Udvikling af Brænder til Cementovn

Transkript

1 AARHUS MASKINMESTERSKOLE Udvikling af Brænder til Cementovn Peter Søe Bak 2015

2 Projektets titel: Projekttype: Uddannelsesinstitution: Fagområde: Forfatter: Vejledere: Udvikling af Brænder til Cementovn Bachelorprojekt (9. semester) Aarhus Maskinmesterskole Forbrændingsteknik og Termodynamik Peter Søe Bak Esben Sørensen (Aarhus Maskinmesterskole) Mads Nielsen (FLSmidth) Dato for aflevering: Antal normalsider: 27 Forside illustration: Brænder installeret i cementovn (FLSmidth A/S, 2013) Aarhus, d. 01. juni 2015 Peter Søe Bak Side 1 af 45

3 Abstract Worldwide growing population and higher living standards are increasing the cement consumption. Due to the large amount of energy required for the cement calcination process the fuel consumption of the industry is following this rapidly rising trend. Primarily this energy comes from combustion of fossil fuels. High fuel prices and the world s environmental focus are forcing the industry to focus on cheaper and less polluting alternatives. One way to solve this is changing the fuel type to solid waste, but because of the combustion being in direct contact with the cement, the solid waste combustion has to be comprehensive as to not affect the cement quality. This report is about the project of retrofitting an old burner type to reach a higher substitution rate of solid waste at a Slovak cement plant which already has achieved a 60 % thermal substitution rate. Thorough analysis of the fuel is made for creating a baseline for developing a new burner design. As a result of large particle size and difficult aerodynamic conditions on the solid waste fuel, the burner has to create a shorter, narrower and more intense flame to burn the waste particles faster not to affect the cement quality. Additionally more air has to be supplied, making a faster combustion of the particles. A new nozzle design, more radial air power and a retractable fuel pipe is adding more flame profile flexibility to the burner in order to solve these problems. Furthermore analysis shows solid waste is heterogeneous and has low and varying both calorific value and water content. These properties require a higher mass injection to maintain the thermal need for cement calcination. Due to the chemical composition of the solid waste this additional mass is increasing the CO 2 emission, but low price on waste is still creating large economic fuel savings. Side 2 af 45

4 Forord Rapporten er udarbejdet efter endt bachelorpraktik som den afsluttende del af maskinmesteruddannelsen på Aarhus Maskinmesterskole. Forfatteren har i praktikken været tilknyttet et udviklingsprojekt af en brænder til cementindustrien hos den danske koncern FLSmidth. Udviklingsprojektet er foregået i samarbejde med en af FLSmidths kunder med det overordnede formål at udvikle en brænder, som er mere funktionsdygtig til fyring med alternativt brændsel end kundens nuværende brænder. Udviklingsfasen indeholder en brændstofsanalyse og en række tekniske problemstillinger i relation til designet af brænderen, som danner baggrund for udarbejdelsen af rapporten. FLSmidth har eksisteret siden 1882, og koncernen besidder således stor viden om cementproduktion. Under praktikforløbet har forfatteren gennem sparring med nøglemedarbejdere i firmaet opbygget viden om cementproduktion, herunder i særdeleshed de dele af produktionen, som vedrører cementovnen og dennes brænder. En særlig tak skal lyde til de tilknyttede vejledere hos Aarhus Maskinmesterskole og FLSmidth for sparring og vejledning undervejs i projektet: Mads Nielsen, - Project Manager, FLSmidth Esben Sørensen - Lektor og Maskinmester, AAMS Yderligere skal der lyde en tak til følgende personer for faglig støtte igennem projektet: Morten Drivsholm - Fuels & Combustion Research Leader, FLSmidth Jesper Lebæk - R&D Engineer, FLSmidth Henrik Van Deurs - Product Manager, FLSmidth Christian Wolfberg Anild - Product Engineer, FLSmidth Side 3 af 45

5 Læsevejledning Læseren bør have grundlæggende forståelse for kemi og fysik. Desuden bør læseren have kendskab til forbrændingsteknik og termodynamik samt have basisforståelse for emissioner og disses indvirkning på miljøet. Kildehenvisninger og bibliografi er udarbejdet efter Harvard Anglia 2008 standard. Således henvises til kilder efter følgende metode: (Forfatter, Dato, evt. sidetal). Ved artikler og websider er datoen angivet som u.d.(uden dato), når det ikke har været muligt at angive. I litteraturlisten er referencerne angivet i alfabetisk rækkefølge. Fodnoter er brugt til uddybning af forkortelser og engelske udtryk, hvor det skønnes nødvendigt. Rapportens opbygning har taget udgangspunkt efter den videnskabelige metode. Således er rapporten inddelt i 4 hovedkategorier: Baggrund Metode Resultater Diskussion Der henvises løbende til bilag. Større mængde rådata fra driften er vedlagt elektronisk på USBlagringsenhed. Denne enhed bliver refereret til på følgende måde (bilag dok nr xx). Bilagsoversigt Bilag 1: Bilag 2: Bilag 3: Bilag 4: Bilag 5: Bilag 6: Bilag 7: Bilag 8: Elektroniske bilag: Bilag dok nr 01: Bilag dok nr 02: Bilag dok nr 03: Bilag dok nr 04: Kemisk sammensætning af SRF og petcoke SRF sigteanalyse SRF vindsigteanalyse Udregning af brænder effekt Brændstofbesparelse Emission Beregningseksempel af luftdistribution Forsøgsopstilling koldovnstest Brændstofforbrug og driftstimer Brændværdi og vandindhold Koldovns resultater Luftdistribution Side 4 af 45

6 Nomenklaturliste SRF TSR SO 2 NO 2 CO 2 Cao SiO 2 m v Q E P hi MJ GJ MW Solid Recovered Fuel Termisk Substitutionsgrad Svovldioxid Nitrogendioxid Kuldioxid Kalciumoxid Siliciumdioxid (silica) masse Hastighed Masseflow Energi Effekt Nedre brændværdi Megajoule Gigajoule Megawatt Side 5 af 45

7 1 INDLEDNING PROBLEMSTILLING FORMÅL OG MÅLGRUPPE PROBLEMFORMULERING AFGRÆNSNING ANVENDELSE AF KILDER BAGGRUND CEMENTPRODUKTION Råmaterialer Forvarmer og ovn Brænder Klinkedannelse og cement Kvalitet NUVÆRENDE BRÆNDER Forbrug og produktionsdata Konstruktion Primærluft og distribuering TERMISK SUBSTITUTIONSGRAD BRÆNDSTOFTYPER Petcoke Solid Recovered Fuel Prisen på brændstof METODE RÅDATA TERMISK SUBSTITUTIONSGRAD BRÆNDSTOFANALYSER Brændværdi og vandindhold Kemisk sammensætning Partikelstørrelse på Solid Recovered Fuel Aerodynamiske egenskaber for Solid Recovered Fuel BRÆNDSTOFBESPARELSE EMISSIONER UDVIKLING AF NY BRÆNDERFRONT Bestemmelse af luftdistribuering RESULTATER NUVÆRENDE TERMISK SUBSTITUTIONSGRAD BRÆNDSTOF ANALYSE Petcoke Solid Recovered Fuel Kemisk sammensætning Sigte analyse Vindsigte analyse BRÆNDSTOFBESPARELSE EMISSIONER DESIGN AF DEN RETROFITTEDE BRÆNDERFRONT Side 6 af 45

8 4.5.1 Frontplade og drejbare dyser Svirvler og tilbagetrækning af centerrør Luftflow Luftdistribuering i det retrofittet design DISKUSSION DISKUSSION AF METODE Brug af stikprøve-data Brug af pilotforsøg til udvikling af brænderens front DISKUSSION AF RESULTATER Termisk substitutionsgrad i den nuværende brænder Brændstofanalyse Petcoke Solid recovered fuel Kemisk sammensætning Sigte Vindsigte Brændstofbesparelse Emission Design af den retrofittede brænderfront Drejbare dyser Svirvler og tilbagetrækning af centerrør Luftflow og luftdistribuering FREMTIDIGE UDFORDRINGER VED IDRIFTSÆTTELSE KONKLUSION PERSPEKTIVERING EFTERSKRIFT LITTERATURLISTE...44 Side 7 af 45

9 1 Indledning 1.1 Problemstilling Cementproduktion er en energikrævende proces, der i høj grad kræver termisk energi til håndtering af råmateriale, kalcinering og dannelse af cementklinker. Alene i 2010 blev der globalt produceret tons cementklinker. Denne produktion krævede et gennemsnitligt termisk energiforbrug på 3,62MJ/kg klinker. Energien udvindes primært ved forbrænding af kul, svarende til et forbrug af høj kvalitets kul på 0,12kg kul /kg klinker (Cement sustainability Initiative, 2010). Globalt står cementindustrien for ca. 5 % af det totale CO 2 udslip (Rubenstein, 2012). På grund af det enorme forbrug af fossile brændsler har cementindustrien et indlysende fokus på energi optimering. Dyre kulpriser tvinger industrien til at udforske substitution af fossile brændstoffer. Samtidig tvinger stigende afgifter industrien til at nedbringe deres emissionsgasser. I dag består alternative brændsler i cementindustrien hovedsagelig af enten biomasse eller affald. Samlet set udgør biomasse og affald ca. 12 % af det samlede brændstofforbrug (Cement sustainability Initiative, 2010). Substitution af fossile brændstoffer kompliceres af det faktum, at forbrændingen sker i direkte kontakt med cementen, hvorfor introduktion af alternative brændsler har direkte indflydelse på produktionen og produktkvaliteten. Desuden kompliceres substitution med alternative brændsler af disses indvirkning på emissionsgasser. Driftssikkerhed og økonomi for den enkelte fabrik er også en del af overvejelserne for substitution af fossile brændsler. På grund af udfordringer i driften og kvalitetsniveauet af cementen har det, med de nuværende brændere, kun været muligt at opnå en maksimal substitutionsgrad på 65 %. Som leverandør af cementovn og brænder ønsker FLSmidth at imødekomme industriens efterspørgsel på energirigtige løsninger. FLSmidth har i samarbejde med en slovakisk cementfabrik indledt et udviklingsprojekt med det formål at retrofitte 1 en eksisterende brænder til et forbedret design, hvormed substitutionsgraden forøges og en effektiv flammeprofil opretholdes. Fabrikken i Slovakiet har nem adgang til alternativt brændsel, hvilket giver dem lave udgifter på alternativ brændsel i forhold til prisen på fossile brændstoffer. Cementfabrikken ser således mulighed for en stor økonomisk besparelse ved at hæve substitutionsgraden. Fabrikkens to brændstoffer er et affaldsprodukt kaldet Solid Recovered Fuel(SRF) og et olieprodukt kaldet petcoke 2. Med udgangspunkt i udviklingsprojektet, ønsker FLSmidth at øge substitutionsgraden på deres egen brænder DUOFLEX TM. Den store mængde termisk energi, som er krævet under cementproduktion, resulterer naturligt i en høj temperatur i cementovnen. Den høje temperatur, ca C, er nødvendig for at danne de korrekte kemiske reaktioner i råmaterialet, som ligger til grund for en god kvalitet af cementen. Den høje temperatur stiller krav til designet af brænderen og det materiale, som brænderen konstrueres i. 1 Ombygning af ældre system 2 Petroleums coke Side 8 af 45

10 1.2 Formål og målgruppe Formålet med rapporten er at opnå forståelse for de udfordringer, som FLSmidth er stødt på under udviklingen af en forbedret brænder til den slovakiske kunde. Udgangspunktet for udviklingen er overordnet at øge substitutionsgraden af SRF og samtidig fastholde en pålidelig og driftssikker brænder med en effektiv flammeprofil. Rapporten henvender sig primært til læsere, som ønsker kendskab til pyro-linjen i cementindustrien, men også til virksomheder, som har interesse i forbrændingsteknik med henblik på en højere substitutionsgrad i form af SRF. Rapporten forventes også at være anvendelig for kraftværker, der har lignende behov for fyring med SRF. 1.3 Problemformulering På baggrund af ovenstående problemstilling lyder problemformuleringen: Hvordan skal brænderens front konstrueres således at substitutionsgraden kan hæves og en god og effektiv flammeprofil opretholdes? For at kunne belyse problemformuleringen behandler rapporten følgende underspørgsmål: Hvilke udfordringer skaber SRF som brændsel? Hvilken økonomisk brændstofbesparelse giver øget substitutionsgrad? Hvordan påvirker en øget substitutionsgrad emissionsgasserne fra forbrændingen? Hvilke udfordringer giver designændringerne? 1.4 Afgrænsning Rapporten fokuserer ikke på andre brændstoftyper end de to primære brændstoftyper, som anvendes på den slovakiske cementfabrik. Denne rapport omhandler optimering af selve brænderen med fokus på brænderfronten. Således belyser rapporten ikke en række andre tiltag til forbedring af selve forbrændingen i cementovnen, herunder øgning af temperaturen i forvarmeren, omlægning af brændstoffets transportsystem, ventiler, automatisering mv. Det har ikke været muligt at beregne eller måle omfanget af NO X og SO x, hvorfor rapporten ikke belyser omfanget af udledningen af disse gasser. Side 9 af 45

11 1.5 Anvendelse af kilder Projektet anvender flere typer af kilder. Internettet bruges til at indhente facts og data om selve cementindustrien og ligeledes til at finde emissionsmateriale og teknisk dokumentation. De internetkilder, der er brugt til at angive nøgletal fra den globale cementproduktion er typisk af ældre oprindelse. Det skyldes, at tallene opgives i rapporter fra organisationer, som er underlagt amerikanske monopolforebyggende love (Initiative, 2014). Tallene er kun brugt til at beskrive det energimæssige omfang af cementproduktion og danner ikke belæg for betydende konklusioner. Personlige samtaler med ansatte hos FLSmidth om produktion og cementkvalitet danner et stort grundlag for udarbejdelse af rapporten. Denne information har en vis form af subjektivitet. Forfatteren har så vidt muligt prøvet at finde belæg for dette i litteraturen, men på grund af FLSmidth s alder og mange års erfaring, har det sjældent været muligt. Derfor kilderefereres til personer fra FLSmidth. Derudover finder lærebøger og viden tilegnet under maskinmesterstudiet anvendelse. Anvendte kilder er anvendt med kildekritik. Da Intet er hævet over kritik, og alt kan have en vinkling eller metodeproblemer, blinde vinkler m.m. (Jørgensen, 2012, p. 158) er der under udarbejdelsen af rapporten lagt stor vægt på at analysere kilden for at vurdere forfatterens formål med skriftet. Eksempelvis kan cementproducenterne stå bag en artikel, hvis henseende kan være at nedtone konsekvenserne af farlige emissionsgasser for eventuelt at fjerne regeringernes fokus på dette. Side 10 af 45

12 2 Baggrund Baggrundsafsnittet har til formål at klarlægge det baggrundsviden som ligger til grund for projektet udvikling. Kapitlet indeholder derfor den baggrundsviden som er brugt til at fremskaffe resultaterne af projektet. Yderligere vil cementproduktion blive gennemgået for at give en basis viden om processen. 2.1 Cementproduktion I dette afsnit beskrives den mest anvendte metode til produktion af cement: En tør proces til fremstilling af grå Portland cement. Det er netop denne type produktion, som anvendes på fabrikken i Slovakiet Råmaterialer Cement er et fint pulver, som bruges til at binde materialer sammen. Cement hærder efter blanding med vand og efterfølgende tørring. Der findes forskellige typer af cement alt fra noget som kan have forskellige farver til noget, som kan hærde under vand. Fælles for alle typer er, at hovedbestanddelene er CaO og SiO 2, som primært stammer fra råstofferne kalk, ler, mergel og skifer (Nørskov, 2012). Disse råstoffer findes typisk i store stenbrud, som typisk bestemmer lokationen af fabrikken for at holde transportomkostningerne nede. Råmaterialerne formales og blandes grundigt for at sikre en korrekt og homogen sammensætning. Råmaterialerne, som findes i stenbruddet, er bestemmende for hvilken type cement, fabrikken fremstiller. Teknisk set kan producenten selv styre cementens sammensætning ved at tilføje additiver, men da infrastruktur kan gøre additiverne svært tilgængelige, er det ofte en meget omkostningsrig proces Forvarmer og ovn I den moderne cementfabrik passerer råmaterialerne gennem et forvarmertårn efterfulgt af en roterende ovn, hvorefter råmaterialerne nedkøles i en køler. Den kemiske proces, som danner cement, kræver en opvarmning af råmaterialerne til ca C. Denne opvarmningsproces af kalksten kaldes kalcinering. Kalcinering står for 60 % af cementfabrikkernes samlede CO 2 udslip. De resterende 40 % kommer fra forbrændingen i roterovnen (Sørensen, 2010). Under opvarmning af kalksten sker denne kemiske proces: CaCO 3 CaO + CO 2 hvor CaCO 3 er kalksten og CaO er omdannet kalciumoxid til cement. Kulstofferne fjernes således fra materialet og går i forbindelse med ilten på gasform, kaldet de-karbonisering. Side 11 af 45

13 Forvarmertårnet består af en række cykloner og en kalciner. Se figur 1 for procesoversigt. Råmaterialerne kommer ind i toppen af tårnet i det korrekte blandingsforhold og betegnes herefter som råmel. Cyklonerne fungerer som varmevekslere mellem den varme procesgas og råmelet, som vha. høje hastigheder på gassen holdes i konstant bevægelse. Figur 1 Pyro-linjen i cementproduktion (Nørskov, 2012) På moderne fabrikker installeres en kalciner til fyring af affald for at minimere antallet af cykloner og dermed tårnets højde. Hermed hæves gassens temperatur og således råmelets temperatur. Denne funktion tillader en kortere konstruktion af den efterfølgende roterovn. Når råmelet når roterovnen med en temperatur på ca. 900 C, er 90 % af kalcineringen udført. Ovnen er konstrueret med en svag hældning som sammen med roterfunktionen sikrer råmelets transport fremad og blanding af dette. Roterovnen er af stål. Den er indvendig beklædt med højtemperatur mursten for at skåne stålet for det 1450 C varme råmel. Indmuringen fungerer desuden som isoleringen for at mindske strålevarmetabet fra ovnen. Størrelsen af en cementovn er meget varierende, men den er typisk 6m i diameter og 70m lang. Luftoverskuddet i ovnen reguleres ved at styre mængden af køleluften fra klinkekøleren, som bruges til henholdsvis sekundær og tertiærluft. Der reguleres efter at holde en lav iltprocent, ca. 3-5 %, i roterovnen for at minimere NO x indholdet. Side 12 af 45

14 2.1.3 Brænder I enden af roterovnen findes den primære varmekilde: brænderen. Hos fabrikken i Slovakiet forbrændes ca. 2,6 tons/h petcoke og 8,4 tons/h SRF (bilag dok nr. 01). Formålet med brænderen er at hæve temperaturen på råmelet fra ca. 900 til ca C. Dette er nødvendigt for at skabe den kemiske reaktion til dannelse af cement. Der stilles krav til brænderen om at skabe en kort, smal og intens flamme, som sikrer effektiv varmeoverførsel til råmelet minimere emissioner holde luftforbruget af primær- og transportluft på et minimum tillade optimal drift med både fossile og alternative brændstoffer Som det ses på figur 1 og 2 sidder brænderen direkte i processen, hvilket sætter krav til holdbarheden. Figur 2 Cement brænder installeret i roterovn set bagfra (FLSmidth, 2015) Den høje temperatur gør det til et aggressivt miljø. Brænderen er udvendigt beklædt med varmebestandigt udmuringsmateriale for at skåne stålet. Praktiske erfaringer viser, at en god, stærk og stabil flamme er kort, small og intens. Afhængig af brændselstype, kræves et korrekt moment på det indblæste luft for at skabe den ønskede flammeprofil. (FLSmidth A/S, 2013, p. 6). Side 13 af 45

15 Brænderens moment er defineret ud fra den mængde luft som forlader brænderen og dets hastighed. Momentet bliver defineret i Newton pr. Megawatt(N/MW): brænder moment = Q v P brænder Hvor Q er masseflowet på luften, v er hastigheden og P brænder er brænderens nominelle effekt. Praktisk erfaring viser, at et brændermoment bør være imellem 8-12N/MW (Nielsen, 2015). Størstedelen af den nødvendige forbrændingsluft til brændstofferne tilføres via sekundærluften. Fordelen ved at bruge denne luft er, at luften allerede er opvarmet, fordi den aftager varme fra cementklinkerne i køleren. For at opnå en hurtigere forbrænding af brændstoffet er det derfor vigtigt, at sekundærluften hurtigt blandes med brændstoffet. Det er pga. det hårde miljø i ovnen ikke muligt at monitorere flammens effektivitet under drift. Derfor overvåges flammen ved kontinuerligt at måle temperaturen via et termisk kamera på ydersiden af ovnen. En brænders ydelse ligger typisk mellem 20 og 250MW Klinkedannelse og cement Efter roterovnen passerer råmelet ned i en køler. Her aftager luft varmen fra råmelet, som klumper sammen og bliver til sten på størrelse med håndbolde. Disse sten kaldes klinker. Luften genanvendes igennem ovnen. Når klinkerne er nedkølet, transporteres de til store cement møller, hvor de blandes med diverse additiver og males fint til slutproduktet cement Kvalitet Cementens kvalitet måles jævnligt ved at analysere klinkerne. Analysen viser mineralernes blandingsforhold og dermed, om temperaturen under fremstillingen har været korrekt. Tabel 1 viser bestanddelene af typisk Portlands cement. Tabel 1 Typisk sammensætning af Portland cement (Nørskov, 2012). Kemisk formel Primære mineraler Alite 3CaO SiO 2 65 Belite 2CaO SiO 2 15 Aluminate 3CaO AL 2 O 3 10 Ferrite 4CaO AL 2 O 3 Fe 2 O 3 10 Mindre bestanddele Fri kalk CaO 1 Magnesiumoxid MgO 2 Kalium sulfat K 2 SO 4 1 Natrium sulfat Na 2 SO 4 0,5 Typisk indhold [% masse] Side 14 af 45

16 Brænderens flamme og temperatur har stor indflydelse på kvaliteten. Selvom den rette kemi er til stede i råmaterialerne, og blandingsforholdene er korrekte, er det ikke ensbetydende med, at kvaliteten af cementen er tilfredsstillende. En af de vigtige faktorer for cementens kvalitet er mængden af frikalk. Mængden af frikalk afslører, om kalken(cao) er bundet til siliciumdioxiderne (SiO 2 ) og dermed om råmelet er brændt optimalt. Den høje temperatur på flammen sørger for at kalken binder sig og dermed, at frikalk niveauet reduceres. Typisk ligger niveauet af frikalk mellem 1 til 2 % af den samlede masse. Det er muligt at komme under 1 %, men det kræver for meget energi og anses derfor ikke for rentabelt. 2.2 Nuværende brænder Dette afsnit indeholder en gennemgang af kundens nuværende brænder. Udviklingsprojektet er foregået som et retrofit af denne brænder. Brænderens nominelle ydelse er på 65MW. Kunden har som fabrik af verdens anden største cementkoncern, Holcim, erfaret, at denne brænder er den bedste på markedet med SRF som primær brændsel. En brænder med en sådan ydelse og konfiguration har en pris på ca inkl. transport, idriftsætning mv. (Deurs, 2015) Forbrug og produktionsdata Nedenstående tabel viser en oversigt over forbrug og produktionsdata for den slovakiske cementfabrik i 2014 (bilag dok nr 01 & 02). Tabel 2 Brændstofforbrug og produktionsdata for 2014 Forbrug og produktionsdata over 2014 Total driftstimer Antal timer i drift med SRF (ekskl. Opstarts perioder) Petcoke forbrug Petcoke gennemsnitlig nedre brændværdi SRF forbrug SRF gennemsnitlig nedre brændværdi Produceret cement klinker Årlig produktion af klinker 6515 h 6375 h tons GJ/tons tons GJ/tons 141,8 tons/h tons Side 15 af 45

17 2.2.2 Konstruktion Som det fremgår af figur 3 består brænderen af flere rør, som er skubbet ind i hinanden, i hvilke de forskellige brændsler og luft kommer ud i mellemrummene. Vinkeljernet bruges til transportsikringen og er ikke en del af brænderen. På figur 3 mangler centerrøret, som er illustreret på figur 4. Centerrøret består af 3 rør, som styres af en frontplade. Denne frontplade har en masse små huller til køling af fronten, hvormed deformation og stress i materialet forhindres. På grund af den høje temperatur og strålevarme er køleluft ved alle blottede overflader nødvendigt. Køleluft gavner imidlertid ikke processen og betragtes således som energispild. Således skal køleflowet holdes på et minimum. Aksialluft Radial luft Gas SRF Olie forstøvning Tænder Kul/petcoke Figur 3 Kundens brænderfront (Forfatterens eget arkiv, 2015) Figur 4 Centerrør (FLSmidth A/S, 2013) I de følgende punkter gennemgås rørenes funktion: 10 vinkel Aksialluften er den luft, som skaber det primære fremadrettet moment i flammen. Luften er ligeledes et tilskud til forbrændingsluften. Ved udmundingen mindskes arealet for at hæve hastigheden på luften. Yderligere vinkles luften 10 (se figur 5), hvilket skaber en svirveleffekt, der er med til at skabe flammeformen og give en god opblanding af luften og brændstofferne. Aksialluftens høje hastighed skaber et undertryk for sekundærluften, hvormed en stor mængde af den sekundære luft suges ind i flammen. Radial/svirvel luftens funktion er at skabe mere svirvel på den luft, som kommer ind. Dette gøres ved at vinkle luften 30, inden den forlader fronten. Ved at regulere på denne luftmængde ændres svirvelkraften og dermed også flammens profil. Arealet mindskes ligeledes ved udmundingen for at hæve hastigheden på luften. Figur 5 Aksialrør (Forfatterens eget arkiv, 2015) Gas bruges kun ved opstart og i opvarmningsperioden. Kanalen har et lille køleflow af luft under normal drift for ikke at skabe for store temperaturdifferenser i materialet. Side 16 af 45

18 Kul/Petcoke indblæses sammen med dets transportluft annulart 3. Både gas og petcoke indblæses i denne ringform for at undgå at brændstoffet koncentrerer sig i bunden af røret. En stor koncentration af brændstof i bunden af røret vil bevirke, at dette ikke forstøves tilstrækkelig, og dermed opnås en dårlige antændelse af brændstoffet. SRF er det primære brændstof og sammen med transportluften kommer det ind næsten i centeret af brænderen. På grund af SRF en store partikelstørrelse er det ikke muligt at indføre dem annulart. Olie forstøvning er ligesom gas et muligt optændingsbrændstof. Af økonomise årsager kan det være rentabelt at bruge olie eller gas som brændsel. Derfor er det ofte en mulighed mange kunder ønsker. Tænderen er en mindre gasdrevet brænder, som bruges til at tænde det primære brændstof og starte flammen. Ved at regulere på radial/svirvel luften kan omkredsen af flammen ændres (se figur 6). Højere svirvelfunktion giver en bredere og kortere flamme, hvilket er med til at gøre flammen mere intens. En for høj svirvelfunktion resulterer dog i en for bred flamme, og at der afgives for meget varme til ydervæggen af roterovnen. Figur 6 Illustration af svirvel funktion (FLSmidth A/S, 2013) Primærluft og distribuering Primærluften er den luft, som fordeles ud til de forskellige kanaler i brænderen. Primærluften leveres af en enkelt blæser. Primærluften svarer til ca % af den nødvendige forbrændingsluft. Dette svarer til et brændermoment på 8-14 N/MW (Nørskov, 2012, p. 8). Yderligere kommer der også et tilskud til forbrændingsluften ved den luft, som er brugt til at transportere brændstoffet. Luftmængden og flowet til kanalerne reguleres ved brug af manuelle butterfly ventiler. Da der er tale om manuelle ventiler, ændres flowet til de forskellige kanaler sjældent. Luftfordelingen justeres ved indkøring af brænderen således at der opnås en god flamme. Herefter justeres ventilerne ikke yderligere med mindre, der opstår radikale ændringer i brændstoffet (Nielsen, 2015). Da blæseren til primærluft er en fast fortrængningsblæser, er det nødvendigt at bruge alt luften. Hvis der drøvles for meget på ventilerne, opstår et modtryk på blæseren og denne kobler ud på overtryk. 3 Ringformet Side 17 af 45

19 Kunden har oplyst følgende indstillinger for primærliften ved normal drift (bilag dok nr. 03). På udgangen af primærblæseren er et flow på kg/h ved 1,265 baro, 40 C og 0,99 bar i omgivelserne (200 m over havoverfladen) målt. Kunden har tidligere oplyst et flow på ca kg/h. Tabel 3 viser luft distribueringen af kundens nuværende brænder. Tabel 3 Luftdistribuering af nuværende brænder Flow Tryk ind Tryk ud Temp. ud Densitet ud Hastiged Ud Moment (korrekt moment) [ m3 Kanal h ] [ kg h ] [ m 3 n h ] [mbar] [mbar] [ ] [ kg m 3] [m s ] [ N MW ] [ N MW ] Aksial , ,8 10,6 Radial , ,6 3,1 Kul/Petcokekanal køling , ,0 Gaskanal køling , ,2 Centerkanal køling , ,2 Total Af tabellen fremgår, at aksialluften opnår en betydelig højere temperatur end de resterende kanaler. Årsagen er, at aksialluften blæser i den yderste kanal, som er udsat for mest strålevarme. Som det fremgår af tabellen opererer brænderen med et flammemoment på 14 N/MW ved nominel ydelse. Forskellen på korrektmoment og moment er, at luftflowene bliver vinklet ved udmundingen af brænderen for at skabe svirveleffekten. På grund af denne vinkling yder alt luftens hastighed ikke kun et aksialt moment, men også et radialmoment. Krafterne er illustreret på figur 7. Aksialluft Radialluft Figur 7 Vektor illustration af aksial- og radialluft (Forfatterens eget arkiv, 2015) Side 18 af 45

20 2.3 Termisk substitutionsgrad Termisk substitutionsgrad (TSR) angiver forholdet mellem effekten af forbrændt SRF og effekten af forbrændt petcoke. Den termiske substitutionsgrad er defineret ved: TSR = m SRF hi SRF E SRF 100 = 100 m petcoke hi petcoke + m SRF hi SRF E petcoke + E SRF hvor m er massen, hi er den nedre brændværdi, og E angiver effekt. Visse fabrikker, typisk europæiske, har opnået en TSR på 65 %, hvilket svarer til, at den termiske energimængde stammer fra 65 % alternativt brændsel og 35 % fossilt brændstof (Cembureau, u.d.). 2.4 Brændstoftyper Petcoke Petcoke er en forkortelse af petroleum coke. Brændstoffet anvendes i særdeleshed af kraftværker og cementfabrikker verden over. Petcoke er et af de sidste restprodukter, som opstår ved olieraffinering. På trods af dette har petcoke stadig et højt kalorieindhold. Brændstoffet købes som små sten, og kræver derfor viderebehandling, hvor petcoken males til fint støv, så det kan anvendes som brændstof. Petcoken er meget ensartet og et meget stabilt brændstof, som ikke skaber store driftsudsving ved brænderen. Figur 8 Petcoke før formaling (Wikipedia, 2015) Side 19 af 45

21 2.4.2 Solid Recovered Fuel Solid Recovered Fuel er affald, som er revet i stykker/makuleret til mindre partiker. Brændslet er meget varierende i størrelse og indhold. Kundens SRF består primært af plastik, papir, naturlige fibre og kunstfibre. SRF en indeholder desuden få metaldele, som på grund af afgivning af oxider kan skabe lokale problemer i cementkvaliteten. Figur 9 viser et billede af SRF med en bilnøgle for at få forståelsen for størrelsesforholdet af bestanddelene. Figur 9 SRF (bilnøgle for størrelsesforhold) (Forfatterens eget arkiv, 2015) Prisen på brændstof Fordi petcoke er et restprodukt, er det med til at gøre produktet billigt i forhold til kul og det sammen med dets høje brændværdi gør det meget brugt til forbrænding hos særligt cement- og kraftværksindustrien. Selvom petcoke er et olieprodukt, er det ikke kun bestemt af oliepriserne, men fordi det bliver brugt som substitution for kul følger det kulpriserne. Desuden har den kinesiske industri, som står for 55 % af verdens cementproduktion (Cembureau, 2014) fået øjnene op for produktet. Dette har været med til at fastholde de høje priser på petcoke på trods af, at der de seneste år er set svingninger i oliepriserne (Jonathan Dart, 2015). De høje priser er en stor motivationsfaktor for at fokusere på et billigere brændsel. Fabrikken i Slovakiet har oplyst, at deres pris på petcoke inklusiv behandling (klar til forbrænding) er 100 pr. tons (Nielsen, 2015). Prisen på SFR er betydelig mindre end prisen på petcoke. Den primære årsag til at fyre med SRF er dets gode kombination af billige pris og relative gode brændværdi. Fabrikken har oplyst en slut pris på 10 pr tons inklusiv behandling (klar til forbrænding). Priserne er meget svingene på grund af udbud og efterspørgsel, og de senere år har der været en tendens til en stigende pris. For at holde prisen nede køber cementfabrikkerne ofte SRF en hos forskellige leverandører og i store partier. Nogle af de større cementproducenter er sågar begyndt at købe andele i firmaer, som fremstiller og leverer SRF en for at sikre deres forsyning af brændstoffet. Ved at købe disse andele kan cementproducenterne også nemmere kontrollere kvaliteten af det produkt, de køber (Drivsholm, 2015). Side 20 af 45

22 3 Metode Udviklingen af den retrofittede brænderfront tager udgangspunkt i en række undersøgelser, der belyser: - TSR for kundens eksisterende brænder - udfordringerne ved SRF som brændsel - den økonomiske brændstofbesparelse ved øget TSR - ændringer af emissionsgasser fra forbrændingen - Refleksioner over udfordringer ved den retrofittede brænderfront FLSmidth har ikke adgang til centerrøret, og derfor kan frontdesignet af dette ikke optimeres. 3.1 Rådata Rådata stammer fra både FLSmidth og den slovakiske cementfabrik. Behandling af dataene og beregninger af større omfang er anført i bilag, og der henføres løbende til disse i rapporten. Behandlingen af disse rådata omhandles i de efterfølgende afsnit. 3.2 Termisk substitutionsgrad Substitutionsgraden er beregnet for kundens eksisterende brænder under den nuværende driftssituation. Ud fra den nuværende substitutionsgrad er det muligt at vurdere, hvorvidt den nye brænder tillader en højere substitutionsgrad. Udregningen inkluderer ikke den mængde kul, som bruges til opstart af ovnen. Den gennemsnitlige substitutionsgrad beregnes med den gennemsnitlige brændværdi for henholdsvis SRF og petcoke. 3.3 Brændstofanalyser Brændstofanalyserne er testet ved stikprøvemetode for at minimere udgifterne og timeforbruget i forhold til en test af den samlede population. Den tilsendte batch af brændstof fra den slovakiske cementfabrik er desuden en stikprøve fra deres brændstoflager. Det er ikke muligt at verificere rådata fra FLSmidth og den slovakiske cementfabrik, idet usikkerheden i måleinstrumenter og andet udstyr brugt af FLSmidth og kunden ikke kendes. Det antages imidlertid, at rådataene er valide Brændværdi og vandindhold Brændværdien for petcoke og SRF er opgivet af kunden for henholdsvis 37 og 463 samples. For at teste brændværdiernes pålidelighed er der udført en statistisk analyse på disse. Grundlaget for verificeringen af disse bygger således på en antagelse om, at måleinstrumenternes usikkerhed ikke har signifikant indflydelse på resultaterne, men at stikprøvemetoden kan påvirke rådataenes pålidelighed. Der er beregnet en gennemsnitlig brændværdi samt et gennemsnitligt vandindhold for begge brændstoffer (bilag dok nr 02) Kemisk sammensætning Den kemiske sammensætning af petcoke er leveret af kunden. Den kemiske sammensætning af SRF er bestemt ved en stikprøveanalyse af en sample fra kunden på FLSmidth s eget laboratorie. Indholdet af kulstof, hydrogen, nitrogen og svovl er bestemt ved en CHN-S analyse. Rådata fremgår i bilag 1. Side 21 af 45

23 3.3.3 Partikelstørrelse på Solid Recovered Fuel Partikelstørrelsen er bestemt ved en sigteanalyse. Indledningsvis er der tilfældig udtaget 20kg som stikprøve af det tilsendte SRF. Prøven er tørret/affugtet ved stuetemperatur i 24 timer. Af denne stikprøve er der udtaget 14 tilfældige samples på ca. 400g. De 14 samples er sigtet i 5 minutter med sold størrelse på henholdsvis 16, 8, 4, 2 og <2mm 2. Indholdet i hver sold er vejet for at bestemme partikelfordelingen. Forsøgsdata fremgår i bilag Aerodynamiske egenskaber for Solid Recovered Fuel En vindsigteanalyse er foretaget for at bestemme brændstofpartiklernes aerodynamiske egenskaber i forhold til størrelse og masse. Analysen foregår ved at introducere brændstofpartiklerne i et vertikalt rør med et suge flow i forskellige hastigheder. Efterfølgende vejes andelen af de partikler, som bliver taget med flowet samt de partikler, som falder (gennemfald). Der er lavet separate analyser af de enkelte partikelstørrelser samt usigtet sample. Partikler mindre end 2mm er ikke medtaget i analysen, da disse er for små til at fungere i forsøgsopstillingen. Forsøgsdata fremgår i bilag Brændstofbesparelse Brændereffekten er beregnet ud fra brændstofforbruget og brændstoffernes gennemsnitlige brændværdi (bilag 4). Det samlede årlige forbrug af henholdsvis petcoke og SRF er beregnet ud fra oplyste tal for produktionsåret 2014 (bilag dok nr 01). Besparelserne for henholdsvis petcoke og SRF er beregnet ud fra dette samlede forbrug og prisen på henholdsvis petcoke og SRF (bilag 5). 3.5 Emissioner Udledning af CO 2 og SO 2 er beregnet ud fra brændstoffernes kemiske sammensætning, produktionsdata, gassernes individuelle gaskonstant og trykket i roterovnen. Trykket i roterovnen er oplyst af kunden. Den individuelle gaskonstant for CO 2 og SO 2 er tabelopslag (Eriksen, 2007, p. 245). Emissions beregninger fremgår i bilag Udvikling af ny brænderfront For at opnå forståelse for de aerodynamiske forhold, som forskellige designs af brænderfronten kan medføre, er der udført pilotforsøg, hvori cementovnens dimensioner er nedskaleret i forhold til den reelle cementovn. I disse pilotforsøg er flammeprofilen for forskellige designmuligheder testet. For at holde udgifterne nede, er forsøgene udført som en koldovnstests. Det vil sige, at der ikke har været ild i brændstoffet. Rådata fra koldovns testen findes i (bilag dok nr 03). Forsøgsopstillingen er illustreret i bilag Bestemmelse af luftdistribuering Luftdistribuering tager udgangspunkt i de oplyste flow fra kunden. I beregning af radial- og aksialflow på den retrofittede brænder er flow til køling af gas- og centerkanal holdt konstant. Radialflowet er beregnet ud fra svirvlerens overfladeareal og hastigheden ved udmundingen. Aksialflowet er beregnet som differencen mellem det totale flow, køleflowet og radialflowet. Det maksimale flow igennem svirvleren(radialluft) defineret ved brug af 3D programmet SolidWorks. Hastigheden er udregnet efter Bernoullis princip. Side 22 af 45

24 Temperatur og tryk på diverse kanaler er opgivet fra kunden. Dimensions begrænsninger på svirvleren tillader et maksimalt flow på 4.500m 3 /h. Udregningseksempel for luftdistribution findes i bilag 8. De komplette udregninger er udført i Excel ark (dok nr 04). 4 Resultater I følgende afsnit er resultater fra udviklingsprojektet fremlagt. Resultarterne er vurderet og diskuteret i efterfølgende kapitel Nuværende termisk substitutionsgrad Den gennemsnitlige TSR for kundens eksisterende brænder under den nuværende driftssituation er 62,1 % givet af nedenstående beregning. TSR 2014 = 4.2 Brændstof analyse m SRF hi SRF ,04 = m petcoke hi petcoke + m SRF hi SRF , ,04 = 62,1 % Petcoke Tabel 4 viser den kemiske sammensætning af den brugte petcoke samt brændværdien. Tabel 4 Kemisk sammensætning af petcoke samt brændværdi Kemisk betegnelse Indhold [% masse] Kulstof C 80,3 Hydrogen H 3,24 Nitrogen N 0,3 Svovl S 3,1 Andet flygtigt 3,26 Fugt/vand W 0,52 Aske 9,3 Nedre brændværdi Hi [kj/kg] Den gennemsnitlige brændværdi og tilhørende standardafvigelse er beregnet ud fra 37 målinger. Som det fremgår af tabel 4 er den gennemsnitlige brændværdi 31,2 MJ/kg med en standardafvigelse på 1,64 MJ/kg. Tilsvarende er det gennemsnitlige vandindhold beregnet til 0,52 % med en standardafvigelse på 0,12 %. Side 23 af 45

25 Antal målinger - Udvikling af Brænder til Cementovn Solid Recovered Fuel Kemisk sammensætning Tabel 5 viser den kemiske sammensætning af den brugte SRF samt brændværdien. Tabel 5 Aske- og vandindholdet i SRF samt brændværdi Kemisk betegnelse Indhold [% masse] Kulstof C 47,6 Hydrogen H 6,23 Nitrogen N 1,71 Svovl S 0,09 Fugt/vand W 20,58 Aske 17,99 Nedre brændværdi Hi [kj/kg] Den gennemsnitlige brændværdi og tilhørende standardafvigelse er beregnet ud fra 463 målinger. For at gøre de mange målinger overskuelige er der i figur 10 lavet et histogram over målingerne. Den gennemsnitlige brændværdi er 16,04 MJ/kg. Den mindste brændværdi er 5,31 MJ/kg og den største er 30,67 MJ/kg. Standardafvigelsen på målingerne ligger på 3,76 MJ/kg. Størstedelen af målingerne ligger indenfor 11,5-18 MJ/kg svarende til 68 % SRF brændværdi histogram GJ/tons Figur 10 - Histogram over brændværdien for SRF fra 2014 (Forfatterens eget arkiv, 2015) Side 24 af 45

26 Antal målinger - Udvikling af Brænder til Cementovn - Figur 11 viser et histogram over vandindholdet i SRF en. Den primære del af målingerne ligger inden for %, svarende til i alt 89 %. Det gennemsnitlige vandindhold er 20,6 % og standardafvigelsen er 9,1 %. 160 SRF vandindhold histogram GJ/tons Figur 11 Histogram over vandindholdet for SRF fra 2014 (Forfatterens eget arkiv, 2015) Side 25 af 45

27 Sigte analyse Figur 12 viser resultaterne fra sigteanalysen. Rådata findes i bilag 2. 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% Brændstof partikel fordeling 16mm 8mm 4mm 2mm <2mm Figur 12 - Partikel fordeling på brændsel (Forfatterens eget arkiv, 2015) Figur 12 viser, at de forskellige samples er meget ens i partikelstørrelsen. Det ses ved at kurverne har et meget horisontalt forløb uden de store udsving. På sample 4, 7 og 13 ses der nogle modsatrettede udsving på 8 og 16mm kurverne. Trods det har SRF en god homogen blanding hvad angår størrelsesfordelingen af partiklerne. Den største andel af partikler i brændstoffet har en størrelse mellem 8-16mm svarende til 36 % af den samlede mængde partikler. Ved visuel inspektion af de mindste partikler (<2mm) sås ingen spor af sand Vindsigte analyse Figur 13 viser den procentmæssige fordeling af de gennemfaldne partikler. For samtlige partikelstørrelser er størstedelen af partiklerne båret med flowet ved vindhastigheder over 8 m/s. For den usigtet sample ses et gennemfald på 9 % ved 8 m/s. Rådata fremgår i bilag % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Gennemfald 8 m/s 6 m/s 5 m/s 4 m/s 3 m/s 2 m/s 1 m/s 16mm 8mm 4mm 2mm Usigtet Figur 13 Gennemfaldsanalyse af SRF ved brug af vindsigte (Forfatterens eget arkiv, 2015) Side 26 af 45

28 4.3 Brændstofbesparelse Det årlige forbrug af petcoke for 2014 var tons, hvilket gav en årlig pris på petcoke på Det årlige forbrug af SRF var tons, hvilket gav en årlig pris på SRF på Kunden brugte således på brændstof i 2014 ved en gennemsnitligt TSR på 62 % og en brændereffekt på ca. 60MW. Udregninger findes i bilag 5. Tabel 6 viser forbruget og de mulige besparelser, hvis TSR øges 1 %. Tabel 6 Brændstofforbrug og besparelse Brænder effekt Klinker produktion Petcoke forbrug SRF forbrug Tilvækst pr. 1 % øget TSR Petcoke SRF ,43 141,8 MW tons/h 2,6 tons/h 18,63 kg/tons klinker 43,7 kg/mwh 8,4 tons/h 59,39 kg/tons klinker 139,4 kg/mwh 70 1,15 0,12 0, ,24 0,02 0,01 Total besparelse pr. øget TSR 0,09 0,04 5,61 Mulig besparelse for 2014 pr. 1 % øget TSR (6375 timer) kg/h kg/mwh /MWh /tons klinker kg/h kg/mwh /MWh /tons klinker /MWh /tons klinker Der opnås en besparelse på 0,04 /tons klinker produceret for hver 1 % hævet TSR. Ved samme produktion af cementklinker som i 2014, er det en årlig besparelse på per hævet TSR. Under antagelse af, at brændstoffernes slutpriser er konstante, er prisbesparelsen lineær med substitutionsgraden. Besparelsen er illustreret på næste side (figur 14). /h Side 27 af 45

29 x Arlig brændstof pris og besparelse TSR Besparelse Pris for SRF Pris for petcoke Figur 14 Prisbesparelse per øget TSR (Forfatterens eget arkiv, 2015) Den beregnede besparelse medfører et årligt merforbrug af SRF på ca. 860 tons pr. procentvis øget TSR. 4.4 Emissioner Tabel 7 viser mulige CO 2 og SO 2 reduktioner pr. procentvis øget TSR. Udregninger findes i bilag 6. Tabel 7 Emissions (CO 2 og SO 2 ) ændringer ved øget TSR Emission CO 2 SO 2 Δ pr. øget 1 % TSR Δ pr. øget 1 % TSR [kg CO2 tons klinker ] [kg CO2 h] [kg CO2 tons klinker ] [kg SO2 h] Petcoke 1,40 199,75 0,029 4,12 SRF -1,63-230,49-0,0016-0,23 Total -0,23-30,74 0,0274 3,89 Beregningerne viser, at en øgning af TSR på 1 % giver anledning til en stigning i CO 2 udledningen på 0,23 kg CO2 /tons klinker svarende til 30,74 kg/h. SO 2 udledningen reduceres ved øget TSR. Tilvæksten i udslippene er lineære med den procentvise forøgelse af TSR. Side 28 af 45

30 4.5 Design af den retrofittede brænderfront De betydelige ændringer i forhold til den nuværende brænder er listet og efterfølgende uddybet i dette afsnit: Ny frontplade med 20 drejbare dyser til aksialluft Ændring af radial/svirvel kanal Tilbagetræknings mulighed af center- og svirvelrør Det endelige design af brænderfronten ses på figur 15 Dyser til aksialluft Svirvler Gas Kul/petcoke SRF Figur 15 Retrofittet brænder front (Forfatterens eget arkiv, 2015) Frontplade og drejbare dyser Der er designet en ny ringformet frontplade med 20 huller. Hullerne gør plads til 20 drejbare dyser. Det primære formål med de 20 dyser er at danne en cylinderformet indkapsling af brændstoffet ved brug af aksialluft. Dysens opbygning er illustreret på figur 16. Dysens udmunding skaber en vifteform som sikrer indkapsling af brændslet ved at danne cylinderform på luften. Indkapsling af brændstoffet sikres ligeledes ved en svirveleffekt, som skabes ved at dysens udmunding ikke er centreret og er udført med 5 forskydning. Ved dyserne yderligere er drejbare kan der skabes svirvel effekt ved de 5 offset. 5 Figur 16 Drejbar dyse (Forfatterens eget arkiv, 2015) Side 29 af 45

31 Der er desuden mulighed for at regulere dysen ved at dreje den 180. Dette gør det muligt at bestemme hvorvidt luften skal styres mod eller væk fra centeret. Brænder designet er udført således, at det er muligt at skifte dyserne fra fronten. Der er produceret to sæt dyser med et udmundingsareal på henholdsvis 730mm 2 og 880mm 2. Dyserne bliver ved fronten sammenkoblet med det rør som skal transportere aksialluften. Røret går gennem hele brænderen fra front til bagende. Det er således muligt at justere dyserne i et sikkert miljø fra bagenden, selv under drift. Der er konstrueret et fjederdesign således at dyserne konstant trækkes ind mod frontpladen. Dysens anlægsflade og hullerne i frontpladen er 45 koniske således er dysen konstant centreret i hullerne Svirvler og tilbagetrækning af centerrør I den retrofittede brænder, er svirvleren flyttet længere ind mod centreret af brænderen. Samtidig påsvejses svirvleren centerrøret så den følger røret ved tilbagetrækning. Svirvleren er vinklet yderligere 30 radialt sammenlignet med den nuværende brænder. Luften vinkles derfor 60 inden udmundingen. En 3D illustration af svirleren ses på figur huller til radial luft Figur 17 Svirvler for retrofittet brænder (Forfatterens eget arkiv, 2015) På figur 18 ses resultatet af en tilbagetrækning af centerrøret. Det ses, at brændstoffet nærmest bliver bremset og opblandet med luften ca. 20cm fra brænders fronten når røret tilbagetrækkes. Der installeret 4 temperatur følere på indvendig side af brænderen; 2stk. på frontpladen og 2stk. på svirvleren. Hvis temperaturen overstiger 950 C kører cylinderen automatisk centerrøret frem til fronten igen. Figur 18 Billeder af tilbagetrækning af centerrør (FLSmidth A/S, 2013) Side 30 af 45

32 4.5.3 Luftflow For at illustrere luft flowet fra brænderen og svirvel funktionen er vindhastighederne i en afstand på henholdsvis 2m (blå), 4m (rød) og 6m (grøn) fra brænderen målt (se figur 19). I figuren er den retrofittede brænder sammenlignet med den nuværende brænder. Som det ses giver det nye design en større fleksibilitet i ændring af flammeprofilen. Desuden bremser den øgede vinkel på svirvleren også flowhastighed på centeret af flammen. Nuværende brænder Uden svirvel Med svirvel Retrofittet brænder Figur 19 Sammenligning af kold flammeprofil af nuværende- og retrofittet brænder (Forfatterens eget arkiv, 2015) Side 31 af 45

33 Funktionen af svirvleren ved tilførsel af SRF er testet for at finde et optimalt sammenspil mellem aksial og radial luft. Brændstoffets aerodynamiske egenskaber er vurderet visuelt. På figur 20 ses forskellen på tilstandene ved at have svirvleren i funktion (til højre). Det ses tydeligt at svirvel funktionen skaber en større radial kraft som får brændstoffet til at sprede sig tættere på brænderen. Figur 20 Billeder af kold flammeprofil med og uden svirvler Den optimale flammeprofil med SRF dannes når dyserne vinkles 30, et fremadrettet aksialmoment på 6,5N/MW og et fremadrettet radialmoment på 3N/MW. Dette resulterer i følgende forhold mellem det fremadrettet aksial- og radialmoment. Testresultaterne er opsummeret på figur 21: 3 N MW 6,5 N MW = 0,46 Sekundærluft Radial Svirvel funktion Aksialluft Figur 21 Illustration af testresultater fra koldovns forsøg (FLSmidth A/S, 2013) Side 32 af 45

34 4.5.4 Luftdistribuering i det retrofittet design Kunden har oplyst to masse flow på primærluften: kg/h og kg/h. Begrænsninger hos kunden gør det ikke muligt at skabe et højere masse flow på primærluften end det totale på kg/h ved maksimum drift. Brænderens nominelle ydelse er bibeholdt på 65 MW. I beregning af luftdistribution er der tilføjet et forventet flow på ca m 3 /h til køling af frontpladen på grund af dens store overflade. Beregningseksempel for distribution findes i bilag 7.Samlet udregninger fremgår i (bilag dok nr 04). I tabel 8 ses luftdistributionen ved et totalt flow på ~ kg/h. Tabel 8 Luftdistribuering for retrofittet brænder ved totalflow på kg/h Flow Tryk ind Tryk ud Temp. ud Densitet ud Hastiged Ud Moment (korrekt moment) [ m3 Kanal h ] [ kg h ] [ m 3 n h ] [mbar] [mbar] [ ] [ kg m 3] [m s ] [ N MW ] [ N MW ] Aksial , ,2 10,1 Frontplade køling , ,5 Radial , ,4 2,2 Kul/Petcokekanal køling , ,0 Gaskanal køling , ,2 Centerkanal køling , ,2 Total Forholdet mellem det fremadrettede radial- og aksialmoment er derfor: 4,4 N MW 11,2 N MW = 0,39 Hvis flowet viser sig at være mindre kg/h er følgende luft distribuering konfigureret: Tabel 9 Luftdistribuering for retrofittet brænder ved totalflow på kg/h Flow Tryk ind Tryk ud Temp. ud Densitet ud Hastiged Ud Moment (korrekt moment) [ m3 Kanal h ] [ kg h ] [ m 3 n h ] [mbar] [mbar] [ ] [ kg m 3] [m s ] [ N MW ] [ N MW ] Aksial , ,9 7,1 Frontplade køling , ,5 Radial , ,4 2,2 Kul/Petcokekanal køling , ,0 Gaskanal køling , ,2 Centerkanal køling , ,2 Total Forholdet mellem radial- og aksialluft er således: 4,4 N MW 7,9 N MW = 0,46 Side 33 af 45