Reduktion af NOx-emission fra naturgasfyreds industrikedler

Transkript

1 Reduktion af NOx-emission fra naturgasfyreds industrikedler Jan de Wit, Ole H. Madsen & Per Pedersen Dansk Gasteknisk Center als Nordisk Gasteknisk Center Nordie Gas Technology Centre

2

3 Reduktion af NO x -emission fra naturgasfyreds industrikedler Jan de Wit, Ole H. Madsen & Per Pedersen Dansk Gasteknisk Center a/s Juli 1993

4 INDHOLDSFORTEGNELSE: Side l. INDLEDNING SAMMENFATNING OG KONKLUSION... 5 Summary in English NO,-DANNELSE l Dannelsesmekanismer Termisk NO, Prompt NO, Br:endse1s NO, NO,-reduktion Typisk NO,-emission fra strure gasfyrode an1:eg BESKRIVELSE AF PRAKTISKE NO,-REDUKTIONSTEKNIKKER R0ggasrecirku1ation NO,-reduktion ved vandindspr~tning NO,-reduktion ved opfugtning med vanddamp Endring af driftsstrategi mv Kede1disponering Iltstyring, indregu1ering af br:ender Low NO,-br:endere Flammelmling Trinvis forbr:ending Premixode forbr:endingssystemer Low NO,-br:endere under udvikling Svensk undersoge1se af markedet for olie- og gasfyrode low NOx-systemer ENERGI- OG MIU0SKATTER I NORDEN l Generelt Gaspriser, energi- og miljoafgifter Den svenske NO,-afgift Omkostninger ti1 måleudstyr Status for den svenske NO, afgift REFERENCELISTE

5 BILA G Omregning af emissionsenheder APPENDIX A) Forprojekt: NO,-reduktion hos AB FEUX, Eslöv 3

6 l. INDLEDNING Denne rapport er rekvireret af Nordisk Gasteknisk Center ultimo Projektarbejdet er udfert af Dansk Gastekuisk Center als. Rapporten beskriver NO x -reduktionsmuligheder med speciel vregt på naturgasfyrede industrikedler. Der beskrives en nekke forskellige teknikker, deres mulige NO,.-reduktionseffekt samt investerings- og driftsekonomiske forhold i relation hertil. Der beskrives udelukkende primrere rensningsteknologier. Extern nygrensning er ikke medtaget. Der er lagt vregt på at beskriv e processer og metoder, der er i praktisk drift i dag eller meget tret på kommerciel introduktion. Dog findes der i afsnittet om lav-nox- bnendere enkelte eksempler på bnendere, som stadigvrek er på udvik:lingsstadiet. I appendix A er resultateme af den generelle analyse anvendt ved udarbejdelse af et projektforslag for NO,-reduktion på en naturgasfyret 22 MW dampkedel opstillet på en stmte svensk industrivirksomhed. I dette eksempel belyses såvel praktisk ombygning, investeringsomkostninger samt driftsekonomi for den foreslåede ombygning. I Sverige betales NO x -af gift på basis af tabelvrerdi eller kedlen s aktuelle NOx-emission. En sarnie t oversigt over energi- og miljaskatter for naturgas anvendt i industrien i de nordiske land e vises i hovedrapportens kapitel 5. Projektet har medt en udstrakt vetvilje fra Bertil Johansson og Kenneth Sjögren, FELIX AB, samt Lars I. Nilsson, Sydgas AB, for hvilket forfattorne takker. 4

7 2. SAMMENFATNING OG KONKLUSION Analyser og rnarkedsunders0gelser i forbindelse med denne rapport har vist, at det er muligt at opnä m eget lave vrerdier for NO x -emission ved anvendelse af gasbnendere. Der er udviklet en rrekke effektive NOx-reduktionsprincipper, hvoraf en rrekke i dag er kommercielt tilga=:ngelige. Incitamentet til installation af sådanne brrendere er dog begrrenset, idet der de frerreste steder er bestemmelser vedr. NOx-emission fra mellemstore kedler, herunder industrikedler. I Sverige er der en undtagelse herfra, idet man siden primo 1992 har indfmt NOxafgiftsbetaling baseret på den aktuelle (kontinuert mält) emission, alternativt en i de fleste tilfrelde ugunstig tabelva:rdi. I nrervrerende rapport er en rrekke forskellige teknologier belyst: o o o o o Vandindspr~tning Vanddampbefugtning Driftsstrategi/indregulering Roggasrecirkulation Lav-NOx-brcendere Ingen af de beskrevue teknologier kan siges entydigt at vrere de 0Vrige overlegen. V al get må ath::engt af de givne tekniske, ekonomiske og driftsmressige omstrendigheder for et konkret anlreg. De to fmstnrevnte af de ovenstående principper krrever eksempelvis tilga:ngelighed af et lmlemedie i tilstrrekkelig ma:ngde på maksimalt omkring 50"C. Flere af de beskrevue principper har en NOx-emission i forbindelse med gasfyring på ca mg/mi. Dette er om!rent en halvering i forhold til de beds te af traditionelle gasbrrendere. Den nrevnte emission er meget lav i forhold til de evrige fossile brcends- 5

8 ler. Dette skyldes bl. a., at gassen ikke indeholder kemisk bundet kva:lstof. Disse grundla:ggende fysisk/kemiske forhold omtales også kort i rapporten. Bagest i rapporten er anfmt en konkret unders0gelse f NOx reduktionsmuligheder på en svensk industriel 25 MW dampkedelinstallation. Det viste sig her muligt at mere end halvere NOx emissionen samt opnå tilbagebetalingstider fra l - 3 år for flere af alternativerne. 6

9 SUMMARY IN ENGLISH The analysis and market surveyes presented in this report have shown that significant reductions of the NO,. emission from traditional gas fired industrial hoilers can be obtained. A number of different NO, reduction methods has been developed during the last decade and a number of these have now been introduced into the market. However, in most cases the hoiler owner does not benefit from installating Low-NOx equipment compared to the traditional bumers. In Sweeten a NOx taxatlon was introduced in the beginning of The emission can be determined from actual on-line measurements or based on the official (high) emission factors (please confer /311). In the present report a nomber of NOx reducing technologies for medium sized industrial hoilers are presented eg water injection low pressure steam injection improved operation control flue gas recirculation low-no, burner technology None of the methods described is superior to the others in all situations. The choice must, therefore, be taken depending on the technical, financial and operational circumstances at the actual site. A nu m ber of the methods presented has a fullload NOx emission in the range of mg/mj. This is approximately half the emission from the better half of traditional industrial gas burners. These low emissions are superior compared to the NOx emission from most other fossil fuels. 7

10 In appendix A of this report a study at a 25 MW Swedish steam hoiler plant is presented. Equipment offered by various burner suppliers showed that it was possible to decrease the NO]( emissions from the actual plant up to approx. 60% with simple pay back time from 1-3 years, du e to the reduced NO x charge. 8

11 3. NO,-DANNELSE I dette kapitel redegores for overordnede fysisk/kemiske forhold i forbindelse med NOx-dannelse ved forbrrending. Afsnittet skal ses som uddybende baggrundsstor i relation til de NOx-reduktionsteknologier, der prresenteres i kapitel Dannelsesmekanismer NO, er en fa:llesbetegnelse for kva:lstofoxid (NO) og kva:lstofdioxid (N0 2 ). Ved forhrrending af naturgas i kedler vii r0ggassens NO, -indhold normalt bestå af 80-95% NO umiddelbart efter fyrboksen. Dette viilangsomt reagere videre til N~ i atmosfreren. Dannelsen af NOx finder sted gennem flere reaktioner: Termisk NOx Prompt NO, Brrendsels NOx Disse reaktioner gennemgås kort i det f0lgende: Termisk NO, Processen består af en nekke kemiske reaktioner mellem forbnendigsluftens indhold af N 2 og 0 2 For at processeme skal kunne begynde, skal N 2 eller 0 2 dissocieres. Dissocierings-energien er lavere for 0 2 end for N 2 I flarnmen er det derfor primrert 0 2 som dissoderes til O. o,-> 2 o F0lgende reaktioner indtrreder herefter: 9

12 (l) O+ N 2 ->NO+ N (2) N > NO+ O Den primrere reaktion (l) fmer til dannelse af NO og N. Her reagerer N straks videre ved reaktion (2) til yderligere NO og O. Reaktionen (l) foregår langsomt og har en h~ aktiveringsenergi. Reaktionen (l) er hastighedsbestemmende, fordi reaktion (2) man g ler reaklanten N, hvis ikke reaktion (l) er indtruffet. V ed understokiometrisk forbrrending kan der endvidere dannes NO gennem reaktionen (3) N+ OH-> NO+ H Reaktion (3) er også begrrenset af reaktion (1). Sammenfattende kan man sige, at termisk NOx dannes ved heje flarnruetemperaturer og ved lang opholdstid i hejtemperaturzoner. Termisk NOx-dannelse fomges desuden ved hej koncentration af 0 2 I ref. /11 er der gennemgået en simpel mode! for dannelse af termisk NO ud fra reaktion (l) og (2) (Zeldovich). Figur 3.1 viser resultatet af en gennemregning med denne simple mode! for fastholdt lufttal og opholdstid. 10

13 ~ j i Ii! soo o 1600 l l l l v l l Flammetemponolur (K) Figur 3.1. NO-dannelse ud fra teori. Opholdstid i flammezonen er sat till sekund, ref. il!. Figur 3.2 viser måleresultater af NOx-emission fra en forsogsopstilling, hvor flarnmetemperaturen kan varieres, mens de lijvrige forhold er urendrede. Der ses at vrere et hejere niveau for NO x -dannelsen end forklaret ved den simple beregningsmodel i figur 3.1. Detteskyldes ifelge ref. /11, at der er andre reaktioner, der her fruer til NOx-dannelse. Dette kan vrere prompt NOx og brrendsels NOx. 250 ('1200 o ~ ~ 150 i d z 100 so l~oo + i i! l l ~ l l l '! i ' ' + l Figur 3.2. Måling af NOx-emission ved varlerende flammetemperatur, ref. /1/. 18SO -+ i! Flammetempen~tur IKJ 1950 Il

14 3.1.2 Prompt NO, N 2 reagerer med kulbriote-radikaler over mellemprodukter til N (4). (4) CH+ N 2 -> HCN +N Det dannode N reagerer ved reaktionorne (2) eller (3) videre til NO. HCN kan reagere videre med OH eller 0 2 til NO. Reaktionen (4) er ikke srerlig temperaturafhrengig. Den forekommer, hvor der er hej koncentration af kulbrinte-radikaler, d.v.s. i brrendselsrige zoner. Derfor kan man modvirke prompt NO, ved ~.Jget luftoverskud og ved god opblanding af brrendsel og luft inden forbrrendingen. I ref. /10/ er angivet NOx-emission fra et antal forskellige gasanvendelsesområder. Der er endvidere angivet, hvor stor en del af NOx-emissionen, der skyldes prompt NOxdannelse. Resultaterne er gengivet i tabel 3.1. Villakedler Industrikedler Kraftvrerkskedler Gasdrevne motorer Gasturbiner *) NOx heregnet som N Brrendsels-NO, Tabel 3.1 (fra ref. /10/) Her dannes NO ved omdannelse af brrendslets indhold af kemisk bundet kvrelstof. Denne proces er ikke srerlig temperaturafhrengig. Der er ikke kemisk bundet kvrelstof i naturgas, og processen er derfor kun relevant ved fyring med en rrekk:e andre brrendsler, f.eks. kul. 12

15 3.2. NO,-reduktion Af figur 3.2 fremgår det, at NOx-dannelsen versus flarnruetemperatur felger en kurve, der ligner en eksponentialfunktion. Under 1500 C opnås ikk:e nogen vresentlig reduktion aftermisknox-dannelsen ved en yderligere srenkning afflammetemperaturen. Ved flammetemperaturer fra l?oooc og hejere, stiger NOx-dannelse meget suerkt; her vil selv en beskeden srenkning af temperaturen betyde en markant reduktion af den termiske NO:~~: -dannelse. Reaktionen (l) er, som tidligere nrevnt, besternroende for de efterfelgende reaktioner. (l) O+ N 2 -> NO+ N H vis Or koncentrationen kan srenkes i flammen, hremmes reaktionen (l), idet der så vii vrere frerre O-molekyler. En metode til NOx-reduktion k:unne derfor vrere forbrrending ved et nresten swkiometrisk forhold mejlem gas og luft, altså reducere Juftoversknddet ved f.eks. 0;,-styring. Dette er desvrerre ikke helt så enkelt, for ved sidkiometrisk forbnending stiger flammetemperaturen og dermed NOx-dannelsen. Flammetemperaturen vil stige, fordi den dannede mggasmrengde falder med det faldende luftoverskndstal. Lave luftoverskudstal har endvidere den ulempe, at der er risiko for CO-dannelse og for indhold af uforbrrendte kulbrioter i mggassen, når man nrermer sig st0kiometrisk forbrcending. Haje luftoverskudstal har som ulempe, at den fyringstekniske virkningsgrad falder. Hvis forbrrendingsluften tilscettes en inaktiv luftart (en luftart der ikke deltager i forbrrendingen) f.eks. vanddamp eller mggas, så srenkes flammetemperaturen, og koncentrationen falder. 13

16 Som inaktiv luftart er det bedst at anvende en luftart, der har stor varmekapacitet per volumenenhed. Herved scenkes flammetemperaturen mest. Af tabel 3.2 ses, at vanddamp og mggas er velegned e. En ekstra gevinst herved er, at varmestrålingen fra flarnmen foroges med stigende indhold af vanddamp og C0 2 Dette giver en yderligere seeokning af flammetemperaturen. o, N, Våd mggas Ter mggas Tabel 3.2. Varmekapacitet for forskellige luftarter I forbindelse med kvalitativ vurdering af virkninger af NOx-reducerede indgreb kan man anvende den a diahatiske flarnruetemperatur. Denne beregnes som den temperatur, reggasprodukterne ville opnå ved den tilfmte varme i forbrcendingsluften ved den energi, der frigmes ved forbrrendingen. Den adiabatiske flarnruetemperatur er den hejest opnåelige middeltemperatur for flammen. Dette er naturligvis en vresentlig forenkling i forhold til de faktiske forhold i kedel/fyrboks. Den skmmes dog alligevel velegnet til indledende vurderinger af forskellige metoders indflydelse på temperaturforholdene og er anvendt i kapitel 4. NO kan nedbrydes gennem en rcekke processer. V ed undersidkiometrisk forbnending sker reaktioner af typen: (5) NH 2 +NO-> N (temperatur K) (6) N + NO - > N, + O ( > temperatur 1300K) 14

17 Processer, hvori disse reaktioner finder sted, kan vcere flertrins-forbrcending og/eller såkaldt reburning. I figur 3.3 er vist en teoretisk beregning af hvilken emission, der kan forventes med henholdsvis opfugtning af forbrcendingsluft og/eller roggasrecirkulation. Beregningen er baseret på ref. /5/. NOx Emission% ofreference O.o x (kg water/kg dry air] Figur 3.3. NO,-emission som funktion af mggasrecirkulation (FGR) og/eller opfugtning af forbrrendingsluft. Baseret på ref. /5/. Det ses af figur 3.4., at roggasrecirkulation giver kraftigst NOx-reduktion inden for de på figuren analyserede grcenser. 3.3 Typisk NO,-emission fra starre gasfyrede anlreg På figur 3.4 er vist typisk NOx -emission fra et antal stmre naturgasfyrede industrielle dampkedelanlreg. Figuren reprresenterer forskellige kedel-/brrenderfabrikater m. v. 15

18 NOx Emission (mg/mj) 150, ~'E~~'' JO o i ~ ~ Ordnet efter fcldende kedeleftekt (80-2 MW) Figur 3.4. Målt NO,-emission fra et antal stmre gasfyrede damp-/kedelanla!g (ref./17/). I ref. /17/ er også udarbejdet en oversigt, hvor dampkedlernes fuldlastemission er vist som funktion af kedlens alder samt hedefladebelastningen i kedlen, se figur 3.5 og

19 NOx Emission (mg/mj) JO o OGC/ Ordnet efter onlmgsolder. Arstalangivelse pö aksen. Figur 3.5. NO,-emission versus kedelanlreggets alder (ref. /17/) NOx Emission (mg/mj) ljo JO o JO DGC/93 Ordnet efter taldende nomjnel hedefladebelastning (kw/m } 10 kw/m,_ Figur 3.6. NOx-emission versus kedlernes nominelle hedefladebelastning. 17

20 Det ses af figur 3.5, at der er en svag trend til faldende NOx-emission for nyere anlreg. Spredniogen er dog fortsat stor. Figur 3. 6 viser ligeledes en svag trend til falden de emission med Javere hedefladebelastning. Her ville man måske nok have forventet en mere markant indflydelse, idet man generelt forventer stigende NO x -emission med stigende forbrrendingsintensitet. Figuren ville forventelig have udvist en sådan kraftigere trend, såfremt fyrrumsbelastningen (MW/m 3 ) havde vreret anvendt som abcisse på figuren. I ref. /9/ rapporteres et antal målinger på tyske gasfyrede industrikedler, hvor der er foretaget en NOx-reduktion på de fleste af anlreggene. De her rapporterede vrerdier ligger typisk mellem 20 og 40 mg/mj, oftest lavest ved dellast. Uden NO,-reducerede tiltag registreredes op til den dobbelte NOx-emission. 18

21 4. BESKRIVELSE AF PRAKTISKE NO,-REDUKTIONSTEKNIKKER I de felgende afsnit beskrives en rrekke NOx-reduktionsteknikk:er med henblik på anvendelse af stmre gasfyrede kedelanlreg. Der er lagt vregt på primrett at beskrive kommercielt tilgrengelige teknologier. I afsnittet 4.5 vises dog også brrendertyper, hvis kommercielle introduktion kan ligge nogle år frem i tiden. Der beskrives både princip, reduktionseffekt samt ekonomi for de prresenterede teknologier. Der prresenteres både integrerede kedel-bnenderl0sninger samt "retrofit" og ombygningstiltag. Valget mellem disse må gm~s ud fra ekonomi, oosket reduktionseffekt samt eventuelt også de fysiske pladsforhold omkring kedelinstallationen. 4.1 Roggasrecirkulation R.0ggasrecirkulation kan i princippet opnås på flere forskellige måder. Grundlreggende kan disse inddeles i intern og ekstern tilbagefming. V ed intern mggastilbagef0ring vii en del af forbrrendingsprodukteme frn:es tilbage til brrenderhovedet og ind i flammen. Denne effekt opnås ved at skabe undertryk omkring brrenderhovedet og vil i teorien altid forekomme ved en turbulent flamme i et lukk:et rum. Effekten kan dog forstrerkes vresentligt ved forskellige konstruktionsmressige tiltag under dimensioneringen af brrenderen. Mange lav NOx-brrendere benytter under en eller anden form denne teknik, og emnet vilderfor også blive amtalt i afsnit 4.5. Ekstern mggastilbagefering opnås ved at udtage en del af mggassen, når den forlader kedlen, og blande den med forbrrendingsluften. Tilbagef0ringen kan ske på to forskellige måder. Enten fmes raggassen tilbage igennem brrenderen, som herved benytter dennes eksisterende blreser - illustreret i figur 4.1, eller ved at anvende en separat blreser til at fme reggassen ind i selve bnenderhovedet - illustreret i figur

22 . ' Figur 4.1. (fra ref. /4/) Systemet, som er vist i figur 4.1, er normalt billigere at udf~me, idet man undgår en ekstra blreser. Til gengreld stiller det stmre materialekrav til brrenderkonstruktionen, som bliver udsat for de varme mggasser. l l l l. l l.. l - - ~ ~ Figur 4.2. (fra ref. /4/) 20

23 Tilbagefming af reggassen til forbrrendingszonen medfmer, dels en fomgelse af den totale varmekapacitet for forbrrendingsgassen og dermed en reduktion af flammetemperaturen, og dels en reduktion i 0 2 partialtrykket i forbra:ndingszonen. Ifelge Zeldovich mekanismen (se kap. 3) vii begge disse a:ndringer formindske den termiske NOxdannelse. Det lavere ilt-partialtryk bevirker, at flarnmen bliver lrengere, hvilket der må tages hensyn til ved dimensionering af forbrrendingskammeret. Ved reggasrecirkulation kan der opnås betydelige reduktioner i NOx-dannelsen. For anlreg i drift vil det typisk vrere muligt at halvere NOx-emissionen ved fuld last i forhold til udgangspunktet. I figur 4.3 er NO-emission vist som funktion af mrengden af reggas, som recirkuleres. o. =~ -. ;; 'C o'li z~ IOO"=--~---~--~-;=:=IO==::::::J::::::::;-1 90 t"-. O T.rec -120 f"cj '\.~ -Output 80 '\. ~ t::. T.rec = 140 f"c) '-":!S'..._ Output 70--ll '-L"~?>'-"'"'""' D Mälte data :: -. ~~._~. -===., =~ ~ 40(-~i- -~... :: r-_- - -_ -t~-=-=-~t=~'-...:=:--...,:-t~~::::---;;;r--::~ 10~ r----r--~~--~---i Roggas recirkulation % Figur 4.3. Figur 4.3 viser to sret kurver, dels beregnede data og dels mälte vrerdier. Målingeme er foretaget på et kedelanlreg i praktisk drift. Generell vil NO-dannelsen falde, når mrengden af recirkulerede reggas stiger. I praksis vil det vrere muligt at recirkulere op til ca. 25% af mggassen afhrengigt af det aktuelle system (kombination af kedel og brrender). Den I!Vre grrense nås, når der opstår flamme-ustabilitet. 21

24 De to 0Verste kurver i figur 4.3, som er beregnede data v.h. a en mode! beslcrevet i ref.!51, viser indflydelsen af temperaturen af den recirkulerede mggas på NO-dannelsen. Beregoingen viser en lille svrekk:else af den opnåelige NO-reduktion ved en foregelse af reggastemperaturen, hvilk:et er i overensstemmelse med teorien. Praktiske forseg, som er rapporteret i ref. /6/, viser de samme tendenser, men her er svrekkelsen af effekten ved r0ggasrecirkulation med forskellig mgtemperatur endnu svagere end ved beregningeme. I de fleste kedler vii reggassen typisk passere igennem l til 3 konvektionstrin, efter den har forladt ildkanalen. For nogle kedeityper kan det vrere mere hensigtsmressigt at udtage en del af naggassen efter fmste trin, idet mgkanalen frem til brrenderen vii blive vresentligt kortere og anlregsudgifterne mindre. Beregoinger og måleresultater viser således, at selv med mggas med en lidt hejere temperatur (f.eks. udtaget efter passage af blot et konvektionstrin) kan der opnås nresten den samme NO-reduktion, som hvis mgen var taget fra kedlens afgang. Resultateme er vresentlige, specielt ved design af mggasrecirkulation i store anlreg, hvor lrengden af roggastilbagefmingen kan blive betragtelig. Derved opstår der en risiko for, at mggassen bliver kf:jlet ned under dugpunktet. Kondensation giver risiko for korrosionsprobierner i mr, blreser og eventuelt i brrenderen. Det er derfor vigtigt at forhind re mggassen i at blive lmlet ned under dugpunkttemperaturen. Dette kan ske ved at isolere mgkanalen, og/eller ved at udtage mggassen på et h.0'jere temperaturnivau som beskrevet ovenfor. For at opnå maksimal NOx-reduktion ved mggastilbagefming er det n0dvendigt med en god opblanding imellem de tilbagefmte forbrrendingsprodukter, forbrrendingsluften og naturgassen. Dette vil vrere tilfreldet, når man fmer forbrrendingsprodukterne igennem selve brrenderen og benytter dennes blreser. Dette vii fungere som et fortrinligt mixingsystem. Når forbrrendingsprodukterne fmes ind i selve brrenderhovedet ved hjrelp af en extern mggasblreser, er det nedvendigt at vrere meget omhyggelig med at designe et blandingssystem. I figur 4.4 er NOx-reduktion vist ved henholdsvis en dårlig og en god opblanding. 22

25 60 mlxlng no mixlng G. W.l t--~-t~~--~a=w~ ', J--I 20 0~--+---~---+--~ o EXHAUST GAS RECIRCULATION IOW.) Figur 4.4. (fra ref. /6/) Måleresultaterne i figur 4.4 viser tydeligt, at det er vigtigt at konstruere blandingssystemet omhyggelige, og at en ombygning af en eksisterende brrender kan vrere vanskelig. I figur 4.5 er der vist, hvorledes mggassen kan indfmes omkring blandeskiven i brrenderhovedet. t liauchgas Figur 4.5. (fra ref. /4/) 23

26 For store anlreg (anlreg sti2j!te end ca. 10 MW) vil man i praksis vrere oodsaget til at an v ende en extern b leeser. Her v il forbrrendingsluften ofte kunne vrere opdelt i flere luftstr0111me, som typisk betegnes primrer- og sekundrer forbrrendingsluft. Dette giver en rrekke forskellige muligheder for at introducere reggassen i forbrrendingsluften. I figur 4.6 er der vist en skitse af en brrender, hvor forbrrendingsprodukteme tilsrettes sekundrerluften. ' fr ::..,...t.., :::::., l ""' '"" ~ --...' f-- ' -...;;;w~as l. ~ Luft l l Figur 4.6. (fra ref./4/) Der er flere fordele ved en extern blreser til at recirkulere reggassen: N<>jagtig regulering af mrengden af tilbagefmte forbrrendingsprodukter under forskellige belastning er. Lavere tryktab. Ved et lavere tryktab kan der anvendes en mindre raggasblreser. Kombineret med Orstyring og en n0jagtig reguleret mrengde tilbagefrn:t reggas forhindres pulsationer i forbrrendingen, og den mulige recirkulations mrengde ages. Ingen risiko for korrosion i brrenderen. 24

27 Roggastilbagefming giver en lavere flarnmete roperatur. Dette kunne umiddelbart giv e anledning til en lavere termisk virlmingsgrad, specielt på grund den reducerede gasstråling i ildkanalen. ForsBg og beregoinger viser da også, at varmeoverfming i ildkanalen bliver lidt reduceret, se figur 4.7. ~E~ff~;c=;= n~cry~l%~1-,-----,----,----, too l Total sot----t-----r---_,----~---4 First ps:js. "t: =--+,--=!===t=li Secom1 p~ss '" Thfrrl pass o 5 to 15 20,. Exhaust-gas recirculation [%] Figur 4.7. (fra refj7/) Den reducerede varmeoverfming i ildkanalen bliver dog opvejet af forbedrede varmeoverfmingsforhold i konvektionsdelen, som skyldes det strure masseflow i kedlen. Roggasrecirkulation betyder således en rendring i forholdet imellem varmeoverfming ved konvektion og stråling, men den totalt overfmte energimrengde og dermed den termiske virkningsgrad er stort set urendret. Disse måleresultater/beregninger vedrarende virkningsgrad er greldende for mgrerskedler med to eller flere mrtrrek. Der er ikke rapporteret fors0g, der viser, at disse forhold grelder for alle kedeityper. Det kan derfor ikke tilrådes at bruge konklusionen generelt. Eksempelvis vii kedler med en stor ildkanal og en forholdsvis lille konvektionspart ikk:e nedvendigvis have en konstant termisk virkningsgrad ved mggastilbagefbring. Dette spergsmål må vurderes i hvert enkelt tilfrelde. Et andel problem ved mggastilbagefm::ing er, at trykfaldet over kedlen stiger, når 25

28 massestremmen igennem kedlen eges. Det hejere fyrboksmodtryk kan srenke brrenderens y del se og dermed giv e kedlen en lavere kapacitet. V ed dimensionering af ny bnender er det naturligvis muligt at tagehåndom dette problem, men ved ombygning af eksisterende anl:eg kan en nedgang på 5% - 10% i bnenderydelse i en r:ekke tilf:elde måske v::ere oacceptabel. Det er vanskeligt at angiv e pr::ecist, hvad etablering af raggasrecirkulation koster. Dels athrenger prisen af lokale forhold i forbindel se med den aktuelle installation, dels hvorvidt der er tale om en simpel kanal-etablering eller udbytning af br::ender, styrlogssystem m. v. Ofte vii der kunne fås en garantivrerdi for NOx emissionen i forbindelse med de mere gennemgribende renoveringer. For kedelanl:eg i effektområdet MW er set priser fra DKK til DKK (fabrikantoplysninger samt ref. /9/). Dette forhold afspejles og så af priser, der er indhentet for en aktoel svensk dampkedelinstallation rapporteret i appendix A. I en r::ekke situationer (f.eks. ved nyanlreg) kan _det v::ere relevant at sammenligne merpris ved lwb af br:ender med tilhmende mggasrecirkulation i forhold til traditionel brrender. Til brug for en sådan vurdering er i tabel4.1 angivet orienterende priser på traditionelle gasbr::endere. IMW 50-! MW MW Tabel 4.1. Priser for traditionelle gasbr:endere. Driftsudgifteme ved anvendelse af raggasrecirkulation er ikk:e store og hidrmer v resen t ligst fra eget energiforbrug til drift af sopplerende b leeser, eller ekstra forbrug for den eksisterende forbr:endingsluftbl:eser. Udgifter vurderes til at ligge mellem DKK pr. indfyret MWh afh:engigt af trykforholdene for den aktuelle kede!. 26

29 4.2 NOx reduktion ved vandindsprojtning - Virkemåde Ved indsprejtning af vand direkte ind i flammen, lmles flarnmen ved afgivelse af energien til vandets fordampning og opvarmning. Ut-koncentrationen (partialtrykket) srenkes på grund af vanddampens tilstedevrerelse. Den adiabatiske flammetemperatur falder ca. 10% ( svarende til ca 'C) ved tilsretning af 0.8Iiter vand for hver normalkubikmeter gas, svarende til 1 mol vand til l mol gas. TalJet er heregnet ved et luftoverskud på 1.3. Lavere luftoverskud giver samme relative srenkning af flammetemperaturen. I praksis realiseres vandindspr0jtning ved at indbygge en forstoverlanse/dyse i brrenderhovedet. Den stmste virkning opnås ved at tilfme forstovet vand til flarnmens varmeste område. Hvis vandindspmjtningen - udtrykt som mrengde vand i forhold til indfyret effekt - forages ud over en vis grrense, vii der vrere risiko for ufoidstrendig forbrrending, isrer hvis der samtidigt er et lavt ~-indhold. Ulempeme ved metoden er fmst og fremmest, at der skal tilfmes vand. Der vii vrere tale om op tillliter vand for bver normalkubikmeter gas. Hvis der anvendes ubehandlet vand, er der risiko for kalkafsretninger i kedlen. Desoden er der megen energi bundet i mggassens ekstra vandindhold. Dette betyder et foreget mgtab og derved et storre gasforbrug. Den n0dvendige vandmrengde kan i en nekke tilfrelde skaffes ved at lede mggassen gennem en mggaslmler og lmle mggassen ned under dens dugpunkt. Den udkondenserede vandmrengde vii kunne drekke den indspr0jtede vandmrengde. Herved forh0jes vanddugpunktet for mggassen. Den udkondenserede vand vil vrere kalkfrit i forhold til eventuelt brug af råvand. H vis der tilfm-es l mol vand for hvert mol gas ( svarende til O. 807 kg vand for hver 27

30 normalkubikmeter gas), og hvis brrenderen er indreguleret til 3% 0 2 i mggassen, vil dugpunktet stige fra 56 C uden vandindspr0jtning og til 64 o c med vandindspr0jtning. Hvis man kan opretholde en mggastemperatur efter kffleren på 56 C, vil man få udkondenseret hele den indsprejtede vandmrengde. Hvis man er i stand til at udnytte varmeproduktionen fra r0ggasla:jleren, vil den fyringstekniske virkningsgrad hermed vrere urendret. Som kfflemedie kan eventuelt arrvendes forbrrendingsluft. Dette bm gmes via kfc':j'le/ varmeflade med brine kredsl0b. Eksempell: En darnpkedel med mggastemperatur på 250 C og ingen mulighed for mggask0- ling, vil man tabe ca. 6% nytrevirkning ved at indsprejte ma!ngden: l mol vand for hvert mol gas. I praksis svarer dette til en mrengde på kg vand for hver normal kubikmeter gas. Der er i visse tilfrelde mulighed for at benytte metoden ved en dampkedel uden at nedsrette den fyringstekniske virkningsgrad: Eksempel2: Antages det, at dampkedlen i eksempiet ovenfor har en brrender, der er indreguleret til 15% luftoverskud ( svarende til 3% 0 2 i den lm're mggas), så kan den forringede virkningsgrad opvejes ved at kombinere vandindsprejtning med iltstyring. Dette forudsretter, at iltstyring gm det muligt at nedbringe luftoverskuddet og mgtabet. Vandindspr0jtningen skal vrere mindre end ovenfor nrevnt, nemlig 0.20 kg vand for hver normalkubikmeter gas. Herved opnås samme fyringstekniske virkningsgrad som fm indgrebet. Det er dog her vresentligt at påpege, at vandet skal skaffes "udefra". Reduktions-effekt Der foreligger danske fors0gsresultater fra fors0g med vandindspmjtning på to fjem- 28

31 varmekedler med indfyret effekt på henholdsvis 6 og 8 MW, ref. /2/ Vandindsprojtningen foregik ved hjcelp af dyser og var udfonnet således, at det kurr var muligt at regulere vandmrengde til enten nul, halv eller hel vandmrengde. Målinger for varlerende belastning er vist i tabel 4.2 og 4.3. Ved de her viste mäleresultater var brrenderue indreguleret til et 0 2 -indhold i raggassen på 2%. Den injicerede vandmrengde blev ikke regnleret afhrengigt af kedel-/brrenderbelastningen. Ved forsegene blev endvidere mggassens CO-indhold registreret, og man udtog pr0ver for bestemmelse af TOC (samlet m:engde organiske kulbrinter) og lugtkoncentration. Resultaterne viste ingen forskel i TOC og lugt med eller uden vandindspmjtning Tabel 4.2. ForsBgsresultater med vandindsprojtning på 8 MW fjemvarmekedel. 29

32 Tabel 4.3. Forsegsresultater med vandindspmjtning på 6 MW fjernvarmekedel. Derimod kunne der konstateres CO dannelse på en af brrendeme ved lavt luftoverskud, og CO-dannelsen var noget h0jere med vandindsprejtning end uden. Der var dog ikke tale om uacceptable ~e koncentrationer i forhold til Gasreglementets krav. Det hojest mälte CO-indho1d var 240 ppm. 0konomi, vandindsprajtning I tabel 4.4 er angivet orienterende priser for installation af vandindspmjtning samt tilhmende vandbehandlingsudstyr. I tabellen er endvidere angivet pris for en kondenserende regkoler, i fald en sådan ikke er iostalleret i forvejen. 1MW !OMW MW Tabel 4.4. Pris for vandindspr~tningssystem. (ref. /25/ og /26/) Driftsudgifter vil vresentligst afhrenge af vandforbrug pr. m 3 gas. Prisen vil primrert afhrenge af prisen på det anvendte vand samt kemisk behandling af dette. Såvel pris for vand som nedvendig behandling af vandet vil kunne variere meget fra installation til 30

33 installation og må vurderes i hvert enkelt tilfrelde. I ref angives en driftsudgift på ca kr.im' vand til drekning af kemikalieforbrug. I tabel4.5 angivet priser på traditionelle gasbrrendere (uden vandindspmjtning). IMW MW MW Tabel 4.5. Pris for traditionel gasbrrender. 4.3 NO,-reduktion ved opfugtuiog af forbrrendingsluft med vanddanop Vanddamp har en h~ere varmefylde end reggassens og forbrrendingsluftens ovrige komponenter. Forbrrendingsstemperaturen vil derfor srenkes, hvis vanddampindholdet 0ges. Dette kan udfmes ved opfugtning af indsugningsluften (forbrrendingsluften). Denne indeholder i forvejen typisk 5-10 g vanddamp pr. m'. H vor meget denne yderligere kan indeholde, afluenger i vresentlig grad af dennes temperatur. I tabel 4.6 er angivet det maksimale vanddampindhold ved forskellige temperaturer Tabel 4.6. Maksimalt vanddampindhold i luft ved forskellig lufttemperatur 31

34 Det ses, at forbrrendingsluften, såfremt denne forvarmes, vil kunne indeholde en vresentligt stmte vanddampmrengde end den naturligt forekommende ( = 5-10 g/m 3 ). På figur 4.8 er vist, hvilken srenkning af flammetemperatur for naturgas, der kan forventes ved forskellig tilsat vanddampmrengde. De viste data er heregnet v.h.a. ref Udgangspunktet har vreret en fastholdt forbrrendingslufttemperatur på 50"C. Adiabotisk forbramdingstempergtur ( c J <! 1620 t 600 J O -1-TO-r~-rTOrr~rr-rr<-r~OO~C~SJ Lufttemperatur 50GC Lufttal Vgnddgmp-indhgld i 1 O fgrbnandmqsluft (g/kq) Figur 4.8. I relation til NO,-dannelse vii man ved befugtning med vanddamp således både srenke flammetemperaturen samt iltpartialtrykket i forbrrendingszonen, forhold der, som tidligere mevnt, begge vii fere til mindsket NOx-dannelse. I modsat retning trrekker, at en eventuel nedvendig opvarmning af indsugningsluften (for at muliggme opfugtningen) vii betyde en fomgelse af flammetemperaturen. Denne fom:gelse af flammetemperaturen kan ved rimelig nejagtighed regnes rekvivalent med femgelsen af indsugningsluftens temperatur. V ed vurdering af figur 4. 8 ses, at alen e fald i forbrrendingstemperaturen mere end opvejer effekten heraf. Forbrrendingsluften kan passende opvarmes ved lmling af mggas. Det er vresentligt at 32

35 få Imlet mggassen effektivt, idet der eliers vii optra:de et fomget mggastab p.g.a. det forh0jede vanddampindhold i mggassen. Varmeveksling mellem mggas og luft udfmes ofte ved anvendelse af et vandkredsleb til overf~melse af varmen. Dette betyder, at man lam n0jes med vandnrr som forbindelse mejlem udswdssiden og indsugningsluft, fremfor at skulle fm-e de ofte store kanaler sammen i forbindelse med direkte luftlmggasvarmeveksling. Eksempell: Befugtning med vanddamp finder i dag anvendelse på naturgasfyrede kedler i Danmark. En af de anvendte befugtningsprocesser, OPTINOX, beskrives kort i det f0lgende. OPTINOX-processen består af en nekke komponenter som vist i principskitse figur 4.9. Det centrale element er en roterende varmeveksler med hygroskopisk indvendig belregning (vanddampbindende). Med denne varmeveksler overfmes varme, vanddamp samt reggas fra til indsugningsluften. Den roterende varmevekslers orodrejningstal kan varieres. lodsugningsluften opvarmes for at muliggere fomget vanddampindhold og for at sikre effektiv reduktion af energitabet fra mggasfkastet. De på figur 4.9 viste varmeflader er vand/luft varmevekslere, der opvarmer mggas og indsugningsluft nogle få grader for at mindske risikoen for uoosket kondensation i kanalsystem m. v. 33

36 kondensat n-gas vanddamp t luft t recirkuleret reggas flade l l l l l l ' kede l noggas- varm -~-,--. kel er flade l --'- os!q egg tutt G) -Lholoiveksler Figur 4.9. OPTINOX-anla:g, principskitse. Målinger har for et 5.8 MW naturgasfyret anla:g vist en NO,-reduktion på op til 60% samt en fyringsteknisk virkningsgrad på ca.!05% på det påga:ldende an l a: g i praktisk drift, ref. /3/, se figur 4.! , 15 ::::;; ' E "' 10 o.ua.t J.l lroiw F'ul~ 8.3 ww Mge 4.!1 YW s ~ co ' : NO, DOC 02 o o H ENTALPIVEKSLER RPM Figur NO,-reduktion ved opfugtning med vanddamp (varmtvandskedel ref. /3/). 34

37 Det er va:sentligt for driftsekonomien i et anlceg som ovenfor beskrevet, at mggassen lmles, så der mindst udkondenseres en vandma:ngde svarende til vanddamptilsretningen. Dette kra:ver et lmlemedie med en temperatur under ca. 55 C. I modsat fald vii roggastabet stige drastisk p.g.a. det forogede vanddampindhold. Ovenna:vnte kan va:re problematisk i relation til eksempelvis industrielle dampkedler. Her er lmlemediet (f0devandstemperaturen) sjreldent under JOO - J20 C. Der kan dog her overvejse anvendelse af andre medier på vandsiden i mgk.0leren, såfremt disse er til stede i tilstra:kkelig ma:ngde og med passende temperatur. Eksempel2: I figur 4.11 er vist et andet anla:gseksempel, hvor indsugningsluften også befugtes med vanddamp udvandet ved krding af mggassen. Her anvendes dog mere traditionel varmeveksling fremfor den roterende varmeveksler i eksempel l i dette afsnit. 35

38 a RI:!!DSEL l BOlLER FJERNV ARMENET l : l l SKORSTEN """ /ROCVASKER a~ ""' VAR!IEVEKSLERE ~J/ to)!srll!dingslufr KONDENSAT AFCANG KARBURATOR l Figur Befugtning af indsugningsluft. Principskitse fra Rough als. Ved naturgasfyring undlades r0gvasker. Processen finder anvendelse på et antal fjemvarmekedler i Danmark. Funktionsmressigt minder processen om OPTINOX-processen i eksempell. Der fmes med Rough-processen dog ikke mggas med over i indsugningsluften. OPTINOXprocessen arbejder uden faseskift, og vanddampen fmes direld.e over i indsugningsluften. Med sigte på anvendelse på industrikedler grelder de sammen kommentarer som mevnt i eksempel l. Vresentligst er det, at der skal vrere et kelemedie til rådighed, så der mindst kan udkondenseres en vanddampmrengde af HYggassen svarende til opfugtningen. Dette kan vrere problematisk ved industrielle dampkedelanlreg. 36

39 0konomi, befugtning af indsugningsluft I tabel 4. 7 er angivet orienterende investeringsomkostninger ved etablering af vanddampbefugtning af indsugningsluft ud fra princippeme, som er beskrevet i afsnit 4.3. Priseme drekker såvel befugtningssystem, nrn:lvendigt kanalarbejde samt styrlogsautomatik Prisen er ex el. kondenseren de raggaskeler, idet denne måske allerede f o re findes på det CO, aktuelle anlreg. Prisen for denne komponent er derfor angivet separat. IMW lomw MW Tabel Pris for anlreg til vanddampbefugtning af forbrrendingsluft. Driftsudgifteme ved vanddampbefugtning er forholdsvise små og hidrmer fra et evt. fomget blreserarbejde til transport af vanddampen. Dette vurderes til ca DKK/ MWb indfyret gas afbrengigt af graden af opfugtning samt trykforholdene for kedlen. 4.4 lendring af driftsstrategi m v. I dette afsnit beslaives, hvilken NOx-reduktion, der kan opnås ved rendring af driftsstrategi for kedelanlregget samt den forventede effekt af energitekniske forbedringer såsom anvendelse af iltstyring (Orstyring) mv. Energitekniske forbedringer fmer til reduktion af brre.ndselsmre.ngden, og der opnås derved en lavere C0 2 -emission samt en reduktion i NOx-emission i en rrekke af de her beskrevue tiltag Kedeldisponering Der kan i-en rrekke situationer opnås en reduktion i NOx-emissionen ved rendret anvendelse af kedelanlregget. Mulighederne må vurderes i relation til et givent konkret 37

40 anlreg samt de driftsbetingelser, hvorunder dette arbejder. Er der opstillet flere kedelenheder i en aktuel central, vii der i en rrekke driftssituationer eventuelt vrere mulighed for dellastdrift på flere kedelenheder fremfor fuldlast på en kede!. Ved dellast (40-70%) opnås generell en bedre fyringsteknisk nyllevirkning ( = mindr~ r0gtab). Det vii normalt vrere en forudsretning for en opnåelse af generel bnendselsbesparelse, at de INrige kedler ikke er lukket af men står driftsklare (varme). Ved dellast-drift kan der under sådanne omstrendigheder typisk opnås en forbedrot nyttevirkning på ca. 2-5% point p.g.a. det formindskede mgtab. V ed dellast vii der fornden ovennrevnte brrendselsbesparelse i en rrekke tilfrelde og så opnås en lavere NOx-emission. På figur 4.12 er vist emissioner af NOx m. v. for en typisk stmte gasblreseluftbrrender. ppm NO tll $ + Forbr. luft rototlon 1 kr-aftig ($)..di'*- (l) "' nog (+) 5 P. Indf. effekt ~9~9~~3~9~9~~.~99~~~59~9~~6~9~9~~799 k~ + Figur Emission af NOx som funktion af brrenderbelastning for en typisk gasbheseluftbr:ender (fra ref. /21/). Det ses af figur 4.12, at der ved henholdsvis 50 og 75% last for denne brrender/brrenderindstilling fås en NOx emission på ca. 65 og 85% af emissionen ved 100% last. 38

41 Brrendere af anden konstruktion kan have en anden karakteristik. På figur er vist et eksempel på NOx versus last for en såkaldt trykluftbrrender med luftfordeling på ca. 15 og 85% fordeling af primrer- og sekundrerluft ved fuldlast. Ved dellast reduceres kun sekundrerluftmrengden. Dette formodes at vrere medvirkeode til karakteristikken, h vor der ses at vrere stm'st NO x -emission ved dellas t g/mj Specifik NOx som funktion av last ~....,_,,.. 0 H 0" '" '""~... o"' '""o MW Figur NO,-emission fra brrender på industriel dampkedel, ref. /16/. På figur 4.14 er vist en rrekke karakteristikker for andre gasbrrendere; De to sidste af disse er udstyret med ekstern mggasrecirkulation. 39

42 NDx emission fra gastyret 6.4 MW dompkedel NOJ Emission \mg/m.j) 0 2 Konc. ( ~ ) 60 ' l \ l l l 6 50 l \ l l l \ 5 <- NO. \ 40..._- 4 \ l JO \ l '> 0 2 Konc.-> J NOx emission fra gastyret MW dampkedel med extern r0ggasrecirkulotion No, Emission \mg/mj) JO 20 o N0 11 o Kedeliost ( ~ ) emission fra gastyret 1.6 MW dampkedel med extern r0ggosrecirkulation ' \ \ ' 0 2 Konc.-> 0 2 Konc. ( ~ ) ' ' ' ' ~~ J ' <- NO, 2 ' No, Emission 1mg/MJ) JO 20 ' \ \ \ \ /, v <- NO. ' 02 Konc.-> ~~ ' " ' ~ ~ 0 2 Konc. ( ~ ) o DGC 03 o o JO BO J 2 Kedeliost ( ~ ) so o Kedeliost ( ~ ) Figur Eksempler på 3 br::enderkarakteristikker for NO.-emission versus last. 40

43 De aktuelle NOx-emissionskarakteristikk:er må derfor indgå i vorderingen af mulighedeme for NO,-reduktion ved driftsomlregning på kedelcentral. Potentialet for NO, reduktion af denne vej slemmes at kunne vrere rnellern O - 40%. De her skitserede rendringer krrever normalt ikke investeringer i nyt hardware eller lignende og vil således k:unne gennemfmes forholdsvis nemt lltstyring, indregulering af brrender Ved iltstyring (Orstyring) måles iltindholdet i mggassen kontinuert, og der foretages på baggrund af målinger ll'lbende justering af gas-/forbrrendingsluftforholdet. På denne måde sikres, at kedelanlregget ikke arbejder med et un0digt stort luftoversknd og dermed 0get mgtab til f0lge. På figur 4.15 er vist et eksempel på et sådant styringssystern. Trimcontroller regulator... ~ 02 styrinq~....:;.... ' ' <l!... litsonde Reqqos ---:;... Gosrompe Figur Eksempel på iltstyring til et st01te kedelanlreg (principskitse). Det er iltstyringens opgave at holde luftoverskuddet så lavt som muligt, både ved varlerend e last og ved varlerende klimatiske driftsbetingelser. 41

44 På figur 4.16 er vist, hvorledes ragmrengden athrenger af lufttallet. Foragelse R ggtmn~e af r"9.mgd. (nm /nm-) (,. ) JO o J o J DOC OJ 7 8 Lufttal 1.6 (-) Figur Rogmrengde som funktion af luftoverskuddet. Det ses af figur 4.16, at mgmrengden (og dermed mgtabet) stiger ved stigende luftoverskud. Reggassens afgangstemperatur vii normalt også stige ved stigende luftoverskud, se figur Dette forhold 0ger mgtabet yderligere. Figur Rcggassens udlebstemperatur som funktion af luftoverskuddet. Mål Ieresultater fra kede! på dellas t, ref. /12/. V ed fuldias t må forventes stm're forskel. 42

45 Luftoverskuddet ved forbra:ndingen har betydning for temperaturforholdene i kedlen samt for roggassemes vanddarnpdugpunkt. I tabel 4. 8 er vist eksempler på dette ved forskellige luftoverskud. l. O o ! *) mält på t0r wggas **) uden dissociation Tabel 4.8. Lufttallels (luftoverskuddets) betydning for vanddampdugpunkt og forbrrendingstemperatur Grrensen for brrenderens nedre driftspunkt vii oftest vrere bestemt af CD-emissionen. På figur 4.18 er vist, hvorledes emissionen af CO, NOx og uforbnendte kulbrinter (UHC) afha:nger af luftoverskuddet/iltprocenten i wggassen. Visse typer iltstyring registrerer også CO-indholdet i roggassen og lader forudindstillede alarmgrrenser for CO indgå i justeringen af gas-/forbra:ndingsluftforholdet. 43

46 PP" so 2S,. s 2. \ -m!!-&' r.1--u t ' ' \ ' \ ' ' '\-~ -~ l co k-trcrtl"" ::- + l CnH. -:: Luftt.ol 2 ' s 6 Il t. % Figur Emission af CO, NOx og UHC for en rnellemstor gasfyret varmtvandskedel som funktion af luftoverskud/iltprocent, ref. /12/. Det ses på figur 4.18, hvorledes emissionen af CO og uforbnendte kulbrioter stiger markant ved lavt luftoverskud. Emissionen af NOx er nogenlunde konstant, dog ses et maximum omkring et iltindhold på ca. 3%; en indstilling der ud fra hensynet til emission af CO/UHC (uforbrrendte kulbrinter) og minimalt mgtab netop kunne vrere optimalt at arbejde ved. Disse måleresultater stemmer godt overens med betragtningerne i kapitel 2. Som konklusion på anvendelse af iltstyring må siges, at man kan forvente et formindsket mggastab, der typisk s vare r til en nyttevirkningsforbedring på 1 /2 - l 1 h% afhrengigt af de aktuelle: driftsforhold for kedelanlregget. Dette svarer til en Iii svarende nedgang i brrendselsforbrug og dermed COremission. Emissionen af Nql( må på baggrund af de prresenterede resultater forventes at vrere stort set uforandret, idet formindskelsen af brrendselsmrengden opvejes af en svag stigning i emission pr. energienhed. 44

47 Iltstyring har ud over ovennrevnte forhold også betydning som kompensation for rendringer i klimatiske forhold samt for evt andre udefra kommeode påvirkninger af forbrrendingen. Prisen for et iltstyringsudstyr for 3 forskellige anlregsstmtelser er vist i tabel4.9. IMW IOMW MW Tabel 4.9. Pris for iltstyringsudstyr. Gennemtrrekstab ved stilstand Ved store industrikedler over 20 MW er dette tab som oftest mindre end skorstenstabet Som regel udstyres kedlen med et spjreld, der lukk:er for kedlens reggasafgang ved stilstand af brrenderen. Hvis dette spjreld ikke lukker helt tret, og hvis der er utretheder omkring renselemme, kan man risikere et tab, der nrermer sig en trediedel af skorstenstabet på årsbasis. Hvis der endvidere er utretheder gennem brrenderen, kantabet vokse med endnu en trediedel, ref. /13/. Tab fra kedlens overflade, ror, pumper og ventiler Ved store industrikedler er også dette tab normalt rueget mindre end skorstenstabet Alligevel er der god grund til at smge for at isolere ventiler, samt at rmog kedlejisolering er intakt. I ref. /13/ er angivet et orienterende varmetab for ventiler og rmstrrekninger for forskellige dimensioner og isoleringsgrader. 4.5 Low NOx-bra!ndere Betegneisen lo w NO x -brrendere er ikk:e entydigt defineret, men generelt drekker ordet en gruppe-af brrendere, som er udviklet med det formål at begrrense NOx-dannelsen i flammen. 45

48 Dette fonnål kan mere eller mindre opfyldes ved at benytte den grundlreggende forbrrendingsteori om NOx-dannelse og nedbrydning, når selve brrenderen designes og konstrueres. De grundlreggende pararnetre er flammelroling, premixing eller trinvis forbrrending, overfladeforbrrending og reduktion af opholdstiden i forbrrendingszonen. De forskellige teknikkor vii blive belyst i det f0lgende. De fleste low NO,-brrendere bygger på anvendelsen af flere af de ovennrevnte parametre, men af systematiske årsager er de enkelte brrendertyper placeret i de afsnit, som beskriver den parameter der har stmst indflydelse på reduktionen i NOx-emissionen Flammekoling Der findes en rrekke forskellige metoder til flammekeling, hvoraf flere er beskrevet i de foregående afsnit; extern mggasrecirk:ulation, vand-/dampinjektion og befugtning af forbrrendingsluften. Ved konstruktion af low NOx-brrendere er de hyppigste teknikker intern reggasrecirkulation, flarnruerotation og forbrrending ved relative store luftoverskud (lean-burn princippet). Det sidstnrevnte princip er dog ikk:e egnet for kedler, fordi virkningsgraden bliver ringe, men metoden er velkendt for gasmotorer. Intern reggasrecirkulation opnås ved at konstruere brrenderen således, at en del af mggassen fmes ind igennem selve brrenderhovedet. Her bliver den mere eller mindre opblandet med naturgassen og forbrrendingsluften. Recirkulation kan foretages på forskellige måder, typisk ved hjrelp af rotation eller ejektorer. Et eksempel på sidstnrevnte er vist i figur 4.19, som stammer fra ref. /11. 46

49 " l l l l ' l l l ' l l ' l l i l l l " 1-U ;.,.. l. l '. l )'l l l l " l l i l i l l ' l!l l l l l i l l! l l l. ' l o l l l l l l l : ' i l ' i i l i ' l ~ o l l i ).. _u l l l l l l l o 2ll to ID 80 load of!)oile: ('H l l~ 100 u primarr air secondary air Figur Gasbra::nder med ejektorstyret recirkulation. Forbrrendingsprodukteme recirkuleres ved hja::lp af en rrekk:e ejektorer, der er placeret i en ring rundt om bnenderhovedet. En specialdesignet plade s0ger for at blandingen af luft og gas spredes, og der opstår undertryk på pladesiden ind mod forbrrendings rummet. Dette "doovands" område giver også anledning til en indre recirkulation i flammen. Eksempiet illustrerer, hvorledes forskellige funktioner er bundet sammen. Ejektoremes virkning er kraftigt afbrengig af luftstmmmen fra seknndrerluften, og det reducerer den frihedsgrad, man har for at rendre sekundrerluftmrengden samt bibeholde recirkulationen. I andre brrendere seger man ved hjrelp af kraftig rotation at opnå et lille flammevolumen med et stort areal, således at flarnmen hurtigt ke:jes af. Et eksempel på en sådan brrender er vist i fig-ur 4.20, ref. /l/. 47

50 " "'. l l l l l l l l l l l l l l l!. U-'' l l 7' l. to l -'- o loj load of boiler!\) Figur Flad-flammebrrender. Skålformet flamme. I figuren er der vist et diagram for NOx som funktion af belastningen i kedlen. For lavere helastoinger fås her faldende NOx-ernission. Det skal bemrerkes, at luftoverskuddet er stigende ved faldende belastrring. Bnenderindl0bet er designet til at frembringe en kraftig rotation i flammen. Endvidere er montereten spredeplade (diflecter), således at flammeformen bliver en tynd skal. I denne type af flarnmer vil der normalt også vrere en kraftig indre recirkulation. En ulempe ved systemet er, at flammeformen vil rendre sig, når brrenderen reguleres op og ned i last. Hermed rendres effekten af :flammelrnlingen, såfremt der ikke er et automatisk justeringssystem. Vreggene i umiddelbar merhed af brrenderen kan vrere udmurede for at 0ge forbrrendingsstabiliteten og dermed dens moduleringsområde. Der kan dog opnås en yderligere hurtig leelin g af flarnmen og dermed lave re NO x -emission, hvis vreggene er vandlmlede Trinvis forbrrending Mange low NOx-brrendere er baseret på flertrinsforbrrending, hvor en del af forbrren- 48

51 dingen foregår i en reducerende zone. Derved begrrenses dels dannejsen af NO, dels foregår en rrekk:e kemiske reaktioner, som kan nedbryde eventuelt dann et NO i et tidligere forbnendingstrin. Sidstnrevnte effekt benyttes i rebuming processen. Generelt kan trinvis forbrrending opnås ved trinvis tusretning af brrendslet, eller ved trinvis tilsretning af forbrrendingsluften. For begge telmileker grelder det, at den trinvise tilsretning opnås ved hjrelp af aerodynamik. ' ' 3 ~ ' l l l l l l i!! l l!.1 l l - i i l l...(1'--- ly '"' l 1; ITY! l l l l"' l l l l l l l l l l l i i el l l l l ' l l l fo l l l!'kl l e-: '- l lll l lo~<! o:!:!oiler (\) ' 20 l... Figur To-trins gasbrrender qas rin; oo:de primary air - Secondary ~ir I figur 4.21 er der vist et eksempel på en gasbrrender, som er baseret på to-trinsforbrrendingsprincippet (ref. 11/). Ved et system af ledeskovie indfmes primrer- og sekundrerluften til forbrrendingsprocessen. Endvidere tilsrettes gassen to steder, dels centralt i brrenderen, og dels gennem en ringspalte anbragt i brrenderperiferien. Derved opnås en brrendselsrig zone i midten af flammen, som breromer NO-dannelsen. Den NO, som er dannet i fmste forbrrendingstrin reduceres, yderligere ved at lade brrendselsfragmenter udenom midterzonen angribe NO-molekyleme og reducere dem til blandt arrdet N 2 For at opnå en fuldstrendig forbrrending tilsrettes der yderst i flarnmen sekundrerluft, således at der fås et passende globalt luftoverskud - arrdet forbrrendingstrin. 49

52 4.5.3 Premixede forbr..,ndingssystemer. Brrendere, som forsynes med en forblancting af forbrrendingsluft og gas, er efterhånden ved at vinde indpas i små villakedler. Specielt har forskellige typer af overfladebrrendere (:fiberbrrender) fremgang. En anden kategori af premix gasbrrendere er cyklonbramder, som oprindeligt blev udviklet til incinerering af foruren et luft eller til direkte produktion af varm procesluft. I de Ilesie gasbrrendere vil gassen og forbrrendingsluften blive blandet på grund af aerodynamiske forhold i flammen. Selve forbrrendingsprocessen vil foregå i grrenselagene imellem gas og luft. Disse processer er ikke srerlig veldefmerede eller homogene, og der vil derfor altid vrere lokale ororåder i forbrrendingszonen, hvor der er ideelle forhold for NOx-dannelse- d.v.s. hej temperatur og stor iltkoncentration. En vresentlig del af den totale NOx-emission fra en flamme kan således vrere resultatet af nogle få lokale områder i flammen. Ved at blande luft og gas på forhånd undgås ovennrevnte problemer, og NO"-emission for premjxede flarnmer bliver lavere. Overfladebrrendere er en freiles betegnelse for gasbrrendere, hvor forbrrendingen foregår i en tynd zone i et pomst fibermateriale eller er stabiliseret som et flammelag udenfor materialet. I forstnrevnte tilfrelde vil fibrene opnå temperaturer på ca. 950 c (mdgh;:jdende) og vil udsende store mrengder energi ved termisk stråling. Brrenderkonstruktionen kan have mange forskel1ige udformninger og der kan arrvendes både keramiske og metalliske fibermaterialer. Prelies for fibermaterialerne er, at de skal vrere pomse, vrere dårlige varmeledere og have et h0jt smeltepunkt. På figur 4.22 er der vist en overfladebrrender. 50

53 Premixed gas and air Support Ceramic Fiber Layer Gombustian Zone (1000 C) Radiantand Convective Energy Flux l Figur Overfladebrrender (premix) Princippet i forbrrendingsprocessen er f0lgende: Naturgas og luft sendes ind i blandingskammeret i et korrekt blandingsforhold. Blandingen af naturgas og luft stmmmer op igennem fiberpladen/flammeholderen og bliver langsomt opvarmet på grund af varmeudveksling imellem den og fibrene. På givet tidspunkt opnår gasblandingen antrendelsestemperaturen, hvorefter forbrrendingsprocessen forl0ber. For en yderligere beskrivelse af forbrrendingsprincippet henvises til ref. /22/. Dette forbrrendingsprincip giver to vresentlige fordele i sammenligning med traditionelle gasbrrendere: Stor og ensartet varmetransport ved termisk stråling. Meget lav emission af kvrelstofoxider. Den fmste egenskab opnås specielt i det tilfrelde, hvor forbrrendingsprocessen foregår i selve fibermaterialet, hvorved de varme reggasser opvarmer fibrene til ca. 950 c, 51

54 som derefter kan sende energien videre ved termisk stråling i det infrarede balgelrengdeområde. Overfladebrcendere er velegnet til kedler, da det er muligt at opnå meget ensartet hedefladebelastninger i fyrboksen. De fleste kommercielle overfladebrcendere kan i dag ikke produceres til kedler over 1-2 MW. Den anden egenskab er tret forbundet med den fmste. Når energifrigivelsezonen er jcevnt fordelt i fibermaterialet og eller spredt udover et stort areal, vil resultatet vcere en tynd forbrrendingszone, hvori mggassen af'koles meget effektivt. Reggastemperatureme vii vrere 400oc til600 C lavere i forbrrendingszonen i en fiberbrrender/overfladebrrender end i en traditionel gasblresebrcender. Endvidere vil opholdstiden i forbrrendingszonen blive relativ kort. Lav forbrrendingstemperatur og kort opholdstid resulterer i lav NO x -dannelse. Overfladebrrendere giver en reduktion i mrengden af kvrelstofoxider på imellem 75% til 95% i forhold til traditionelle gasblresebrrendere og atmosfreriske brrendere. Cyklonbrrendere er kendetegnet ved, at en forblanding af gas og luft indfmes med en relativ hej hastighed, tangentielt i et cylindrisk forbrrendingsrum. Se figur 4.23 som stammer fra ref. /23/. TANGENTIAL NOZZLES OAIFICE COMBUSTION AlA FUEL Figur Cyklonbra:nder, principskitse 52

55 Det resniterende stmmningstrumster som er vist i figuren, giver anledning til en kraftig rotation samt en intern recirkulation af delvis forbr~ndte og varme gasser. Dis se forhold kan forstrerkes yderligere ved at placere en blende i udlebet af br~ndkammeret. Dette stnnnningsmooster giver en meget homogen og stabil forbrrending, som betyder, at der ikke opstår ororåder i forbrrendingszonen, hvor temperaturerue er hijje samt lokale "lommer" med hijj ilt koncentration. Dette er en effektiv måde at minimere NO x -dannelsen. Cyklon brrendere har en rrekke andre fordele: De giver stor varmetransmission i kedlen ud en lokale spidstemperaturer, stort moduleringsområde samt en m eget stabil forbrrending. Endvidere er forbrrendingsprincippet velegnet til at udbygges med andre NOxkontrol tek:nikker, specielt trinvis tilf0relse af forbrrendingsluften er en mulighed for yderligere reduktion af NOx~emissionen Low NO,-brrendere under udvikling. De fleste low NOx-brrendersystemer er i stadig udvikling hos fabrikanter og i forbrrendingstekniske laboratorier. Specielt premix brrendeme i kombination med andre NOxreduktionsteknikk:er har pt. en stor udviklingsmressig interesse. Ruhrgas AG har udviklet et low NOx-brrendersystem, som er en kombination af flere af de ovennrevnte teknikk:er; flammelmling, premixing og r0ggasrecirkulation. I figur 4.24 er der vist en principskitse af forbrrendingssystemet, samt hvorledes brrenderen fungerer sammen med en typisk kedel. Disse figurer og efterfelgende resultater starnmer fra ref/24/. 53

56 flue gas mixing reaction l even temperature distribution humout nue water flow and flue gas return Iines ;r fuel gas combustion mixer re action chamber combustion cbamber fuel gas burner hoiler Figur Low NOx-brrender der udnytter flere forskellige NOx-reduktionsprincipper. Re f. /24/. Fors0gsresultater med dette system viser meget lave NOx-vrerdier, figur Generelt har det vist sig muligt at opnå en NOx-emission på under lo pprn samtidigt med, at CO mrengden i roggassen kan holdes under l ppm A"' 1,05 o A'" 1, 15 c A {:J / A air foctor!.b coolin foctor - i/.--/ /!' o o OUIPUt, k:w Figur Fors0gsresultater vedr. emission for brrenderen i figur 4.24, ref. /24/. 54

57 Brrenderen kan uden probierner regulere l: 10 i indfyret effekt, og der blev ikke konstateret en forringelse i kedlens termiske virkningsgrad som folge af roggasrecirkulationen. Dette low NOx-system er stadigvrek på udviklingsstadiet og kan således ikke lmbes Svensk undersogelse af markedet for olle-- og gasfyrede low NOx-systemer. I 1991 gennemf<jrte Energiteknisk Utveckling AB (ETU) en markedsunders0ge1se af low NOx-brrendere for olie. En del af brrenderfabrikanterne gav ved den lejlighed også tilbud på low NOx-brrendere, som både kunne fyres med olie og naturgas. Alle brrenderleverandruerne fik tilsendt det samme udbudsmateriale, som omfattede brrendselsog kedeldata samt visse driftsdata for en 25 MW dampkedel. Tilbuddet skulle indeholde en pris på installationen samt en maksirnom garantivrerdi for NOx-emissionen ved forskellige indfyrede effekter. De svenske erfaringer viste, at det var vanskeligt at få helt sammenlignelige priser på low NOx-systememe, idet leverandererne havde vidt forskellige ambitionsnivaue vedrerende udformning af de forskellige teknisk delsystemer, som f. eks. brrender- og kedelstyring. I nodenstående tabe14.10 (fra ref. /21/) er der kun medtaget de bra:nderleverandimer, som har givet garantivrerdier for NOx-ernissionen ved naturgasfyring. I tabellen er der data for tre bra:ndselstyper: Eo5 tung fyringsolie, Eol Jet gasolie og naturgas. I tabellen er angivet nav n på de enkel te brrendere efterfulgt af oplysninger, om hvilket o lie atomiserings-medie der anvendes, samt om brrenderen anvender extern mggasrecirkulation. AlleNOx-emissioner er angivet i mg/mj. Endvidere har nogle af leveranderem e givet garantivrerdier ved forskellige dellaster. Forfatteren til den svenske rapport ger opmrerksom på, at det i forbindelse med opstillingen af tabellen har vreret nodvendigt at bearbejde nogle af de indkomne data, således at der er muligt at foretage en sarnmenligning. 55

58 Tabel4.10. Emission pr. indfyret energienhed (mg/mj) for forskellige lav NO,-brrenderfabrikater (kombibramdere) samt budgetpris for installation på 25 MW dampkedel (ref. 21). Noter: l: Darnpindspmjtning, mggasrecirkulation 2: Dampindspmjtning 3: Luft, mggasrecirkulation 4: Luft 5: Reggasrecirkulation, vandindspmjtning 6: Kompiet installation, incl. noovendig slyring og brrendselsfremfrn::ing 7: BOl: Let olie; E05: Svrer olie 56

59 De garantivrerdier, som fabrikanteme oplyste, er afbildet i figur 4.26, som viser NOxemissionen [mg/mj] som funktion af varlerende last. Fuldlast svarer til 25 MW. Resultatet viser, at der er stor s p redning i mejlem de angivne vrerdier. Dette er dog ikke udelukkende et udtryk for forskelie i de anvendte teknologier, men også et spmgsmål om, hvor forsigtig/konservativt brrenderfabrikanten er i sin fastsrettelse af garantivrerdieme for NOx-emissionen..,..., ~ ~ ~ ~ l l, l... l 10 ' o Figur NO,-emission som funktion af last, ref. /21/. Generelt viste undersegelsen således, at rendring i brrendslet fra tunge tillette olietyper og videre til naturgas, gav betydelig reduktioner i NOx-emissionen, samt at lavere last gav mindre NO x -dannelse. Inden for nrervrerende projekt er også foretaget en rrekke henvendelser til leverandmer af low NOx-systemer. De svar projektledeisen medtog, viste de samme resultater som den svenske unders0gelse. Som udgangspunkt kan man opnå en 50% reduktion i NOxemissionen sammenlignet med en traditionel gasbrrender. De fleste leverandmer vii kun give priser og garantivrerdier, hvis de har alle de tekniske specifikationeme på et konkret anlreg. Det er derfor svrert at danne sig et generelt overblik over NOx-reduktionspotentialet og anlregspriser på de forskellige NO x -systemer, som er på markedet 57

60 Det er derfor vanskeligt at giv e generelle retningslinier for, hvilket system man skal vrelge. Den optimale kjsning vii vrere afhrengig af anlregskonstruktionen, indfyret effekt, brrendselstyper, kedeltype og driftsforhold. Som nrevnt tegner der sig et lidt broget billede med hensyn ti1 pris og leveringsomfang for de i ref. /21/ modtagne budgetpriser. En rrekke af tilbuddene har ikke montagearbejde indregnet, og tids- og ressourceforbrug i forbindelse med indregulering. Andre af tilbuddene inkluderer ikke forbrrendingsluftblreser, eller selve kanalarbejdet i forbindelse med mggasrecirkulationen. Analyseres det indkomne materiale lidt nejere, tegner der sig dog det i tabel 4.11 viste billede over omkostningsfordelingen for den pågreldende 25 MW dampkedelinstallation. Tabel4.11. Omkostningsfordeling for low NO x -brrenderinstallation til 25 MW darnpkedel (ref. /21/). Brrenderdel SEK Styring/ SEK regulering Montage/ SEK indregulering Gasrampe inkl SEK sik:kerhedsauto Tillreg for SEK kombibrrender Etablering af extern SEK mggasrecirkulation 58

61 5. ENERGI- OG MILJOSKATTER I NORDEN 5.1 Generell I dette afsnit belyses, kort, overordnede energi- og miljeafgifter på gasanvendelse til industrielle kedler i de nordiske lande. Det er vresentligt at vurdere både milje og energiafgifter, idet man eksempelvis kan komme ud for NOx-reduktionsteknologier, der fm:er til et "get gasforbrug samt evt. heraf afledt "get CO,-afgift. 5.2 Gaspris, energi- og miljoafgifter Tabel 5.l angiver typiske gaspriser for gas til industriel an vendel se i de nordiske lan de ( + k:raftvarme). Priseme varierer naturligvis efter de indgåede kontrakter, og oplysninger om aktuelle tal må derfor indhentes ved vurdering af en konkret installation. Danmark l. 70 DKKim' SEK!m' Finland FIM/m' TabelS.l. Gaspris i de nordiskelande (industriel gasanvendelse). I tabel 5.2 er angivet milj0afgifter på naturgas til industriel anvendelse. Danmark 0.24"l DKK/m 3 o 0.17" SEK/m' 40""' Finland 0.029" FIM/m' O FIM/kg ~ inkluderet i gaspris ovenfor i tabel5.1 ") kedler > lo MW samt årlig nyttigjort energiproduktion > 50 GWh Tabel 5.2. Milj"afgifter i de nordiske laode. Det fremgår af tabel 5.2, at Sverige er det eneste laod, hvor der er afgift på NO,- 59

62 emission. Der redegmes nrermere for denne afgift i det felgende afsnit. 5.3 Den svenske NO,-afgift I Sverige er pr ikrafttrådt lov om afgift på emission af NO.- Loven orofatter kedler med en tilfmt fuldlasteffekt på minds! 10 MW og en årlig nyttiggjort energiproduktion på minds! 50 GWh. Afgiften er på 40 SEK pr. kg NO, (regnet som N0 2 ). Af giften tilbagebetales til kedelejorne efter fradrag af et administrationsbidrag ( < l%). Tilbagebetalingen af afgiftsprovenuet sker som hver kedelejers andel af den samlede nyttiggjorte energiproduktion. Dette indebrerer i princippet af anlregsejere med en h0jere NO x emission pr. energienhed end middelvrerdien betaler til anlregsejere med lavere emission pr. energienhed end gennem snittet. Besternruelsen grejder kedler (uanset brrendsel), hvor der produceres damp, hedtvand, varmtvand eller hedtolie med sigte på, at den producerede energi anvendes til bygningsopvarmning, elproduktion eller i industrielle processer. Anlreg til en rrekke direkte procesanvendelser er undtaget, se nrermere herom i ref. /14/ eller /18/. Ved heregoing af NOx-emission kan enten anvendes den faktiske emission eller tabelvrerdier udmeldt af myndighedeme. Disse standardvrerdier fornox-emission er 0.25 g/mj, dog 0.6 g/mj, hvis energiproduktionen sker på basis af en gasturbine (ref. /14/). Det vii ofte vrere afgiftsmressigt fordelagtigt at anvende den aktuelle emission baseret på måling. Der stilles en rrekke krav til kvalitet, kontroi og kalibrering samt rådighedstal far en sådan måling accepteres. Kravene er beskrevet i ref. /19/. Der skal mäles i alt minimum 40 minutter pr. time. Såfremt målendstyret anvendes til flere anlreg, skal der minimum foretages 5 jrevnt fordelte målinger af hver parameter pr. time som basis for heregoing af timemiddelvrerdien (i alt 5 min. pr. time, pr. parameter, pr. roggaskanal). Såfremt der er mindre end 5 vol% NO, af den samlede NO,-mrengde, kan man n~es med ganske få årlige målinger af fordelingen mellem NO, og NO, og udstyret på 60

63 stedet kan derfor indrettes til alene at måle NO i henhold til ovenstående. Bestemmelse af nyttiggjort energimrengde kan foretages enten direkte eller indirekte. Ved direkte måling mäles mrengde og kvalitet af de nyttiggjorte energistr"mme. Ved indirekte måling anvendes bestemmelse af energitab, og disse fratrrekker den indfyrede energi. For kraftvarmeanlreg er nyttiggjort energisummen af den producerede el og varme. For dampproducerede anlreg i forbindelse med procesanvendelse, eller anvendelse af damp i dampturbine, kan den producerede energimrengde fratrrekkes 5%. Det betalte afgiftsprovenu tilbagefores kedelejorne i forhold til den producerede nyttiggjorte energi. Dog tilbageholdes ca. 5 promille til drekning af ordningens administrationsomkostninger. I figur 5.1 er den årlige NO,-afgift pr. MW afbildet som funktion af antal fuldlastdriftstimer, såfremt man betaler NOx-afgift efter tabelvrerdieme (skabelon-vrerdieme). Diagrammet er baseret på de 40,- SEK pr. kg. NO)(. ~'lig afgift P' MW ( SEK/(MW O') ) DQC.fSIJ Gasturbina / l/ v v l/ / Kedel l/ / v v l ' / v v v v o ''i.? Arligt fuldlosttimetal o ( h/0, ) Figur 5.1. Årlig NO,-afgift (SEK) pr. MW afha!ngigt af antal fuldlasttimer. NO, betaling efter tabelva!rdi. 61

64 I figur 5.2 er den årlige NOx-betaling vist som funktion af aktuel NOx-emission samt årlig fuldlast benyttelsestid for kedler. Det ses ved sammenligning med figur 5.1, at man typisk vil få en vresentlig lavere NOx-afgiftsindbetaling ved at anvende aktuel måling. Til gengreld skal så investeres i måleudstyr og vedligeholdelse heraf. Arlig oflift pr. MW ( SEK (MW Or) ) t- V/ o ~ o / / / t/::: v v / v v /' v v v y / v / l/ v // DCC/83 v / / ~---"' - ~ 1-- /. v Arligt fuld\osttimetol, ( h/or ) NOx Emission, ( mg/mj ) 500 Figur 5.2. Årlig NO"-afgift (SEK) pr. MW afhrengig af antal fuldlast driftstimer ved NO" betaling efter aktuel (målt) emission. 62

65 Tilbagebetaling af NO,-afgiftsprovenuet sker udelukkende på baggrund af nyttiggjort energimrengde og vil således altandet lige kunne regnes ens, hvad en ten man anvender tabelv.,rdi eller aktuel v"'rdi. Eksempel: En videsomhed råder over en naturgasfyret 20 MW dampkedel, årligt "'kvivalent fuldlast driftstimetal :=::< 4000 h. NOx-emissionen er ved afleveringsforretning mält ti1 100 mg/mj. NO,-afgiftsbetaling efter tabelvrerdi (figur 5.1). Afl.,st betaling for 4000 fuldlastdriftstimer: SEK/(år MW) Kede! på 20 MW: SEK SEK/år NO,-betaling efter aktuel emission (figur 5.2) Afl.,st for JOO mg/mj og 4000 h : SEK/(år MW) Kede! på 20 MW : SEK SEK/är Gennemfmes NOx-reducerende tiltag der brioger emissionen ned på 70 mg/mj fås en NO,-betaling på (figur 5.2) : SEK SEK/år Tilbagebetaling for NO x -afgiftsprovenuet vil ikke påvirkes mrerkbart med den givne installerede kedeleffekt i forhold til det samlede antal berorte kedelanl.,g. 5.4 Omkostninger til målendstyr mv. Såfremt det vrelges at måle den faktiske emission på det givent anlreg, må der anskaffes måleudstyr af lillj kvalitet med tilh<>rende kalibreringsudstyr samt rapportudformningshardware og programmet Prisen for disse anskaffelser samt tilsyn og vedligehold er 63

66 ikke i vresentlig grad afhrengig af kedelstorrelse. Ved anlreg med flere kedler kan evt. anvendes et ud styr, der så skiftevis mäles på de forskellige kedler, jfr. bestemmelser i ref. /19/. For typiske mellemstore og store industrivirksomheder er i ref. /16/ angivet, at anskaffelsesomkostninger for målendstyr mv. er ca SEK, idrifttagelsesomkostninger/indlrnring mv. ca SEK samt de årlige udgifter til kontrol, tilsyn, service samt måledatabehandling ca SEK På figur 5.3 er vist et eksempel på komponenterne i et sådant målesystem. RÖKGASKANAL vendler mltgu Jodning Figur 5.3. Målesystem på industrivirksomhed 64

67 På figur 5.4 er angivet, hvorledes en månedsrapport for afgiftsberegningen kan vrere udformet: MIS.NADSRAPF'OF~T MILJOEMISSIDNER "l.'l.nadsranpa~-t fä r m3nad: 92- :08 NO>~ ~'igif; :-10:( i Dyqn l Drift Sko.tt "~"t"~9"'" Energi NiJ:dsp) rm:(mass /10;(($0) "!Oxmass! t im ti:n L'olmO:J [GJJ C:ngii'!JJ C!< g J :;11Qii'iOJ [~g] l !~.4. -~-- 1'?.4 ' r: o n.~...v M.O C 33.8 < 24 ) ! S).,Ö o o ' ? ,:,,./ "'" " o o ! ' 10 o !O n.s!3! ' " !:2 24 ) !.; 14 o :> " :: b 10 o 3770, <!1.8 1!. 4- ~~-" o o o 8034 :; !.1 " 20 o o o ,0 o. o 21 o o o o o 0.0 o. o o.o !4 o ~ o c :;a sso ,. 24 ' o 1649'> J.l S 24 o o " o l o :; Summa Medel Be~. NOxspec linass<./energil Emitterad mängd N0>1 Emitterad mängd NON för o.vgiftsberäkn Spedfik medelemission NO:-: Specifik medelemission NON inkl avg.scha11lon Avgift TOr m.lnaden Tillförd energi under m~naden Anläggningens driftstid ~ätning aktiv under SchablonberäkninQ under AterstAr för man.:.el! justerim Mätsystemets till9ä.nglighet B , 100::.8., 63.7 mg/mj 7l.S mg/lij "' " G;.Jh 557 h 536 h 21 h o h ' ' Figur 5.4. Eksempel på månedsrapport fra dampkedel på strote svensk industrivirksomhed. 65

68 5.5 status for den svenske NO,-afgift I forbindelse med udarbejdelsen af mervrerende rapport er blevet rettet henvendelse til den svenske milj0styrelse, Naturvårdverket, for at få en status for det f<>rste år (1992) med den svenske NOx-afgift. Man op1yser her, at der for året 1992 er indbetalt 612 mil!. SEK i NO,-afgift svarende til en gennemsnits NO x -emission på ca. 99 mg pr. indfyret MJ. Den samlede nyttiggjorte energi var ca GWh. Der forventes tilbagebetalt ca. 16,31 SEK/MWh. Det forventes, at NO,-afgiften påsigt f<>rer ti1 et fald i NO,-emission på ca. 30%. Eksempel (fortsat) Antages kedelinstallationen i eksempiet fra afsnit 5.3 at have en virkningsgrad på 80%, bliver den årligt nyttiggjorte effekt: 20 MW 0, h = MWh Tilbagebetalingen vil da (med 1992 sats) blive: MWh 16,31 SEK/MWh SEK Det ses ved sammenligning med NOx afgiftindbetalingen, at der ved gennemfmelse af NO, reducerende tiltag opnås en netto tilbagebetaling på ca SEK. Dette skyldes, at emissionen nu er bragt under landsgennemsnittet. 66

69 6. REFERENCER Il! Glarborg, P.; Rasmussen, N.B.K., Hadvig S. "Reduktion af NO,-udsendelse fra naturgasfyrede kedler". DTH /2/ Blinksbjerg, P; Falster, M. "Reduktion afno,-dannelse ved naturgasfyrede fjernvarmekedler", dk-teknik, Industrifyring als, juni /3/ Jensen, J; de Wit, J; Bigum, P. "Optimal virkningsgrad, minimal NOx-emission", Gasteknik 2/92. /4/ Feisst. U.; Mafinahmen bei industrienen Feurungen zur Unterschreitung verschärfter Emissionsgrenzwerte för NO x. GASW ÄRME International, 40, Heft 112, /51 Madsen. O. H.; TEF - Tekniske forbrrendingsberegninger, et PC program, april 1990, Dansk Gasteknisk Center als. /6/ van der Lugt. et al: NO, Reduction In Industrial Boilers, IGRC 1992, vo1.4, p.32, Orlando, Florida, nov van der Lugt, T.; Low NOx Technologies for Boilers, p. 89, Nordisk Konference om Naturgas og Milj", K<>benhavn 2-3 September 1992 /8/ IXROEG. Et edb-beregningsprogram ti1 mggasberegning, Dansk Teknologisk Institut, DGC Grosshans, D.: "Praktische Erfahrungen aus dem Betrieb mit NOx-mindemden Massnabmen bei Gasbremen und Gasmotoren", GWF - Gas/Erdgas 133 (1992). 67

70 1101 Hayhurst, A.N; Vince, LM.: Prog. Energy Combustion Sci. 6,35 (1980). f Il/ de Wit, J.: "R0glmling, h vad betyder C02% og Imlevandstemperaturen for bnendselsbesparelsen?", VVS-bladet (Teknisk Forlag) de Wit, J.: "Varmeovergangsforhold i mellemstore kedlerved kraftig rotation af forbr<endingsluften", 1988; delrapport til projekt "Avanceret fyringsteknologi for naturgas", DTH, DTI, DGC og /13/ Paulsen, O. et al: "Optimal anvendelse af naturgas på blokvarmecentraler, årsnyttevirkningsgrader ved gas- og oliefyring u. Dansk Teknologisk Institut, Birch & Krogboe /14/ Svensk författningssamling: "Lag om miljöavgift på utsläpp av kväveoxider ved energiproduktion", SFS 1990:613. /15/ "V armetransmission ved naturgasfyring i kedler og industriovne 11 Dansk Teknologisk Institut, Danmarks Tekniske Hl'ljskole, /16/ Henriksson, H; Hansson, M: "Emissionskontroll i forbrändingsanläggningar", Felix AB, Sydkraft Konsult /17/ "Rauchgas-Emissionsmessung", EVN. Niederösterreich Aktiegesellschaft, oktober /18/ Naturvårdsverket: Publikation "Värt att veta om kväveoxid avgifter" SNFS 1992: 6, MS: 37 og 47 (Statens Naturvårdsverks författningssamling). Föreskrifter om mätudrustning för bestämroende av miljöavgift på utsläpp av kväveoxider vid energiproduktion. 68

71 /20/ SGC: Information om gasaovändingsteknik nr. 4, januar /211 Schuster. R.: Låg NO,-brännare för eldningsolja, (Teknik og kostnader 1991), ETU-0013/1, /22/ Madsen. O. H.; Fiberbr::endere, Forskning og Udvikling indenfor naturgas udvilding, NGC konference, Oslo Abbasi. H. A, Khinkis. M. J, Cygan. D. F.; Ultra low emission burner for boilers and indirect heating, IGRC 1992, vol.4, p.20, Orlando, Florida, nov /24/ Hess. R.; Extremely low NO, burnors for Boilers,IGRC 1992, vol.4, p.334, Orlando, Florida, nov Korrespondance med Dansk Energi Service A/S, Vej1e, Danmark Korrespondance med Fa. Vagn Hansen aps., Odense, Danmark. /27/ Korrespondance med Fa. Max Weishaupt, Danmark /28/ Korrespondance med BP-GAS, Århus, Danmark /29/ Korrespondance med Fa. Air Fröhlich aps., Hmsholm, Danmark /30/ Korrespondance med Fa. Erik Roug, Herning, Danmark /31/ Bemergård, L.: "Environmental change on Nitrogen Oxides Emissions, The Swedish Experience", The 1993 Joint Symposium on Stationary Combustion NO, Control, Florida. 69

72 OMREGNING VEO FORBRA:NDING AF DANSK NATURGAS H. = MJ/m 3 n co2m ll = 12,12 vol.% Omsmtning p pm > mg/m 3 n ppm > mg/mj mg/mj -> ppm ppm -> ppm 0,111 > 0,121 Kulilte c o ppm 1.25 ppm. 6, o, mg o, 6,2 Kvmlstofilte NO ppm 1,34 ppm 6,6 21 -o, 21- o, mg. 6,6 {JJ Kvmlatafilter NO. som N0 2 ppm 2,07 ppm 10, o, 21- o, mg. 10,2 ppm o, (2) 21 o, (l) Al c.c Kulbrlnter CnHn som CH 4 ppm 0,72 ppm 3, o, mg. 21 -o, 3,6 ' Kulbrioter CnHm som C 4 H 10 ppm 2,71 ppm. 13,4 21 -o 21- o, mg 13,4'

73 Appendix NOx-reduktion hos FELIX AB, Eslöv

74

75 Appendix NOx-reduktion hos FELIX AB, Eslöv

76 - 2- INDHOLDSFORTEGNELSE l. Baggrund for underso gelsen Felix AB Generell Kedelcentral Kede! P NO, måling på kede! P Nuvrerende NO, indbetaling 8 3. NO, reduktionsteknologier l. Anlregsejerens krav Teknologier Alternativ l: Alndret driftstrategi for kedelanlreg Alternativ 2: Forbedret luftfordeling på de eksisterende brrendere... Il Alternativ 3: Ombygning af gasindfering på eksisterende brrendere Alternativ 4: Roggasrecirkulation på eksisterende brrendere Alternativ 5: Nye lav-no, brrendere Alternativ 6: Nye brrendere med ekstern mggasrecirkulationssystem KONKLUSION REFERENCER:... 19

77 Baggrund for undersegelsen Dette appendix skal ses som et eksempet på anvendelse af en nekke af de i hovedrapporten beskrevne NO" reduktionsprincipper på et konkret industrikedelanlreg. Som eksempet er anvendt fabrikken FELIX AB' s dampkedelanlreg. Projektet har valgt at tage udgangspunkt i dette svenske industrianlreg, fordi kedelanlregget udgm et typisk industrielt kedelanlreg, og fordi en NO" reduktion her vii fme til en formindsket NOx afgiftsindbetaling. Dette appendix har som formål haft at beskriv e og prissrette de mulige anlregsrendringer, samt at vurdere NOx reduktionen og hvad dette medfimer for NO" afgiftsbetalingen. Det overlades herefter til virksomheden at vurdere, hvorvidt man oosker at gå videre og udfm-e de foreslåede NO,. reducerende tiltag. Projektet har modt udstrakt velvilje fra FELIX AB's side ved Bertil Johansson samt Kenneth Sjögren. 2. Felix AB 2.1. Generelt Virksomheden FELIX AB ligger i Eslöv ca. 40 km nord<jst for Malmö. Virksomheden producerer produkter indenfor fedevarebranchen, kartoffelprodukter udgm stm'stedelen heraf. Virksomheden har produktion året rundt, bortset fra teknisk revision et par uger om sommeren Kedelcentral Kedelcentralen hos FELIX AB er placeret i separat bygning på fabrikkens område. Bygningen rummer også lokalt kontrolrum, der er bemandet med mindst l person hele degnet. Kedelcentralen producerer procesdamp samt damp til anvendelse i forbindelse med bygningsopvarmning. Kedelcentralen er udstyret med 2 dampkedler på henholdsvis 18 og 26 MW. Kedlerne er anskaffet i 1966 og 1978 og benrevnes tilsvarende P66 og P78. Kedlerne

78 - 4 - var oprindelig oliefyrede, men er nu begge konverteret til naturgas dog fortsat med olie som alternativt brrendsel Det samlede årlige energiforbrug er ca. 120 GWh svarende til ca. 11 millioner It1n 3 naturgas. På figur Al er vist en oversigtstegning af kedelcentralen. Kedlerne er placeret ved siden af hinanden. Kedleme er forsynet med economizer. Anlregget er ikke forsynet med sugetrreksblreser på mgsiden; mgtransport klares alene ved brrendemes blresere. Anlregget er ikke forsynet med ilt-styring. Fig Al: Oversigtstegning af kedelinstallationen. Detterapport-appendix vil hovedsagligt angå kedlen P78, idet hovedparten af dampproduktionen foregår på denne kedel. Endvidere er der alene på denne kedel monteret udstyr til kontinuerlig NOx måling. En mindre del af dampproduktionen klares fra kede! P66, idet denne forsyner dele af virksomhedens ud styr, der krrever et damptry k på ca. 35 bar Kedel P 78 Kedlen P78 er en 3 trreks vandmrskedel af fabrikat Högfors; type Högfors 52. Kedlen har en nominel dampkapacitet på 40 tons/h (25 bar, 215 C}. Med de monterede brrendere er fuldlastydelsen ca. 35 t/h. På figur A2 er vist en oversigtstegning af kedlen.

79 - 5 - CD =:;,~~~"'..:::~;:,..,_..,_ =~~,~= W ~..::=.::..::=_"-... """"' :::::,";".,;,'~..,-.. - :::::!""''... ~.--~ ::,:_,~ _...,.,- " :::--_..,..,. Fig A2: Oversigtstegning over kede! P78. (Den aktuelle kede! er dog monleret med 2 brrendere i forpladen) Kedlen er udstyret med to 12 MW brrendere af fabrikat Petrokraft. De anvendte brrendere er såkaldte trykluftbrzendere. De forsynes med primrer og sekundrer forbrrendingsluft via kanaler fra forbrrendingsluftblresere placeret i separat rum. Ved fuldlast udgm primrerluftmrengden 15%. Ved dellast reduceres udelukkende sekundrerluftmrengden med det aktuelle styringsprincip. Ved dellastdrift reduceres gastilfmslen til begge kedlens brrendere proportional!. Figur A3 viser en principskitse af de installerede bnendere.

80 - 6 - ' Fig A3: Petrokraftbrrendere på kede! P78 Dampproduktionen f0lger n~e det aktuelle dampbehov. Dampproduktionen klares overvojende af kede! P78. Denne kede! har den h~este nyttevirkning, og med det monterede NO, måleudstyr focer energiproduktion herpå til den laveste NO, afgiftsbetaling. V ed denne driftstrategi overstiger energiproduktionen på P66 årligt således ikke 50 GWH, og der skal derfor ikke betales NOx afgift for dampproduktionen på denne. Produktionen på P66 udgjorde i 1992 ca. 40 GWh. Da kede! P66 ikke er afgiftspligtig, opnås heller ikke afgiftstilbagebetaling for energiproduktionen på denne. Dampbehovet svinger meget henover dagen. På figur A4 er vist typiske driftsprofiler. Driften er karakteriseret ved m eget dellastlmrsel samt h yppige og hurtige lastrendringer.

81 - 7- UTTAGSPK O FIL "j 20 '] t J ~\ n tiatum Figur A4: Eksempler på typiske driftprofiler for kedelanlregget hos FELIX AB (målt på gasforsyningssiden) Det ses, at kedlen normalt arbejder fra soodag aften tilh::rrdag morgen NO, måling på kedel P78 På kede! P78 er iostalleret kontinueret NO, måling af hensyn til betaling af NO, afgift. Udstyret består af mggaskonditioneringsenhed, analysator samt måledataopsamlings- og resultatbehandlingsudstyr. Hertil kommer nedvendigt kalibrerings- og kontroludstyr. Målesystemet er vist i figur AS.

82 - 8 - Mitgassond RÖKGASKANAL -.. Uppvlrmda ventiler Uppvärmd mltsu Jodnlng Figur A5: NO, målesystem på kede! P78 hos FELIX AB Målingerne danner basis for fastsrettelse af den aktuelle NOx emission på timebasis for kedel P Nuvrerende NO, indbetaling Der betales NO, afgift på 40 SEK/kg emilleret NO,. Det totale svenske indbetalte afgiftsprovenue fratrrekkes p.t. ca. 5 promille til ordningens administration, hvorefter afgiften tilbagef0res virksomhederne direkte proportionalt med deres nyttiggjorte energiproduktion. Alle kedler med en indfyret nominel effekt over l O MW samt en årlig nyttiggjort energiproduktion over 50 GWh er afgiftspligtige. Med den på FELIX AB valgte kedeldisponering er kun kede! P78 afgiftspligtig, idet energiproduktionen på P66 holdes under 50 GWh årligt. NO, indbetalingen for kede! P78 har i 1992 vreret ca SEK. Den gennemsnitlige NO, emission for denne kede! var i 1992 ca. 65 mg/mj (indfyret).

83 NO, reduktionsteknologler I det falgende prresenteres de NOx reduktionsteknologier, der regnes for teknisk/ekonomisk realistiske for FELIX AB. De udvalgte a:ndringsforslag spa:nder fra simple og prisbillige rendringer til total udskiftning af bra:nderanla:gget Anlregsejerens krav FELIX AB har lagt va:gt på f0igende: at enhver rendring skal kunne foretages indenfor de planlagte revisionsperioder at anla:gget rådighedstal ikke må forringes at man fortsat skal have flere brrendselsaltemativer kort tilbagebetalingstid for eventuelle in vesteringer Teknologler Valg af de her prresenterede rendringsforslag er foretaget ud fra de i afsnit 3.1 nrevnte krav fra FELIX AB samt en konkret vurdering af de tekniske muligheder på anla:gget. Lesnioger, der indebrerer kondenserende roggaslmling er forkastet ud fra det faktum, at man ikke råder over et lmlemedie med tilstnekkelig lav temperatur i tilstrrekkelig mrengde. lodsatsen er derfor koncentreret om falgende 5 altemativer: 1: 1Endret driftstrategi for kedelanla:g. 2: Forbedret luftfordeling på eksisterende bra:ndere. 3: Ombygning af gasindforing på eksisterende brrendere. 4: Etablering af ekstern mggastilbagefoong på eksisterende bra:ndere 5: Nye lav-nox brrendere. 6: Nye bra:ndere med ekstern mggastilbagefoong.

84 - 10- I det fe:lgende beskrives fordele/ulemper, forventet NO x reduktion samt omkostningsforhold for de mevnte altemativer Alternativ 1: A:ndret driftstrategi for kedelanlreg Gasbnenderes specifikke NOx emission er normalt lastathrengig. I hovedrapportens afsnit 4.4 vises eksempler på forskellige brrenderkarakteristikker. På kedelcentraler med flere kedler vil eventuel omlregning af damp/varmtvandsproduktionen slrnnsmressigt i mange tilfrelde knnne fme til op mod ca. 30% NO, reduktion. På det aktuelle anlreg hos FELIX AB har de monterede Petrekraft brrendere en karakteristik, hvor den specifikke NOx emission mindskes med stigende last på kedel P78, se figur A6. o. u o;. -m_j --'-""'-"IX'-s"'"'"";"n"'-k_,N"'''"'"'"''-"' "e:"'"'";'"'"-'''-'-"'''-'''-,' ' O.ObO o. oso+--,.-,.,-o,-,-..,-...,.--,c"c';-,:""c:--c:-c: " Fig. A6: Specifik NOx emission versus last for de nuvrerende brrendere Mindst NO x emission pr. indfyret energienhed opnås således ved at lade kedlen arbejde med så h0j last som muligt. Dette er stort set den driftsform der pt. praktiseres, reservekedlen P66 producerer knn en mindre del af procesdampen (ca. 30%). Det vil dog vrere fordelagtigt at flytte så stor en del af produktionen som muligt fra P66 til P78, idet afgiftstilbagebetalingen overstiger indbetalingen. Hvis dette medfmer hejere indfyret effekt på P78, vil dette yderligere fme til en formindsket specifik NO, emission Gvfr. fig. A6).

85 - 11- En begrrensende faktor for en sådan produktionsoverflytning er, at kede! P66 pt. arbejder med et h<ljere afgangstryk for dampen til forsyning af en del udstyr, der krrever dette. Det pågreldende udstyr er dog pt. under vurdering med henblik på omlregning til et lavere damptry k. V ed produktionsoverflytning kan forventes h<ljere middeleffekt for kede! P78, h vilket vii fime tillavere middel NOJt emission end den herunder forudsatte emission. Konklusionen på ovenmevnte bliver, at såfremt al produktion kunne flyttes fra kedel P66 til kedel P78, ville man med nugreldende satser kunne opnås en netto afgiftsrefusion på op til ca SEK/år. (Forudsretninger: Produktionsoverflytning -35 GWh, NO, afgiftsbetaling SEK, Afgiftsrefusion ; Middel NO, emission -65 mg/mj). Dette rendringsforslag ville kunne anvendes i kombination med alle eftertalgende 5 alternativer og i konklusionen opstilles derfor et sopplerende scenarie, hvor nedennrevnte alternativer er anvendt i kombination med den rendrede driftstrategi Alternativ 2: Forbedret luftfordeling på de eksisterende braendere Brrenderfabrikanten PETROKRAFT har på andre kedelanlreg udfimi en rrekke ombygninger af den aktuelle brrendertype med sigte på at nedbringe NOx emissionen ved en forbedret primrer/sekundrer luftfordeling. Alle Petrakrafts brrendere af denne type er de sidste to år leveret med dette luftfordelingsprincip. Resultatet har vreret mindsket NOx emission samt generel mulighed for reduktion af luftoverskud. Sidstmevnte vii normalt give anledning til et mindre mgtab og derved en bedre brrendselsudnyttelse. En rendring af brrendeme hos FELIX AB vii koste ca SEK. ink!. materialer, arbejdslen, herunder tidsforbrug til indh:jring. PetTokraft AB oplyser, at man vil kunne forvente en NOx reduktion på ca. 10%, baseret på de af firmaet hidtidigt foretagne ombygninger. Dette vil betyde en årlig besparelse på NO, afgift på ca SEK.

86 Alternativ 3: Ombygning af gasindfyring pä eksisterende brandare Fabrikanten og leverandm-en af anlreggets nuvrerende brrendere har udviklet og afpmvet en ny "gas b rånnartillsats" til de aktuelle brrendere. Denne er ud vi klet speciell med hen b lik på NOx reduktion. "Tillsatsen" ben:bvnes GLS. Ved anvendelse af denneviltiden for omstilling mellem olie og gas eges til ca. 15 min. På billede A 7 er vist en principskitse af pressluftbrrendere med ovennrevnte modificerede gasindfming monteret. Fig. A?: Pressluftbrrendere med modificeret gasindblresning Erfaringerne fra flere sådanne ombygninger har vist en NOx reduktion på mindst 20%. Dette vii for FELIX AB svare til en årlig besparelse i NO,-afgift på SEK. Ombygning af kede! P78 2 brrendere vii koste ca SEK. Dette inkluderer både materialer samt forventet medgået arbejdstid.

87 Alternativ 4: Raggasrecirkulation på eksisterende breendera Brrenderleverandmen Petrekraft er blevet bedt om at vurdere hvorvidt det er muligt at etablere extern raggasrecirkulation på de eksisterende brrendere. De aktuelle brrendere vurderes at vrere velegnede for indf0ring af r121ggassen med sekundrerluften. Raggassen kan tages fra kedlen i vendekaromer mellem 2. og 3. trrek (mgtemperatur C). Dette vendekaromer er i bekvem merhed af såvel brrender som de eksisterende primrer- og sekundrerluftblresere. På figuren herunder (A8) er vist, hvorledes reggassen trenkes tilfmt brrenderen. På denne skitsetages mggassen fra kedelafgang. l' (~ l l Fig. AS: Petrokraft-brrender med ekstern mggasrecirkulation

88 - 14- Der anvendes separat mggasblreser samt 2 spjreld, der gm det muligt at kontrohere mggastilfmslen ti1 primrer- og sekundrer luft. Ombygningen udfmes så der ved styring af spjreld umiddelbart kan stilles om til drift som hidtil. Fabrikanten Pettokraft oplyser, at ombygningen forventes at koste ca SEK. Det forventes, på basis af de i hovedrapporten anfmte måleresultater, at der kan opnås ca % NO, reduktion svarendetilen besparelse på SEK/år med nugreldende afgiftssats og energiforbrug Alternativ 5: Nye lav-no, brandere På basis af undersegelser i forbindelse med hovedrapporten blev taget kontakt til et antal lav NO, brrenderleverandmer for at indhente budgetpris for udskiftning af brrendere på den aktnelle installation (kede! P78). Fabrikanteme blev endvidere anmodet om garantivrerdier for NOx emission i forbindelse med installation på det pågreldende anlreg. De i dette afsnit omtalte bnendere er alle brrendere uden ekstern mggastilbagefming. Der taget nrermere forbindelse med fabrikanteme EUROCOMBUSTION AB (Credfeld), VITO TECHNIEKEN B. V. samt RODENHUIS & VELOP. EUROCOMBUSTION AB Dette firma tilbyder 2 stk. (Credfeld) kombibrrendere ( naturgasfolie eo5). Tilbuddet omfatter brrendere, gasrampe, styrings/overvågningsautomatik samt montage og indregulering af ovennrevnte. Det forudsrettes, at de eksisterende forbrrendingsblresere kan anvendes. Budgetpris for ovennrevnte SEK (excl.moms). For de pågreldende brrendere garanteres en NO, på max. 30 mg/mj. Dette vil betyd e en årlig NO, afgiftsbesparelse på ca SEK. VITO TECHNIEKEN B. V. Ovennrevnte firma tilbyder to modulerende VITOTHERM gasbrrendere (VG-12000/1 sp/uln). Modulationsområdet er opgivet ti1 l : 10. Brrendeme udnytter fler-trins forbrrendingsprincippet samt indre recirkulation.

89 - 15- Prisen for 2 stk. bnendere, gastryksreduktionsventil, engineering (incl. tegninger) samt opstart påstedet opgives til DFL ( SEK). Det skal bemrerkes, at man ved dette projektforslag forudsretter, at kunne anvende eksisterende forbrrendingsluftblresere, gasramper samt styreskab. Hvad angår de 2 fmstnawnte komponenter, skflinnes her ikke at vrere srerlige problemer. Hvorvidt det eksisterende styringsskab kan anvendes, er i h0jere grad et åbent spmgsmål. Baseret på en rrekke andre!ilbud vurderes et nyt styreskub at kunne koste fra SEK til SEK (tabel4.11 i hovedrapport). Der garanteres i budgettilbuddet en NOx emission på 20 rng/mj. Dette vi l for FELIX AB betyde en årlig NO, afgiftsbesparelse på ca SEK. Pågreldende brrender er forsynet med srerlig motorstyringsteknik, der nedbrioger elenergiforbruget til forbrrendingsluftblreseme. Det opgives at kunne spare op til60%-80% af elforbruget. Dette vil givetvis afhrenge af kedlens aktuelle driftsform samt de aktuelle blresermotorer, type og driftsbetingelser. Det nuvrerende el-energiforbrug til kedeldriften er skonsmressigt mellem 300 og MWh RODENHUIS & VERLOP B. V. Dette firma har desvrerre ikke kunnet nå at udarbejde tilbud til den aktuelle installation under rapportens frerdiggmelse. Tilbud fremsendes dog til rekvirenten senere. Der henvises mht. budgetpris og forventet NOx emission til angivelseme i hovedrapportens tabel 4.10 for en stmrelses-og anvendelsesmressigt lignende installation Alternativ 6: Nye bramdere med ekstern raggasrecirkulationssystem MAX WEISHAUPT Fra firmaet Max Weishaupt er indhentet tilbud på udskiftning af brrendere til brrendere med integreret ekstemt mggasrecirkulationssystem. Dise bnendere leveres med garantivrerdi for NOx emissionen og der kan med udgangspunkt heri direkte ses hvilken reduktion der opnås i NOx afgiftsbetaling. Prisoverslaget orofatter alenekedel P78. Der päregnes monteret 2 stk. kombibrrendere type WKG 4/0-A ZM.

90 - 16- Kedlen vii således fortsat kunne anvendes til både gas- og oliefyring. Den anfmte pris ornfatterkombibrrendere, forbnendingsluftventilatorer, gasrampe, mggastilbagefmi.ngskanaler samt n0dvendig styring. Prisen er eksklusiv montage og indkor:ing. Den samlede budgetpris for disse anll!!gskomponenter andrager ca. l,4 mill. DKK. Montage indkor:ing skonnes baseret på ti1bud i ref. at koste ca SEK. Det modtagne tilbud orofatter som nrevnt både gasrampe og forbrrendingsluftblresere. Antages det, at det eksisterende udstyr kan anvendes spares ca DKK. Det anfmes, at NO" emissionsvrerdien vii vrere under 22 mg/mj. For FELIX AB vii dette i forhold til en hidtidig gennemsnitemission på 65 mg/mj give en årlig besparelse i NO, afgiftsbetalingen på ca SEK.

91 KONKLUSION Det er telmisk muligt for FELIX AB at gennemfrue en rrekke forskellige NOx reducerende alternativer. Det vurderes muligt at opnå op til omkring 60% reduktion i NOx emission i forhold til virksomhedens nuvrerende emission. Den nuvrerende emission ligger på niveau med de bedre af traditionelle gasbnendere. De forventede opnåede afgiftsbesparelser samt den hertil nedvendige investering for de undersbgte alternativer er vist i nedenstående tabel A9. Det er ved!resning af tabellen vresentligt at vrere opmrerksom på, hvilke af NOx emissionsvrerdieme, der er garantivrerdier, og hvilke der er forventede vrerdier. Ligeledes er det vresentligt at hol de sig leveringsomfanget ved de forskellige tilbud for 0je. Teknologi Investering NO~ emission Afgiftsbesparelse [SEKI [mg/mj] [SEKJår] Nuvrerende situation - 65 o Alt. l: JEndret driftsstrategi "' ) Alt.2: Forbedret luftfordeling 6 l Alt.3:..Endret gasindf0ring 6 l Alt.4: Reggasrecirkulation eksisterende brrendere 4 l Alt.5: Nye low-n0 1 brrendere - Eurocombustion ) Vito TechnieJCl 15 l ll Rodenhuis & Verlop 3 l Alt.6: Nye brrendere med ekstern mggasrecirkulation -Max Weishaupt 4 l ) l) garantivrerdi 2) forudsretter i forhold til EUROCO:MBUSTION, at eksisterende styreskab kananvendes (eller + ca SEK 3) fremsendes senere 4) vii give foreget elforbrug til blresere/mgsugere 5) mulighed for mindsket elforbrug til blresere 6) Petrakraft anbefaler alternativ 2 og 3 udfert samtidig. Garanti gives efter nrermere aftale 7) opnået ved flytning af 35 GWh produktion fra P66 -> P78. Kan opnås for alle efterf0lgende alternative r 8) vil krreve konvertering af produktionsudstyr til lavere damptryk Figur A9: Samlet oversigt over undersogte altemativer for FELIX AB

92 Såfremt den nuvl!'rende dampproduktion på kede! P66 overflyttes til kede! P78 vi!, som tidligere nrevnt, kunne opnås besparelser i kombination med de nre:vnte NOx reducerende tiltag på kede! P78. I tabel AlO er således vist, hvilke besparelser en sådan kombination vil kunne give. Teknologi Investering NO, emission Afgiftsbesparelse (netto) [SEK! [mg/mi] [SEK/ru-) Alt.2: Forbedret luftfordeling 6 > Alt.3:!Endret gasindfering 6 > Alt.4: Rilggasrecirkulation eksisterende bnendere 4 l ,000 Alt.5: Nye low-no% brrendere. Eurocombustion Ql) Vito Technieicll5l z ou Rodenbuis & Verlop 3 >.. l. Alt.6: Nye bnendere med ekstern mggasrecirkulation - Max Weishaupt 4 l ) l) garantivrerdi 2) forudsretter i forhold til EUROCOMBUSTION, at eksisterende styreskab kan-anvendes (eller+ ca SEK 3) fremsendes senere 4) vil give foreget elforbrug til bhesere/ragsugere 5) mulighed for mindsket elforbrug til bla:sere 6) Petrokraft anbefaler alternativ 2 og 3 udf0rt samtidig. Garanti gives efter na:rmere aftale Figur A!O: Overflytning af 35 Gwh produktion fra P66- > P78 (alternativ l) kombinoret med de 0Vrige alternativer. Det ses, at der opnås srerdeles kort tilbagebetalingstid for de fleste af de anfmte alternativer. Endeligt valg af metode må baseres på, hvor godt et endeligt tilbud, der kan opnås, forventede/garanterede rådighedstal samt garanti for NO" emission, nyttevirkning m. v. Ingen af alternativerne regnes at vrere uigennemfmlige hos FELIX AB ud fra plads- eller bemandingsmressige hensyn.

93 REFERENCER: Il! SCHUSTER R: LÅG NOx - BRÄNNARE FÖR ELNINGSOUA (Teknik och kostnader 1991), ETU-0013/1 121 PETROKRAFT A/B, Göteborg Produktblade samt kontakt generell. /3/ Budgetpris fra Fa. Max Weishaupt, produktblade samt kontakt generell. /4/ Budgetpris fra EUROCOMBUSTION AB, produktblade samt kontakt generelt /51 Budgetpris fra TECHNIEKEN B. V., produktblade samt kontakt generell /6/ Kontakt med RODENHUIS & VERLOP 17 l Naturvårdsverket: Publikation "Värt att veta om kväveoxid avgifter" /8/ Svensk förfatningssamling: "Lag om miljöavgift på utsläpp av kväveoxider ved energiproduktion", SFS 1990:613

94

95 Publikationer fra Nordisk Gasteknisk Center/ Publications from Nordie Gas Technology Centre: Titel/Dato/Forfatter: ISBN nr.: Konferencerapporter/Conference reports: Naturgasfyrade decentrale krafv-varmev~rker Naturgas i industrin Forskning och utveckling inom naturgasanvändning Forskning og utvikling innenfor naturgassanvendelse Naturgas och milja Industrielle tarringsprocesser Naturgasanvändning inom kraftvärme-sektorn Naturgas og Milja Fuel Cell Workshop l Reburning Workshop Fuel Cell Workshop Il Nordisk FUD-Workshop "Naturgasanvendelse" Nordisk FUD-Workshop "Naturgasanvendelse" Workshop Paper Drying with Gas Nordisk FUD-Workshop "Naturgasanvendelse" Projektrapporter/Research reports: KraftvarmetCo-Generation: Gasturbinernas tekniska nivå och utvecklingsriktningar- 7/89 Ekono Oy Erfarenheter från finska gasturbinanläggningar- 4/90 Vesa Junttila, CTS-Engineering Oy Erfaringer med danske og andre europ~iske naturgasdrevne gasmotoranl~g - 10/90 Jan de Wit, Dansk Gastekn. Center Små gasturbiners tekniska nivå och utvecklingsriktningar - 2/91 Ekono Oy Energiproduktionskostnader med naturgas - 2/91 JP-International Oy Gassmotorer for krafvvarmeproduksjon: Teknelegier for emisjonsbegrensninger - 2/91 D. Stenersen, Marintek/Sinfet Utredning av små gasturbin- och motorkraftverksanläggningar - 2/91 J. Hi/tunen et al., Neste Oy Titel/Dato/Forfatter: Il Motorer och kraftvärmeaggregat tr för naturgasdrift - 6/91 l~ E. Danielsson, ÅF-Energikonsult Syd AB Cheng Cycle - Et nyt kraftvarmesystem - 9/91 M. Straarup, Axel Nielsen as Rådg. lag. l f ~~ ~ l m l m ~ Drift- och underhållskostnader vid gasturbinanläggningar i Mellaneuropa - 9/91 H. Gährisch & J. Sjödin, ÅF-Energikonsult Användning av gasturbiner vid torkprocesser - Gyprocs gipsskivafabrik i Varberg - 12/91 L. Eriksson & L. De/in, ÅF Energikonsult Gasturbinteknologi - Nuläge och utvecklingstrender- 7/92 Jyrki Ha/me, Ekono Oy Kraftvärme med liten gasturbin - Utveckling av koncept för moduluppbyggning - 2/93 A. Sihvofa, IVO Intern. Ltd. l In dustrial anvendelsellndustrial Applications: t l ~ ~ l * ~ i ~ f, f.~ ' ~:;~ >: : Industriell gasanvändning i Norden - En branschanalys. Bind 1: Livsmedelsindustri - 4/90 dk-teknik et al. Industriell gasanvändning i Norden - En branschanalys. Bind 2: Massa- och pappersindustri - 4/90 dk-teknik et af. Industriell gasanvändning i Norden - En branschanalys. Bind 3: Kemisk industri Jord- og stenvaruindustri Verkstadsindustri - 4/90 d k-teknik et al. ISBN nr.: Autoprofiling with Gas lnfrared Paper Dryer- 7/91 A. Lemaitre & D. Glise, C. Techn. du Papier Möjligheten till cagenerering vid direkttorkning - 8/91 C. Rehn, Lunds Tekniska Högskola Luftkvaliteter i lokaler vid direktutsläpp av rökgaser från naturgasförbrannlog - 8/91 U. Jantze & M. Jedeur-Palmgren Theore/1 + VBB Energikonsulter AB =~~ Naturgas vid betongelementtillverkning - 8/91 ~1 T. Ehrstedt, Sydkraft Konsult ~ Gasformiga bränslen i glasugnar - 8/91 S. Linzander, Glafo Mätprogram. Arbetsmiljöförhållanden vid förbränning av naturgas för koldioxidgödsling i växthus - 2/91 A-8. Antonsson, lnst. för Vatten- och Luftv

96 Publikationarne kan erhverves ved henvendelse til Nordisk Gasteknisk Center/ The publications are available from the Nordie Gas Technology Centre. Mätprogram. Arbetsmiljöförhållanden vid förbränning av naturgas för koldioxidgödsling i växthus. Kortversion - 2/91 A-B. Antonsson, lnst. för Vatten- och Luftv. Konvertering av aluminiumsmältugnar Förstudie- 12/91 O. Hall & C. Rehn, Sydkraft Konsult Optical Properties of W et Paper and Simulation of the Eftect of Autoprofiling on Gas-firedIR Drying- 12/91 K. T. Oja/a & M.J. Lampinen, Helsinki University of Techno/ogy Användning av en gasturbin för tillverkning av raffinör- (TMP) och slipmassa (PGW)- 1/92 R. Askola & V. Junttila, CTS Engineering OY Användning av en gasdriven dieselmotor för tillverkning av raffinör- (TMP) och slipmassa (PGW) - 1/92 R. Askola & V. Junttila, CTS Engineering OY Naturgasanvändning i schaktugn för blysmältning - 3/92 B. Lundborg, Sydkraft Konsult Diract Gas Fired Cylinder Heater for Paper Drying - 9/92 Vesa Junttila, Jamcon Oy Gas-IR på wellpappmaskin - Försök vid SCA Emballage AB, Vämamo - 9/92 T. Gustafsson, SCA Research AB & l. Gunnarsson, Energi Analys AB Rekuperativa naturgasbrännare - Utvärdering av konvertering från olja till naturgas i en vagnugn hos Svedala Arbrå - 11/92 B. Leden & A. Rensgard, MEFOS-BTF Koldioxidgödsling i växthus med hjälp av naturgas - 11/92 S-A. Molen, Mäster Grön, Helsingborg Forbrl:endingsteknik/Combustion Technology: Modellng and Chemical Reactions- Review of Turbulence and Combustion Models N. l. Ulleheie et al., SINTEF Modellering og Kemisk Reaktion - Statusrapport: Reaktionskinetisk databasej Den kemisk kinetiske model - 7/89 P. Glarborg & s. Hadvig, DTH The Fuei-Rich Hydraearbon/Nitrogen Chemistry - lmplications for Reburning with Natural Gas- 11/89 P. Glarborg & S. Hadvig, DTH Modeling and Chemical Reactions - Delailad Modeling of NOx Emissions from Staged Combustion in Full Scale Units - 5/91 P. Ernola et al., Åbo Akademi Modelling and Chemical Reactions - Reaction Rate Survey for Natural Gas Combustion - 1/91 P. Glarborg & S. Hadvig, DTH Modelling and Chemical Reactions - Development and Test of a Kinatic Model for Natural Gas Combustion - 3/91 P. Glarborg & S. Hadvig, DTH Modeling and Chemical Reactions - Development and Test of Reduced Chemical Kinetic Maehanism for Combustion of Mathane- 5/91 N./. Lilleheie et al., SINTE F Reburning - International Experiences with Reburning w~h Special Emphasis on Reburning Fuel lnjection and Mixing - 7/89 S. Byggsta y/ et al., SINTEF ~ -~ Reburning - status over intarnationale l erfaringer- 7/89 m P. Glarborg & S. Hadvig, DTH l ~~ M '<'k ~!? f~ i 1!~ g ~~ ~t ~~ l Z. l ~::. ~~ ~ l ~ ~ ~~ ~f ;~ 1;~; Reburning- Reburning using Natural Gas Potential in Finland - 2/90 S. Boström & M. Hupa, Åbo Akademi Reburning - Reburning med naturgas på kulstavsfyrade kedler Polantiale i Danmark - 2/90 A. Narregaard, dk-teknik Reburning - Reburning med naturgas_ Potential i Sverige - 2/90 W. 8/asiak, Kung. Tekn. Högskolan Rebuming - lnjection Methods - Analytical and Experimental Study - 4/90 Bis et al., Royallnst. of Techn., stockho/m Reburning Feasibility studie af reburning teknikkan på kulswvsfyrede kedler- 8/90 A. Narregaard, dk-teknik Reburning - Injektion av strålar i en tvärström 6/90 R. Gollin et al., Kungliga Tekn. Högskolan Reburning - Parametric Study of Natural Gas Reburn Chemistry using Kinatic Modelling - 5/90 P. Kilpinen et al., Åbo Akademi Univ. Development Projaet in Limhamn District Heating Central. Reburning, Modelling and Experiments In a 125 MW Hot Water Boiler - 3/91 R. Collin, Kungliga Tekniska Högskolan l =~~:=~:~~~~::~~ram eters, :;; lmplementation and NO.-reduction h Potential- 9/91 :::::. P. Glarborg, DTH & B. Karl, NGC :::~r: ; :: ~~~ Technical and Economic Feasibility of Reburning using Natural Gas in Finland - 9/91 A. Ahola et al., Neste Oy i;j:_ Mathematical Modelling of Reburning - ~f<\ Description of Methods and Application to the '"'' Limhamn Boiler andamager Boiler- 7/

97 Publikationarne kan erhverves ved henvendelse til Nordisk Gasteknisk Center/ The publications are available from the Nordie Gas Technology Centre. ~::.::f.~:~~f.:~.::=~==~::::: : :.:: :::=:=: ::::=.~:= ~ = :::~== ==::~~=:~::.:.. ~::~~:$.;"~~~~:~::.:.:: ::~=-====::-=::;_: ===:=_=:~::_=:: :=.=::=:~=~==:=~:?-'-.-~T-... ~~:==~H=====-=====:::-: = ====r:=;~==:=~~~:::::=:i:::-:-.:.~:~:;f~::::~~.:;.;:~=.;:.~.~~=*'::~~~~:::~««~.g.=:~~~:~;::.~~:;, Reburnlng Simulator- Implementallo n of a ~ Metanreduktion i katalysatorer för General Formalism for the Eddy Dissipation naturgasmotorer - 3/93 Concept in KAMELEON Il - 5/92 H. Boman, Vattenfall Energisystem N./. Lilleheie et al., SINTEF Reburning Rich-Lean Kinetics - Annual Report /92 Gas Research Institute NGAS Database: statusrapport for methanudslip fra naturgasanloog i de nordiske l ande - 1 0/89 K. Christ/ansen, dk-teknik status Report concerning Methane Release from Natural GasSystems in the Nordie Countrles- 10/89 K. Christiansen, dk-teknik Energi og Milj0 i Norden- 5/91 B. Holm Christensen, dk-teknik Reduction of Np from Combustion in Circulating Fluidized Beds with Afterbuming of Gas - 11/92 L. Gustavsson & B. Leckner, Chalmers Univ. Modeling and Reburning Actlvities /93 N./. Lillehele et al., SINTEF Modeling of the Holstebro-Struer furnace - 6/93 N./. Lilleheie et al., SINTEF Reburning Rich-Lean Kinatics - Annual Report /93 Gas Research Institute Reduktion af NO.-emission fra naturgasfyrade industrikedler- 7/93 Jan de W/t et af., DGC Nordiske FUD projakter indenfor naturgasanvandeisa-katalog Energi- og milj"analyser/ Energy and Environmental Analyses: Naturgas i I<Bieprocesser - 12/91 G. Minds et al., Dansk Teknologisk lnst. Gas as Vehicle Fuel in the Nordie Region - Ongoing Field T ests in volving Natural Gas, Biogas and Propane - 8/92 A.M. Hansen, NGC Naturgas Iii Fur Foorgen - Teknisk!" konomisk studium af mulighederne for N-gas drift af f~rge n Branden-Fur- 7/92 L. Nielsen, Dansk Teknologisk lnst Bedrifwkonomisk analyse av naturgassdrift av busser i Norden - Fase Il. Delprosjekt: Marked - 8/92 K. -E. Hagen et al., Transportekon. lnst., Oslo C0 1 -Teknologi - Litteraturstudie om utskilling og deponering - 3/93 M. Matre et al., Berdal StrGmme a. s

98