Brænderhoveders indflydelse på kedlers holdbarhed. Projektrapport November 1998

Transkript

1 Brænderhoveders indflydelse på kedlers holdbarhed Projektrapport November 1998

2 Brænderhoved.efs indflydelse p.åked1ers holdbarhed Paw Andersen & Niels Bjarne Rasmussen Dansk Gasteknisk Cent~ 1JIS' Børsbofm 1998,

3 Titel Rapport kalegori Forfatter Dato for udgivelse Copyright Sagsnummer Sagsnavn ISBN Brænderhoveders indflydelse på kedlers holdbarhed Projektrapport Paw Andersen & Niels B. Rasmussen Dansk Gasteknisk Center a/s 7 J6.44 Brænderhoveders indflydelse p~ kedlers holdbarhed For ydelser af e11hver art udført af Dcmsk Gasteknisk Center a/s ( DGC) gælder: cu DGC er ansvarlig i henhold til "Almindelige bestemmelserfor teknisk rådgivning & bistand (ABR 89) ", sorn i r>vrigt ansesfor vedtagetfor opgaven. at erstatningsansvaret for fejl, forsømmelser eller skader overfor rekvirenten eller tredjemand gælder pr. ansvarspådragende fejl ellerforsømmelse og altid begrænses tit J 00% af det vederlag, som DGC har modtaget for den pågældende ydelse. Rekvirenten holder DGC skadesløs for alle tab, udgifter og erstatningskrav, der måtte overstige DGC's hæftelse. at DGC skal - uden begrænsning - omlevere egne ydelser i forbindelse med fejl og forsømmelser i DG C's materielle. Juli 1997

4 DG C-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side Forord Konklusion G a elskabernes erfaringer Kedelleverandørernes erfaringer Brænderleverandørernes erfaringer Udenlandske erfaringer Beregninger med Hadvig's kedelmodel Litteratur O Brænderhoveders indflydelse på kedlers holdbarhed

5 DGC-rapport 2 1 Forord Formålet med denne rapport er, at undersøge forskellige brænderhoveders og -typers indflydelse på kedlers holdbarhed. Specielt hvorvidt lav-noxbrænderes konstruktion påvirker kedlens holdbarhed. En kortlægning af erfaringer er udført i samarbejde med leverandører og gasselskaber samt andre, der har viden på området. Det undersøges, om der er udenlandske erfaringer med holdbarhedsproblemer mht. anvendelsen af lav-nox-brændere. Udover at indhente praktiske erfaringer udføres nogle teoretiske beregninger vedrørende temperaturfordeling og belastning i forskellige kedler med henholdsvis standard og lav-nox brændere. Med baggrund i de indhentede oplysninger og beregningerne vurderes det, om en fase to i projektet indeholdende forsøg og EDB simuleringer (CFD beregninger) er nødvendig for at afhjælpe eventuelle problemer på området. Rapporten er kvalitetssikret af Jan K. Jensen, DGC. En særlig tak skal rettes til Loos Seandinavia A/S, Hollensen Ingeniør- og Kedelfirma Aps, Milton Andersen A/S, Fønix Staalindustri A/S, Gastech Energi A/S, Termo Trading A/S, Gastech-Energi A/S, Weishaupt A/S og Milton Andersen A/S for deres store hjælpsomhed med projektet. Hørsholm, Oktober 1998 Niels B. Rasmussen Projektleder

6 DGC-rapport 3 2 Konklusion Erfaringerne fra såvel gasselskaber, kedel- og brænderleverandører viser, at der hidtil ikke har været problemer med kedlernes holdbarhed relateret til de anvendte brændertyper og -hoveder. Fra brænder- og kedelleverandørerne lyder det, at samarbejdet udbygges de kommende år, og der forventes derfor heller ikke i fremtiden problemer med kedlernes holdbarhed relateret til brændertyper og -hoveder. Lav-NOx-brændere giver typisk længere flammer end standard brændere. Ved udskiftning er det derfor vigtigt at tale med brænderleverandøren om, hvordan forbrændingsrummet er udformet, således at det er muligt, at finde den rigtige løsning. Det er for flere af brænderleverandørerne blevet standard at undersøge forbrændingsrummets udformning, inden der gives tilbud på egnede brændere. De gennemførte beregninger viser ligeledes, at der ikke bør forventes problemer med kedlernes holdbarhed pga. brændertyper og -hoveder. Beregningerne kan ikke vise forskelle i flammeform for de forskellige brændertyper, men viser at lav-nox-brænderne giver en mere jævn temperaturfordeling i forbrændingsrummet og en lidt lavere udløbstemperatur fra kedelrummet Med baggrund i de indhentede erfaringer og de gennemførte beregninger må det konkluderes, at der ikke er noget, der tyder på, at der vil opstå problemer med kedlernes holdbarhed, som kan relateres til, hvilke brændertyper og -hoveder, der anvendes. På baggrund af ovenstående vurderes, at en fase to i projektet indeholdende forsøg og EDB simuleringer ikke er nødvendig.

7 DGC-rapport 4 3 Gasselskabernes erfaringer Samstemmende fra alle gasselskaberne lyder det, at der ikke i de sidste år har været problemer med kedler. Samtidig oplyses, at der kun er kendskab til et lille antallav-nox-brændere, og der er ikke registreret problemer, med disse. 4 Kedelleverandørernes erfaringer Fra de kontaktede kedelleverandører lyder det også, at der ikke er observeret problemer med kedlernes holdbarhed, i henhold til hvilke brændertyper, der er monteret på kedlerne. Kedelleverandørernes erfaring med lav-nox-brændere er, at flammen bliver længere og ved ukritisk udskiftning af brændere vil der af denne grund kunne opstå problemer. Det forventes dog ikke, at der vil blive foretaget nogen ukritisk udskiftning af brændere, da kedelleverandørerne samarbejder med brænderleverandørerne om at finde de brændere, der egner sig bedst til de enkelte kedler. Følgende kedelleverandører har været kontaktet: Loos Seandinavia A/S Hollensen fugeniør- og Kedelfirma Aps Milton Andersen AIS Fønix Staalindustri A/S Gastech-Energi A/S Termo Trading A/S Kedler op til ca. 20 MW Kedler op til ca. 25 MW Kedler op til ca. l MW Kedler op til ca. 0,5 MW Kedler op til ca. l,2 MW Kedler op til ca. 8,8 MW På baggrund af kedelleverandørernes oplysninger skønnes Weishaupt brændere at have en markedsandel på ca. 80% af det danske marked. 5 Brænderleverandørernes erfaringer Fra brænderleverandørerne oplyses det også, at der ikke kendes til problemer. Det oplyses, at brænderleverandørerne/fabrikanterne har et godt samarbejde med kedelleverandørerne/fabrikanterne omkring den mest hensigtsmæssige udformning af fyrrum og brændere, således at disse passer bedst muligt sammen. Ved udskiftning af eksisterende brændere er det ofte sådan, at brænderleverandørerne undersøger, om der i den enkeltes produktprogram findes en brænder, som vil være egnet til den givne kedels geometri. Der

8 DG C-rapport 5 tages derfor hensyn til, om den flammeform brænderne giver, passer til kedlerne. Lav-NOx-brænderne giver normalt en lidt længere flamme end almindelige standard brændere, hvilket der selvfølgelig skal være opmærksomhed omkring når/hvis brænderne monteres/udskiftes. Brænderleverandørerne forventer ikke, at der i fremtiden vil opstå problemer med kedlernes holdbarhed relateret til brændertyper og -hoveder. Følgende brænderleverandører har været kontaktet: Gastech-Energi NS Brændere op til 35 MW Weishaupt NS Brændere op til 17,5 MW Milton Andersen NS Brændere mellem 12 og 14 MW 6 Udenlandske erfaringer Der har været indhentet erfaringer fra Sverige, fordi der i Sverige er andre regler med hensyn til NOx-emissioner, som har betydet, at brugen af lav NOx-brændere er mere udbredt. Det forlyder, at der med de (stadig få) installationer af lav-nox brændere, der er i Sverige, ikke har været konstateret problemer. Erfaringerne viser, at lav-nox brænderne har en mere stabil flamme og i visse processammenhænge er der blevet installeret lav-nox brændere af denne grund, og ikke fordi der har været et krav om lav-nox teknologi. 7 Beregninger med Hadvig's kedelmodel Da erfaringsgrundlaget med lav-nox-brændere er begrænset, er der udført nogle teoretiske beregninger vedrørende temperaturfordeling og belastning af forskellige kedler med henholdsvis standard og lav-nox-brændere. Beregningerne bygger på Hadvig's kedelmodel /1/. Leverandørerne har, som betingelse for at stille inputdata til rådighed, krævet, at disse holdes fortrolige, og i det efterfølgende er det derfor kun resultaterne af beregningerne, der vil blive præsenteret. De detaljerede inputdata leverandørerne har bidraget med vedrører dimensioner på de forskellige brænderdele; minimum dimensioner på kedler som funktion af den indfyrede effekt samt andre leverandørspecifikke oplysninger.

9 DG C-rapport 6 Med baggrund i materiale fra kedel- og brænderleverandører er det valgt, at udføre beregninger for tre kedelstørrelser: 3 MW, 7 MW og 11 MW. Med hjælp fra en af brænderleverandørerne er der fundet henholdsvis tre standard og tre lav-nox-brændere, som passer til de valgte kedelstørrelser. Udfra de minimumskrav som de valgte brændere medfører for længde og diameter af kedlerne, er der designet tre kedler, som overholder disse krav. Kedlerne er designet således, at belastningen er l MW/m 3 i fyrboksen ved fuldlast, og det er forudsat, at kedlerne er tretrækskedler. Beregningerne i Hadvig's kedelmodel vedrører selve fyrboksen, dvs. indtil overgangen til konvektionsdelen. I Tabel 7.l er målene i fyrboksen i de tre kedler vist. Længde diameter forholdet i alle kedlerne er 3,5. Kedeli Kedel2 Kedel3 Diameter 1,029 m 1,365 m 1,588 m Længde 3,605 m 4,783 m 5,557 m Tabel7.1. Fyrboks dimensioner. Der er udført beregninger for fuldlast og 80% last på kedlerne. I Tabel 7.2 er vist de effekter, der er udført beregninger ved for henholdvis standard og Low-NOx-brænderne. I alle tilfælde er der regnet med et luftoverskud på l, l og en vandtemperatur i rørene på 90 C. Brænderleveramdørerne oplyser, at luftoverskudstallet vil være omtrent det samme for standard og lav-noxbrænderne i en given kedel, og at det i praksis vil kunne varieres fra c a. l,05 til 1,20. Belastninger Kedel l Kedel2 Kedel3 100% last 3,0MW 7,0MW ll,omw 80% last 2,4MW 5,6MW 8,8MW Tabel 7.2. Kedel belastninger i beregningseksempler. Som det ses af beregningerne, vist i Tabel7.3- Tabel7.5 og sammenfattet i Figur 7.l, er der kun en lille forskel mellem udløbstemperaturen fra kedlerne til konvektionsdelen ved de to brændertyper, hvor lav-nox-brænderne giver den laveste udløbstemperatur. Lav-NOx-brænderne giver også lavere tempe-

10 DG C-rapport 7 raturer lige omkring brænderen, mens middelvægtemperaturen stort set er den samme for de to brændertyper. Belastning, Kedel l [MW] 2,4 3,0 Brændertype Standard Low-NOx Standard Low-NOx Temperatur ved brænder [O C] Temperatur ud af kedlen [O C] Middelvægtemperatur i kedlen [O C] Energi afsat ved stråling [kw] Energi afsat ved konvektion [kw] Afsat energi inden første røgslag [kw] Tabel7.3. Kedel l, belastning 2,4 og 3,0 MW (80% og 100%) Belastning, Kedel 2 [MW] 5,6 7,0 Brændertype Standard Low-NOx Standard Low-NOx Temperatur ved brænder [O C] Temperatur ud af kedel [O C] Middelvægtemperatur i kedlen [O C] Energi afsat ved stråling [kw] Energi afsat ved konvektion [kw] Afsat energi inden første røgslag [kw] Tabel7.4. Kedel2, belastning 5,6 og 7,0 MW (80% og 100%) Belastning, Kedel 3 [MW] 8,8 11,0 Brændertype Standard Low-NOx Standard Low-NOx Temperatur ved brænder [O C] Temperatur ud af kedel [O C] Middelvægtemperatur i kedlen [O C] Energi afsat ved stråling [kw] Energi afsat ved konvektion [kw] Afsat energi inden første røgslag [kw] Tabel7.5. Kedel2, belastning 8,8 og 11,0 MW (80% og 100%)

11 DG C-rapport 8 10CO.----r---,----, r ,----;--~ T~ \Æld llæl:a 1000 r----r ~~~~----~-+----r--::: _,:--- =--=~~~~--~ ~v : ~/ _ ~ r---~v. ~~r.-. ~- ~-.-. ~- -~-~~~~---r--~~~r---~---1 1& r--~~--,_ r----r----r--~--~ o ~1&0 ;----r----r----r r----r--~r---~ :l - ~ Q) ~1«D +----r--~----,_ r----r----r--~--~ Q) 1-1 3D +----r----r----r---+ti~r~ ~=T=~~æ~I~=T----r----r----r---~ _...-1f:": =--=-.. ~... 12D +----r--~~--~~~~ r----r----r--~~~ l =--=~~....~ ;----l~ ~-:'1~--+~- - _ , t f l ~~- - 10C r--~ r----r----r--~--~ Kedelstørrelse [MWJ -+-OO%belastnng, standarchrælder %belastnng, standard:jræ1de 00% belastnng, lav-1'0<-brælder 100% belastnng, lav-1'0<-brælder Figur 7.1. Beregnet temperatur ved brænderne og ud af kedlernefor beregningseksemplerne. 12 Grunden til, at middelvægtemperaturerne kan være stort set identiske, mens der er forskel på de øvrige temperaturer, er, at lav-nox-brænderne pga. deres udformning giver mere recirkulation i forbrændingsrummet og dermed en mere jævn temperaturfordeling, som fører tilca.samme middeltemperatur. Den øgede recirkulation med lav-nox-brænderne er også årsagen til den lavere temperatur ved brænderne. På grund af de lavere temperaturer med lav-nox-brænderne afsættes en mindre del af den indfyrede effekt som stråling. Til gengæld medfører den øgede recirkulation, at en større del afsættes ved konvektion, end tilfældet er for standardbrænderne. Det øgede konvektive bidrag ved lav-noxbrænderne er så stort, at den samlede afsatte energimængde i forbrændings-

12 DG C-rapport 9 rummet er lidt større end ved brugen af standardbrænderne, hvilket er årsagen til, at udgangstemperaturen er lavere. Årsagen til, at temperaturen ved brænderen er højest i 7 MW kedlen er, at forholdet mellem brænder og kedel diametre i dette tilfælde giver mindre recirkulation end i de øvrige tilfælde. Der er størst recirkulation i 3 MW kedlen. Alle kedlerne i beregningseksemplerne er, som tidligere nævnt, udformet så de har et længde/diameter forhold på 3.5. Ved 100% belastning indfyres l MW/m 3 hvilket betyder, at den indfyrede effekt pr. arealenhed vokser med voksende kedelstørrelse. Dette er årsagen til, at temperaturen ud af kedlen generelt er stigende som funktion af kedelstørrelsen. Den indfyrede effekt pr. areal varierer ved fuldlast fra 0,23 MW/m 2 for 3 MW kedlen op til 0,35 MW /m 2 for 11 MW kedlen. Selv om de gennemførte beregningerne er forholdsvis simple, så viser resultaterne, at der ikke kan forventes større ændringer i kedlers termiske belastning ved skift fra standard- tillav-nox-brændere.

13 DG C-rapport 1 o 8 Litteratur Il! Forbrænding, teori og praksis Bind l, 2. Udgave ISBN Diverse produktblade fra brænder- og kedelleverandører