränning Sota lagom mycket Sänka materialtemperaturen Höja materialtemperaturen?
Kaliumklorid(g) - ökad risk för korrosion Kaliumkloridhalten i rökgasen ökar vid halmdosering KCl = 30 ppm Halmdosering startas t
Beläggningsmätning med gg g g tempererade sonder
ka ämnen n (mg/h*m2 2) Belägg gningstillv växt för oli 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Beläggningstillväxt trä och halm +extra klor(pvc) Ref RefCl_2 RötCl AmCl_2 AmKaoCl_2 Si P Mg Al Ca Na K Cl S Alkaliklorid (g)= 44 109 5 15 13 SO2(g)= 9 2 75 90 109
olika ämn nen (mg/h* *m2) Belä äggningsti illväxt för 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Beläggningstillväxt Ref AmKao_2 Avs AmAvs Torv_2 Aska Röt_2 Si P Mg Al Ca Na K Cl S KCl(g)= 44 7 83 34 29 62 1 SO 2 (g)= 9 90 2 27 84 13 76
Agglobelägg Etapp 3 Chalmers Åtgärder testade i etapp 3 Tillsats av sulfat och fosfat Samförbränning med 4 olika rötslam Basbränsle 20 % Avfallspellets 80 % Barkpellets Effekt på agglomerering, beläggningar och initial korrosion?
Agglobelägg Etapp 3 - P14 Händelö Åtgärder testade i etapp 3 Samförbränning med rötslam 3 4 % av ts Basbränsle Hushållsavfall 30 50% Industriavfall 50 70% Korrosion och materialavverkning
Chalmers 12 MW CFB-panna Sulfate or Phosphate Bark 80% RDF 20% Digested Sewage Sludge Källa: Lars-Erik Åmand Chalmers Energiteknik
Rötslam Lågt värmevärde Torra slam Mycket aska 10-13 MJ/kg Svavel och fosfor Fuktigt Aluminium, järn och 0,6-1,8 MJ/kg kalcium Additiv
mg/kg ts Är det skillnad på olika slam?? 300 000 Slam använda i projektet 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 S Si P Mn Fe Mg Al Ca Na 40-50 % aska 72-78 % Fukt 0 Himmerfjärd Sjölunda Rya Nolhaga K
Alkaliklorider(g) i rökgas Alkaliklorid, ppm 70,00 60,0 (Na+K)Cl [ppm @ 6% O 2 ] Sjödala, Fe-fällt Nolhaga, Al-fällt Rya, Fe-fällt 50,0 Himmerfjärd, Fe-fällt 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 Tillsatt slam, % av ts
Jämförelse beläggningsringar mg/m 2 h Agglobelägg2 Trä+halm+PVC Agglobelägg3 Bark+RDF 4500 Ba Si P 4000 3500 3000 Mn Ti Mg Al 2500 Ca 2000 1500 1000 Na K Cl S 500 0 RefCl RötCl AmCl RDF RyaMed HimMed HimHög Him 10 % Him 13 % av ts Rya 8% av ts Rya 9%
Minskad initial korrosion med dosering av rötslam i Chalmerspannan 24 timmars exponering vid 600 CC 304L (19,5 % Cr, 9,5% Ni, 67 % Fe) Alkaliklorid i rökgas 96 ppm 3 ppm 22 % avfallspellets 22 % avfallspellets 78% barkpellets 78% barkpellets + ca 13% av ts rötslam Källa: Jesper Pettersson HTC
Händelö 75 MW CFB-panna
Långtidsförsök vid Händelö med dosering av rötslam (4% av ts) Ca 400 timmars exponering vid 600, 650 och 700 CC 304L (19,5 % Cr, 9,5% Ni, 67 % Fe) Sanicro 28 (27,0 % Cr, 31,0 % Ni, 34,5 % Fe)
Alkaliklorid(g) - ökad risk för korrosion Alkalikloridhalten, risken för korrosion, kan minskas genom: Tillsats av sulfat, svavelgranuler, fosfat Samförbränning med rötslam, torv, lignin, gummi Hög dos av kaolin Men. Alkalikloridhalten ökar genom: Samförbränning med kalciumrika bränslen (kalken binder svavel och fosfor) Byte av bäddmaterial (binder mindre alkali i bädden y ( som alkalisilikat)
Åtgärder som påverkar både bädd och korrosion Bädd Korrosion Kaolin X (X)* Ammoniumsulfat Svavelgranuler Byta bäddmaterial X Kan vara negativt Rötslam X X Torv X X** X X *Vid hög dosering >7kg/MWh **Beror på torv - undvik kalkhaltig torv
KME -411 Konsortiet Materialteknik för termiska Energiprocesser Långtidsförsök med samförbränning av industri- och hushållsavfall med rötslam i P14 Händelö Andra alternativ som testats i korttidsförsök tidigare: Tillsats av svavel - ökade mängden beläggningar i vissa delar av pannan (dock inte korrosiva) Dosering av ammoniumsulfat medförde hög ammoniakslip. (Höga alkalikloridhalter i rökgasen => hög dosering => ammoniumdelen gav alltför hög ammoniakhalt. ) Samförbränning med avsvärtningsslam - gav ingen minskning av alkalikloridhalten i rökgas Källa: KME 411
KME -411 Konsortiet Materialteknik för termiska Energiprocesser Långtidsförsök med rötslamsdosering Mängden rötslam begränsades av fukthalten och möjligheten att få fram tillräckligt med slam. Blev ca 4 %avts. Rötslamsdoseringen räckte inte till att minska alkalikloridhalten i rökgasen mer än ca 20-30%. Resultat från Agglobelägg 3 visade att det skulle behövts mer slam,10-15 % av ts. Trots detta erhölls tydliga effekter på minskad korrosion. Tydligast vid 550 C Källa: KME 411
KME -411 Godstjocklek k efter 1000 timmars exp. Referens 3-4% av ts dosering av rötslam 500 550 C 500 550 C TP310H AC66 Källa: KME 411
Försök i Lidköping med dosering av rötslam Fluff, SLF Rötslam Högre värmevärde, mer klor och metaller än vanligt avfall Mycket lågt värmevärde, mycket aska
Varför så positiva effekter av rötslam? Innehåller svavel som sulfaterar alkaliklorider Innehåller fosfor reagerar med kalcium så att svavel kan reagera vidare. Kan även ersätta klorid med fosfat. Innehåller zeoliter från tvättmedel som kan binda alkali. Innehåller mycket aska vilket i sig skulle kunna agera som kondensationskärnor för alkaliklorid. Rötslam minskar även risken för bäddagglomerering
Waste Refinary Projekt speciellt för våt svavelrening
ug/h 3500 Beläggningstillväxt Försök med bark och lignin inom FRAM2 3000 Mn 2500 Ba K 2000 Na 1500 Al P 1000 Ca 500 S Cl 0 Bark 100 % Lignin 15 % bark 85 % Lignin 15 % bark 85 % + Kalksten
Sammanfattning/slutsatser Nya bränslen => askkemin blir viktigare => smarta bränsleblandningar kan ge synergieffekter t.ex. samförbränning med slam. Åtgärder som minskar alkali/klor-relaterade driftsproblem bygger på förändrad kemi i eldstad och rökgas. Viktigt att klarlägga effekt både i bädd och bakre drag. Samförbränning med rötslam eller torv är exempel på åtgärder som både minskar risken för bäddagglomerering och risken för korrosion. Mängden som behövs påverkas av bränslets innehåll av alkali, klor och kalcium. Typ av anläggning - avfall, samförbränning eller bio påverkar möjligheter till att använda avfalls/restprodukter vid samförbränning.
Tack för mig! solvie.herstad.svard@wspgroup.se svard@wspgroup se www.wspgroup.se
KME Konsortiet Materialteknik för termiska Energiprocesser KME-rapporter 132, 309 och 411 Utvärderat olika tubmaterial vid fältförsök i Händelöpannan Undersökt effekten av svaveltillsats vid försök ök i Händelö upp till 1000 timmars exponering Jämfört olika additiv/bränslen vid 24 timmars exponering (Elementärt svavel, ammoniumsulfat, avsvärtningsslam, rötslam) Valt ut rötslam för långtidsexponering 450, 500 och 550 C Dessutom har det gjorts labstudier till stöd för att förstå korrosionsförlopp och mekanismer Källa: KME/HTC Jesper Pettersson