Resumé Dok.nr , sag 1177 Røggaskondensation i halm- og gas/flisfyrede kraftvarmeanlæg

Transkript

1 Resumé Dok.nr , sag 1177 Røggaskondensation i halm- og gas/flisfyrede kraftvarmeanlæg Indledning Varmegenvinding ved røgaskondensation i decentrale kraftvarmeanlæg er behandlet i to projekter; henholdsvis Røggaskondensation i halmfyrede kraftvarmenalæg PSO-99-projekt Eltra-nr.1177 og Optimering af den kolde del af kedlen ved fyring med gas/flis PSO-99- projekt Elsam-nr Projektet vedrørende Røggaskondensation i halmfyrede kraftvarmeanlæg tager udgangspunkt i en planlagt anlægsopførelse af et halmfyret kraftvarmeværk på Fynsværket med en indfyret effekt på 117,5 MW. Projektet omhandler en teknisk- og økonomisk vurdering af forskellige integrerede røgrensningsog kondensationsprocesser i tilknytning til et halmfyret kraftvarmeanlæg. Desuden er der udført en dybdegående undersøgelse af dråbeemissionsforholdene, bl.a. baseret på modelberegninger og aerosolmålinger på det halmfyrede kraftvarmeanlæg i Rudkøbing. Endvidere er problemstillingerne omkring de korrosions- og belægningsmæssige forhold i forbindelse med røggaskondensationen belyst. Endelig er spildevandsforholdene samt mulighederne for spildevandsgenbrug undersøgt, bl.a. på baggrund af massebalanceberegninger samt analyser af røggaskondensatet udtaget på det halmfyrede varmeværk i Hals. Projektet vedrørende Optimering af den kolde del af kedlen ved fyring med gas/flis tager udgangspunkt i den planlagte ombygning af Herning Kraftvarmeværk til fyring med gas/flis. Forskellige systemløsninger til røggaskondensation i forbindelse med det eksisterende anlæg er belyst bl.a. med baggrund i erfaringerne fra de eksisterende røggaskondenserende anlæg i Danmark og Sverige. Endvidere er korrosions- og belægningsforholdene i forbindelse med gas/flisfyring belyst. Ligeledes er der redegjort for spildevandsforholdene ved kondensationsprocessen, bl.a. på baggrund af massebalanceberegninger baseret på et Svensk flisfyret anlæg. Resumé af PSO-99-projekt Eltra-nr. 1177: Røggaskondensation i halmfyrede kraftvarmeanlæg Ved forbrænding af almindeligt forekommende halm med en fugtighed på 14 % antager røggassen ved forbrænding en dugpunktstemperatur på ca. 52 C. Dette giver mulighed for at udnytte fordampningsvarmen ved røggaskondensation ved brug af almindeligt fjernvarmevand som kølemedium op til en returtemperatur på ca. 50 C. Side 1 af 5

2 Overførslen af røggassens kondensationsvarme til fjernvarmereturvandet medfører imidlertid, at kraftvarmeanlæggets elproduktion reduceres på grund af den forringede turbinevirkningsgrad - mens anlæggets varmproduktion og den samlede anlægs-virkningsgrad derimod forøges. I et begrænset varmemarked medfører den forøgede varmeproduktion fra røggaskondensationsprocessen, at anlæggets samlede drifttimetal reduceres, hvilket har betydning for anlæggets kapactetsudnyttelse i forhold til det forhåndenværende varmegrundlag. Røggaskondensationsprocessen giver mulighed for med fordel at integrere forskellige former for SO2- og HCl-vådrensningsprocesser. Heraf bidrager SO2-rensningen desuden positivt til anlæggets driftsøkonomi i form af afgiftsbesparelser. Den kombinerede røgrensnings- og kondensationsproces udføres bedst i et sprayabsorbtionsanlæg med direkte køling og kondensation af røggassens vanddampindhold under samtidig absorbenttilførsel samt med ekstern varmeveksling af kondensatets energiindhold til fjernvarmesystemets returside. Der er undersøgt fire alternativer; 1-trins vaskeproces med henholdsvis NaOH og hydratkalk som absorbent og 2-trindsvaskeproces med henholdsvis NaOH og TASP (Tørt AfSvovlingsProdukt) som absorbent. Som støtte for vurderingen er der samtidig udarbejdet et EDB-beregningsprogram til simulering af anlæggenes procesforhold. Af den anlægs- og driftsøkonomiske undersøgelse fremgår det, at samtlige løsninger bidrager positivt til anlæggets samlede økonomi, og at anvendelse af NaOH som absorptions- og neutralisationsmiddel er mest fordelagtige, idet anlægsinvesteringen for opberedningsanlæg til h.h.v. kalk og TASP overgår de sparede omkostninger til absorbentforbrug. Desuden fremgår det, at 1-trins scrubberprocessen er den mest fordelagtig af de undersøgte anlægsløsninger. Anlæggets rentabilitet forventes samtidig at kunne forbedres ved optimering af procesforholdene. Der er således udarbejdet optimeringsforslag ved simulering af følgende alternative koblingsmuligheder til den valgte scrubberproces: Serieforkoblet røggaskøler, scrubbertårn opbygget med berøringsfjernvarmeveksler, som hovedsageligt anvendes i svenske anlæg og integreret forbrændingsluftopfugtning ved hjælp af henholdsvis våd roterende luftforvarmer og spray-luftopfugtningsanlæg. Til vurdering af de anlægs- og driftsøkonomiske forhold ved tilknytning af den kombinerede røgrensnings- og kondensationsproces til et halmfyret kraftvarmeanlæg er der taget udgangspunkt i et halmfyret kedelanlæg, opført på Fynsværket, med en indfyret effekt på 117,5 MW. Med en tilgængelig fjernvarmereturtemperatur på 40 C vil røggaskondensationsprocessen kunne forøge anlæggets varmeproduktion fra 70,0 MJ/s til 79,7 MJ/s. Heraf udgør 9,5 MJ/s produktionen fra selve røggaskondensationsprocessen mens en mervarmeproduktion på 0,2 MJ/s Side 2 af 5

3 og dermed tilsvarende reduceret elproduktion skyldes forringelsen af turbinens elproduktionsvilkår. Med indregning af det øgede egetforbrug fra kondensations- og røgrensningsprocessen reduceres anlæggets gennemsnitlige netto-elproduktion ved 100 % last således fra 35,0 MW til 34,5 MW. Dette medfører i ydelsesmæssig sammenhænge at kraftvarmeanlæggets samlede varmeproduktion forøges med 13% 14%, svarende til en varmevirkningsgradsforøgelse fra 59,6 % til 67,8 %, mens anlæggets gennemsnitlige netto-elproduktion reduceres med ca. 1,5 %, svarende til en elvirkningsgradsforringelse fra 29,8 % til 29,4 %. Kraftvarmeanlæggets totalvirkningsgrad forøges - i en samlet betragtning - derved med ca. 10 % fra 89,4 % til 97,2 %. Der er gennemført følsomhedsanalyser vedrørende produktionsforhold, driftsforhold, anlægsstørrelse, varmegrundlag brændselsfugtighed og el-, varme- og brændselsprisforhold for det halmfyrede kraftvarmeanlæg ved tilkobling af det kombinerede røgrensnings- og kondensationsanlæg. Heraf fremgår det, at de væsentligste parametere for anlæggets driftsøkonomiske sikkerhed udgøres af de tilstedeværende fjernvarme-returtemperaturforhold samt af røggaskondensationsanlæggets årlige drifttimetal. Således vil en fjernvarmereturtemperaturstigning fra 40 C til 50 C medføre, at anlæggets nuværdi reduceres med ca. 50 mio. kr. over en 10-årig periode mens nuværdien reduceres med mio. kr. pr timers årlige drifttidsreduktion. Anlægsstørrelsen er ligeledes af betydning for rentabiliteten. Ved etablering af kondensationsanlægget i forbindelse med et nyanlæg med en indfyret effekt på MJ/s reduceres den relative nuværdi for investeringen over en 10-årig periode til ca. det halve i forhold til et 117,5 MW-anlæg under samme forudsætningsgrundlag - herunder, at der er mulighed for en årligt drifttid på 7500 timer. Endvidere vil forhold af mere teknisk karakter - såsom anlæggets generelle evne til at håndtere fugtige brændsler og evne til minimering af falskluftindtrængning, både i forbrændingsmæssig sammenhænge og ved luftindtrængning i det efterfølgende røggassystem - bidrage positivt til anlæggets økonomi ved samtidig etablering af røggaskondensationsanlæg. Eftersom røggaskondensationsanlægget medvirker til ændring af kraftvarmeværkets el/varmeproduktionsforhold har el- og varmeprisrelationerne samt størrelsen af disses betydning for anlæggets samlede økonomi. Varmeprisen udgør heraf den største følsomhed for anlægget og vil således påvirke røggaskondensationsanlæggets rentabilitet med en følsomhed, der er ca. 15 gange højere end elprisen. Installation af et røggaskondensationsanlæg efter et halmfyret kedelanlæg medfører en risiko for emission af væskedråber til gene for det nærliggende miljø Side 3 af 5

4 På baggrund af modelberegninger, udført af Institut for Kemiteknik (DTU), baseret målinger af partikelstørrelsesfordelingen på Enstedværkets halmkedel, er dråbeemissionsforholdene forårsaget af kondensation på støvpartikler undersøgt ved forskellige indgangsstøvkoncentrationer til scrubberanlægget. Heraf fremgår det, at dråbeemissionen øges med stigende partikelkoncentration. Samtidig fremgår det af undersøgelsen, at partikelkoncentrationer under 10 5 /cm 3, som kan opnås ved installation af posefilter, vil medføre at dråbeemissionen vil udgøre mindre end 1 % af røggassens samlede vandindhold. Ved supplerende målinger på Rudkøbing Kraftvarmeværk er det samtidig konstateret, at partikelkoncentrationen efter posefilteret i det konkrete tilfælde ligger på ca /cm 3 udregnet på baggrund af en massebaseret middeldiameter på 0,3 µm. Det kan derfor konkluderes, at dråbeemission forårsaget af vanddampkondensation på røggassens støvpartikler ikke forventes at udgøre et problem, blot der installeres et foranstående posefilter med en effektiv partikelrensning. Der vil dog fortsat være risiko for dråbeemission ved medrivning af udkondenseret væske på overflader i røggaskanaler og skorstensvægge eller væskeansamlinger i dråbefang, lyddæmpere m.v. Denne form for dråbeemission kan dog imødegås ved forskellige konstruktive tiltag ved etablering af dråbefang i skorstenskernens top eller ved etablering af røggasgenopvarmning. Nedkøling og kondensation af røggassen påfører anlægget en stor korrosionsrisiko, som skal imødegås ved korrekt materialevalg. Fra og med kondensationsanlægget til og med skorsten foretrækkes anvendelse af glasfiberarmeret plast, idet det samtidig skal sikres, at røggastemperaturen i alle driftssituationer kan holdes under de specificerede grænser. Sugetræksblæseren kan enten anbringes tørt - hvilket dog er en relativ dyr anlægs- og driftsøkonomisk løsning p.g.a komponentstørrelsen og det relativt store egetforbrug - eller den kan anbringes vådt under samtidig udførelse i højtlegeret stål. Fjernvarmeveksleren, hvori røggaskondensatet udveksles med fjernvarmereturvandet skal ligeledes udføres af højt legeret stål som 654 SMO, 254 SMO eller Titan. Den kombinerede røgrensnings- og kondensationsproces medfører, at anlægget producerer en mængde spildevand, der enten skal bortskaffes eller genanvendes i processen. Der er derfor gennemført en undersøgelse af spildevandssammensætningen og mulighederne for rensning og genanvendelse samt udledning til kloak. Undersøgelsen er dels baseret på massebalanceberegninger gennemført med EMOK99-modellen (EmissionsMOdel for Kraftværker) udviklet af Elsam og dels på analyser af røggaskondensat udtaget på det halmfyrede varmeværk i Hals. Problemerne ved udledning af det dannede kondensat kan henføres til tungmetaludledningen. Indholdet af tungmetaller er hovedsageligt knyttet til kondensatets partikelindhold, hvor det især er cadmium og kviksølv, der er problematiske i forhold til de vejledende grænseværdier. En Side 4 af 5

5 rensning af kondensatet gennem et sandfilter vil derfor være nødvendig inden en eventuel udledning til kloak. Af analyser gennemført på kondensatet fra Hals varmeværk fremgår det, at en forudgående alkalisk partikelrensning forventes at være tilstrækkelig med henblik på en efterfølgende udledning til kloak. Ligeledes viser den beregningsmæssige undersøgelse v.h.a. EMOK99-modellen, at der ved en lav støvkonsentration (under 10 µm) inden tilgangen til røggaskondensationsanlægget, kun i esktrem-tilfælde (ved lave kondensatmængder og ringe tilbageholdelse i sandfilteret) vil være problemer med overholdelse af udledningskravene for kviksølv. Udledningskravet for cadmium forventes i alle tilfælde overholdt. Som ekstra sikkerhed for overholdelse af spildevandskravene kan kondensatet efter rensning i sandfilter yderligere behandles ved fældning eller alternativt ledes gennem et aktivt kulfilter inden udledningen til kloak. Størstedelen af kondensatet vil imidlertid kunne genanvendes i processen på et halmfyret kraftvarmeanlæg ved efter sandfilteret - at lede kondensatet gennem et 2-trins omvendt osmoseanlæg, hvorved der produceres vand, der umiddelbart kan anvendes som spædevand til fjernvarmesystemet. Endvidere kan kondensatet, efter yderligere rensning gennem et mixbedfilter, anvendes som deionat til spædning af procesanlæggets vand/dampsystem. Det kloridholdige rejektvand fra osmoseanlægget kan tilføres halmkedlens slaggeskraber eller aske/slagge-befugtningsanlæg. Afhængig af kondensatmængde og vandforbrug vil der herved kun være behov for udledning a en minimal spildevandsmængde til kloak, mens der ikke vil være behov for råvandstilførsel til kraftvarmeværket. Der er foretaget en økonomisk vurdering af ovennævnte kondensat- og spildevandsgenanvendelsesmulighed på et selvstændigt halmfyret kraftvarmeanlæg med en indfyret efekt på 117,5 MJ/s. Heraf fremgår det, at omkostningerne ved genanvendelse af det dannede røggaskondensat med tilhørende råvandsfortrængning nogenlunde svarer til bortskaffelsesomkostningerne ved tradtionel udledning til kloak. Øgede spildevands- og råvandsafgifter forventes dog med tiden at gøre genbrugsalternativet mere attraktivt. Side 5 af 5