Emissionsforhold og forureningsreducerende teknikker for gasmotor og turbineanlæg. Teknisk note nr. 3/1995 Juli 1995

Transkript

1 Emissionsforhold og forureningsreducerende teknikker for gasmotor og turbineanlæg Teknisk note nr. 3/1995 Juli 1995

2 Emissionsforhold og forureningsreducerende teknikker for gasmotorog turbineanlæg Teknisk note nr. 3/1995 Juli 1995

3 Emissionsforhold og forureningsreducerende teknikker for gasmotorog turbineanlæg Teknisk note nr. 3/1995 Allan Laursen Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 1995

4 Titel Rapport kategori Forfatter Dato for udgivelse Copyright Emissionsforhold og forureningsreducerem.le teknikker fol" gasmotor- og turbineanlæg Teknisk note Allan Laursen Juli 1995 Dansk Gaste.knisk Center a/s Sagsnummer Sagsnavn ISSN Emissionsforhold og forureningsreducerende teknikker for gasmotor og -turbineanlæg Dansk Gasteknisk Center a/s (DGC) forbeholder sig ret til ændringer i den Tekniske Note. Det er brugerens ansvar at anvende oplysningeme korrekt og til det tilsigtedefonnål. /tilfælde af fejl i den Tel01iske Note gælder "Almindelige bestemmelser for teknisk rådgivning & bisland (ABR 89) ". Juni 1992

5 DG C-rapport 1 INDHOLDSFORTEGNELSE SIDE l Indledning Sammenfatning Dannelse af forurenende stoffer ved forbrænding l Generelt CO- og C0 2 -dannelse NOx-dannelse Tilstedeværelse af uforbrændt- "HC" Dannelse af andre stoffer (bl.a. SOx, PAH, H 2 0 og støv/sod) Øvrig forurening Rensningsteknologier l Oversigt Turbiner Motorer Miljøkrav-Miljøpolitik Maskinstyringer - styring af gas/luft-forhold Fast indstilling "A sonde (lamda-sonde) Styring baseret på forbrændingstemperatur Forbrændingshastighed Styring baseret på udstødstemperatur Andre parametre til styring af gas/luft-forhold Diskussion og forslag til videre arbejde Emissionsforh. og forureningsred. teknikker h:\714.19\01tnoala.aja Juli 1995

6 DG C-rapport 2 BILAG 1. Emissionsgrænser for motorer og turbiner for diverse vesteuropæiske lande 2. Litteraturliste 3. Omregningsformler og tal for forureningsenheder Emissionsforh. og forureningsred. teknikker h:\714.19\01tnoala.aja Juli 1995

7 DG C-rapport 3 1 Indledning Naturgasbaserede kraftvarmeanlæg påvirker i forbindelse med drift og service det omgivende miljø. Gennem udstødningen fra anlæggene emitteres bl.a. NOx, COx og uforbrændt (overvejende metan). De såkaldte dual-fuel motorer vil også udsende mindre mængder af SOx og partikler, som stammer fra den anvendte dieselolie. Gasmotorer og -turbiner vibrerer og udsender støj. Smøreolie skal regelmæssigt påfyldes og bortskaffes lige som væsken på kølekredsene. For fuldstændighedens skyld skal nævnes, at der omkring generatoren også vil optræde en "forurening" i form af et elektrisk felt. Størrelserne af de anlæg, der betragtes, er fra 50 kwe til 25 MWe. Størrelser over 25 MW e hører til i primærværkernes regi og behandles ikke her. KV-anlæg, som drives helt eller delvis af andre brændsler end naturgas (bortset fra dieselolie som pilotbrændsel), bliver heller ikke behandlet her. De KV -anlæg, der er etableret i Danmark, er for en meget stor dels vedkommende gnisttændingsmotorer af "lean-bum" typen. Der er kun etableret få motorer af dual-fuel typen. Med hensyn til gasturbiner er der netop inden for det sidste halve år sket et gennembrud med etableringen på nogle industrianlæg, hvor udviklingen hidtil var gået langsomt med kun få anlæg. Denne udvikling må nok forventes at fortsætte med aktuelle turbinestørrelser hovedsageligt omkring 3,5-10 MWe. Om der vil blive etableret mange flere motorer af dual-fuel typen i nærmeste fremtid med disse motorers kostbare anlægspriser er nok tvivlsomt. Formålet med denne note er at pege på den forventede udvikling inden for emissionsforhold både med hensyn til krav og reducerende teknikker.

8 DG C-rapport 4 Samtidig med denne note udarbejdes en note, som dækker området gasbaseret industriel kraftvarme. Der henvises til denne vedrørende beskrivelse af diverse motor- og turbineudstyr. Dog er motorstyringer beskrevet i det følgende. Der er i forbindelse med projektet foretaget en stor litteraturindsamling og -gennemgang. Erfaringerne fra et stort antal målinger udført på diverse anlæg ligger ligeledes til grund for noten.

9 DG C-rapport 5 2 Sammenfatning "Moderne" turbiner har ikke problemer med at opfylde eksisterende krav til emission. De fleste fabrikater og typer ligger et pænt stykke under grænseværdierne. Lean-burn motorerne overholder grænseværdierne. Skal der eksperimenteres med disse motorers opsætning (indregulering), er forureningsbegrænsende udstyr nødvendigt. Øvrige motortyper kræver alle forureningsbegrænsende udstyr. Virkningsgradsforbedring og forureningsbegrænsning er i de fleste tilfælde modsat rettede hensyn ved maskinindreguleringen og -udviklingen. Udviklingen med turbiner sker på større maskiner end de "danske størrelser" og omhandler i høj grad brændkammerteknologi. Motorer sælges i Danmark stort set kun som lean burn motorer. Der eksperimenteres med maskinindreguleringer. Fabrikanterne forventer på sigt skærpede miljøkrav med hensyn til NOx og CO. Det er nok sandsynligt, at der kan forventes emissionskrav til uforbrændt inden for et par år. Krav til støv findes allerede. Katalysatorteknologierne kan reducere emissionerne til under eventuelle fremtidige skærpede krav. Problemerne er her katalysatorernes følsomhed og driftsomkostninger. Eksempler på forslag til relevante udviklingsområder med gasselskabernes deltagelse er nævnt i kapitel 8 og kan resumeres: - Samarbejde med katalysatorfabrikanterne om visse udviklingsområder inden for katalysatorteknologi. - Udarbejdelse af strategi for reduktion af uforbrændte kulbrinter.

10 DG C-rapport 6 - Undersøgelse af muligheder for billiggørelse af støjdæmpningstiltag i forbindelse med opstilling af motorer. - Deltagelse i internationalt samarbejde vedrørende fastsættelse af emissionskrav for KV-anlæg. - Undersøgelse af muligheder for etablering af "ydre moduler" til recirkulation af røggas for specielt Iean bum motorer. Formålet er reduktion af HC og NO&. - Indsamling af emissionsdata for konkurrerende elivarmeproduktioner - Genoptagelse af arbejdet med "Kraftvarmekataloget".

11 DG C-rapport Dannelse af forurenende stoffer ved forbrænding Generelt V ed forbrænding i naturgasfyrede motorer og turbiner dannes der et antal stoffer, som ikke ønskes emitteret til vore omgivelser i større mængder. De grupper af stoffer, der dannes, udgøres primært af følgende: NOx (kvælstofoxider) COx (kuloxider) HC (hydro-carboner, kulbrinter, uforbrændt) H 2 0 (vand, som dog ikke kan opfattes som forurenende) På grund af tilsætningsstoffer, et lille indhold af svovlbrinter og dualfuel motorerne med en lille tilsætning af dieselolie dannes også SOx (svovloxider) Stofferne dannes i mange forskellige forbindelser og former. Nogle reagerer endda først færdig til endelige former, efter at de har forladt motorernes/turbinernes udstødningssystemer. Den dannelse, der sker af stoffer ved forbrændingen, bortledes altovervejende gennem motorens eller turbinens udstødskanal. Overførsel af forureningskomponenter fra fx motorsmøreolie til udstødningssystemet den ene vej og fra forbrændingsprodukter til motorolie og vaskemidler den anden vej vil - på grund af disses forholdsvis ringe betydning- ikke blive nævnt i større udstrækning. De forbrændingsprocesser, som giver anledning til maskinernes mekaniske energi kan yderst forenklet skrives

12 DG C-rapport 8 med "fuldstændig" forbrænding. Heraf ses, at man altså ikke kan undgå C0 2 - og H 2 0-dannelse ved produktion af mekanisk energi. Hele dannelsesbilledet af stoffer og koncentrationer afhænger af de forhold, naturgasforbrændingerne er gennemført under, herunder som faste størrelser: Forbrændingskammerstørrelse og form Eventuelle katalysatorer, hvor visse stoffer kan "brænde færdigt" Forbrændingstype (gnist eller selvantændelse) som variable størrelser (maskinindregulering) haves: Kølevandstemperatur Tændingstidspunkt Brændstoffernes kemiske sammensætninger, luftoverskud og luftfugtighed Omdrejningshastighederne på maskinerne Brændstoffernes tilgangstemperaturer (i mindre udstrækning) Fortryk af brændstofferne og kompression i forbrændingskammeret Maskinernes lastforhold Forbrændingstemperatur De udslip, der særligt fokuseres på, er NOx-uds1ip (hele gruppen af kvælstofilteforbindelser) C0 2 - og CO-udslip HC (hele gruppen af faste kulbrinteforbindelser)

13 DG C-rapport 9 Efterfølgende figur viser sammenhængen mellem luftoverskud og dannelsen af hovedforureningskomponenter for en gasmotor litt. /11. ArtJmpanld fllr lre\'lpkatalyla (TWC) ppm Artleaoaride fllr Mleldlv katalytlak redaldløa (SCll.) 1 l l l l l ' ',... CO ~-.----~ ~~~----~----~-L Luftfaktor (Lambda) Fig Den efterfølgende fremstilling af dannelserne af de vigtigste forureningskomponenter er yderst forenklet og kun hovedretningslinier er nævnt. De angivne emissionsværdier er i stor udstrækning gennemsnitlige og kan variere en del fra fabrikat (model) til fabrikat. For en gasturbine haves følgende figur, som viser NOx dannelse i afhængighed af luftoverskudstallet A. (tilnærmet)

14 DG C-rapport 10 'C' C\1 o cfl lo E c. c. x o z ~ ~ ~ \ ~ ' ~ ~ ~ 1 1,2 1,4 1,6 1,8 luftfaktor Å ~ 2 2,2 2,4 Fig NOx-dannelsefor tubine i qfhængighed af luftoverskudstal Sammenhængen er fundet ved forsøg og stammer fra litt. /39/ (med ældre data, LPM = Lean Premixed forbrænding). Tilsvarende CO-værdier ligger mellem 20 og 50 ppm ved 15% ~tør. 3.2 CO- og C0 2 -dannelse C0 2 -dannelsen tages til udtryk for, at forbrændingen er færdiggennemført, hvorimod CO-dannelsen vidner om, at der enten ikke har været tilstrækkeligt med forbrændingsluft til stede, eller at forbrændingen ikke er forløbet til ende. C0 2 -emissionen pr. energienhed afhænger af forholdet mellem brændslets brint- (H) og kulstofindhold (C). Lette brændsler (højt brintindhold) udsender derfor mindre co2 pr. energienhed end tunge brændsler. Tabel 3. 2.l viser C0 2 -emissionen for forskellige brændsler.

15 DGC-rapport 11 Brændsel C0 2 -emission H:C Naturgas 57 kg/gj 4: 1 Olie 78 kg/gj 2 : 1 Kul 95 kg/gj 0,5: 1 Tabel C0 2 -emission fra fossile brændsler En substitution af kul og olie med naturgas vil altså give en stor reduktion af C0 2 -emissionen. C0 2 er hverken giftigt eller skadeligt i nærmiljøet Men C0 2 er en drivhusgas. co2 kan ikke omdannes eller bortrenses, uden at dette kræver en betydelig del af den energi, som frigøres ved forbrændingen. Deponering af COz er måske på langt sigt (men ikke på kort sigt) en mulighed for meget store energiforbrugende anlæg (kraftværker o.l.). C0 2 -udledningen kan derfor ikke reduceres ved anvendelse af traditionelle forureningsbegrænsende foranstaltninger. CO-emissionen er betydeligt mindre end C0 2 -emissionen, men man prøver at undgå den, idet CO er stærkt giftig for mennesker og dyr. Endvidere er CO en brændbar gas, hvorfor større CO-emissioner også repræsenterer et effektivitetstab ved forbrændingsprocessen. Meget høje CO-koncentrationer kan føre til røggaseksplosioner. CO dannes som et mellemprodukt ved forbrænding af kulstof til C0 2 Hvis der er større mængder CO til stede i røggassen, skyldes det de forhold, hvorunder forbrændingen finder sted og ikke selve brændslet. De væsentligste årsager til CO-emissioner er: dårlig opblanding af brændsel og forbrændingsluft, lav forbrændingstemperatur eller for lidt luft til fuldstændig forbrænding af brændslet. CO-emissionen kan reduceres ved at ændre de forhold, forbrændingen sker under.

16 DG C-rapport 12 CO-kurven på fig viser indflydelsen af luftoverskudstallet på dannelsen af CO. Som det ses, skal der normalt kun en meget ringe forøgelse af luft over støkiometrisk mængde til at reducere CO-dannelsen til meget små mængder. De oprindelige emissioner af CO for motorer og turbiner var omkring 1988 følgende: Maskintype CO-emission i mg/nm 3 omregnet til 5% 0 2 Traditionel gnisttændingsmotor 400 Turbine med annular brændkamre 120 (diffusionsflamme) Emissionsgrænse ved 30% elvirk- 650 ningsgrad (bekendtgørelse 1990) Tabel : CO-emissionsværdier Vedrørende CO-værdier for øvrige maskiner og rensningsteknikker se fig NOx-dannelse NO x -dannelse ved forbrænding sker ved 3 forskellige mekanismer. To af disse mekanismer, "termisk NO" og "prompt NO", sker ved nedbrydning af atmosfærisk kvælstof indeholdt i forbrændingsluften, mens der ved den tredie, "brændsels NO", sker en omdannelse af det kemisk bundne kvælstof i brændslet. Termisk NO har primært betydning ved forbrænding med luftoverskud og ved høj temperatur. Prompt NO-dannelse har betydning ved understøkiometrisk forbrænding. Disse forhold vil ofte være til stede i dele af flammen, hvorfor prompt NO også har betydning ved gasforbrænding.

17 DG C-rapport 13 Brændsels NO har ingen betydning ved naturgasforbrænding, da naturgas ikke indeholder kemisk bundet kvælstof. Ved naturgasforbrænding er det termisk NO, som er den væsentligste årsag til NO-emission. En stor reduktion af NO-emission kan derfor opnås ved at sænke flammetemperaturen. V ed forbrænding af naturgas i kedler består røggassens NOx' er typisk af 90-95% NO og 5-10% N0 2 I røggassen fra gasmotorer kan N0 2 udgøre op til 50% af NOx-indholdet. Der dannes andre NOx-forbindelser, men i mindre mængder, hvorfor de ikke er så betydningsfulde. NO x -emissionsfaktorer angives normalt som N0 2 -emissionsfaktorer, idet det antages, at NO bl.a. i atmosfæren i løbet af kort tid omdannes til N0 2 Det største miljøproblem ved de naturgasfyrede motor- og gasturbineanlæg har tidligere været høje NOx-emissioner. NOx-emissionerne er i løbet af de sidste 5-10 år blevet reduceret til10-20% af det oprindelige niveau. På de på fig og viste kurver ses NOx-dannelsen i atbængighed af luftoverskudstallet Som det ses, nås for motorer et maksimum ved et luftoverskudstal på 1,15-1,20. I dette område kørte man normalt før i tiden med de almindelige gnisttændingsmotorer, hvorfor NOx emissionen blev af antagelig størrelse. Med turbinekurven haves en stadig aftagende NOx dannelse med stigende luftoverskud. Skadevirkningerne af de dannede NOx'er er opstået ved, at de let reagerer videre til bl. a. salpetersyre og andre forbindelser. Endvidere tillægger man NOx-forbindelserne meget stor betydning som katalysatorer for en masse iltningsprocesser. Den "fotokemiske smog" skyldes

18 DG C-rapport 14 i høj grad tilstedeværelsen af NOx-forbindelser, og denne smog kan forårsage skader på dyr og planter. Lattergas, N 2 0, er en stærk drivhusgas og dannes ved gasforbrænding (i meget små mængder). Ved lean-bum forbrænding ses der dog en væsentlig forøgelse af N 2 0-emissionen. De oprindeligenox-emissioner var omkring 1988 følgende: Maskintype NO,.-emission i mg/nm 3 omregnet til 5% 0 2 Traditionel gnisttændingsmotor 7000 Turbine med annular brændkamre (diffusionsflamme) Emissionsgrænse ved 30% elvirk- 650 ningsgrad (bekendtgørelse Tabel 3.3.1: NOx emissionsværdier Her ses, at den almindelige gnisttændingsmotor ikke kan klare emissionskravene, og man er nødt til at anvende forureningsreducerende teknikker for at opfylde kravene. For turbiner med ældre teknik kan nogle klare kravene, andre må anvende forureningsreducerende teknikker. De turbiner, der sendes på markedet i dag, kan dog alle bringes til at opfylde de danske emissionskrav. Vedrørende NOx emissionsværdier for nyere maskiner og reduktionsteknikker se fig Tilstedeværelse af uforbrændt- "HC" Naturgas består hovedsagelig af metan, CH 4, (ca. 91 %), samt en række højere kulbrinter. Emission af disse uforbrændte forekommer i forbindelse med ufuldstændig forbrænding af naturgassen. Inden for visse anvendelsesområder kan forekomme emissioner på op til 3,5 g/nm 3 røggas.

19 DG C-rapport 15 Specielt for gasmotorer er der målt væsentlige emissioner af uforbrændt gas, hvilket igen hænger sammen med den instatianære forbrænding. Der er betydelige forskelle på emissionerne fra forskellige motorer. Der er ingen lovgivning vedrørende emissioner af uforbrændt i Danmark. Målt i forhold til C0 2 er metan en væsentligt stærkere drivhusgas pr. kg, hvilket betyder, at metanudslip i forbindelse med naturgasanvendelse reducerer naturgassens C0 2 -fordel tabel i forhold til kul og olie. Ofte benyttes CO som indikator for de uforbrændte, idet disse er mere besværlige at måle. Tilsvarende CO og NOx ses på fig en kurve for "HC"-dannelsens atbængighed af luftoverskudstallet Her ses det, at for luftoverskudstal voksende fra 1,25 til 1,55 stiger tilstedeværelsen af uforbrændt i røggassen. For turbiner haves normalt meget lave emitterede mængder af uforbrændt (mindre end 20 mg/m 3 n ved 5% ilt, tør). 3.5 Dannelse af andre stoffer (bl.a. SOx, PAH, H 2 0 og støv/sod) so x Emissionen af svovl fra forbrændingsprocesser opgøres som S0 2 Svovldioxid dannes ved forbrænding af brændsler, der indeholder svovlholdige forbindelser. Ved forbrænding med luftoverskud vil en del af svovldioxiden danne svovltrioxid (S0 3 ), som igen kan danne svovlsyre (H 2 S0 4 ) ved reaktion med vand. Ved forbrænding af naturgas i maskiner giver både svovlbrinte (H 2 S) og odorantstof (C 4 H 8 S) anledning til dannelse af S0 2

20 DG C-rapport 16 Svovlet stammer primært fra dette odorantstof (kaldet THT) fra svovlbrinte (H 2 S) eller ved dual-fuel motorer fra den olie, der anvendes som pilotbrændsel (5-8% af den indfyrede brændselsmængde ved fuldlast). Svovl vil kunne komme til at give problemer i forbindelse med dualfuel motorer, når disse er sat på udelukkende oliedrift (atypisk situation). I andre naturgasmotorer og turbiner er det som nævnt kun ringe mængder, der føres igennem, hvorfor der ikke er problemer med svovl og svovlforbindelser, bortset fra, at svovlet er med til at reducere katalysatorernes effektivitet. Doseres der 15 mg THT pr. nm 3 naturgas, svarer dette til en svovlmængde på ca. 6,4 mg/nm 3 naturgas. Der kan også komme et svovlbidrag fra maskinernes smøreolie. Her er bidraget i turbiner forsvindende på grund af det ringe olieforbrug, hvorimod for motorer kan olieforbruget være antageligt. Med et svovlindhold i olie og -additiver på 0.3 vægtprocent og et olieforbrug på 0.2 g olie pr. KWhe 1 fås herfra et svovlindhold på mg/nm 3 Det samlede svovlindhold (SOx indhold) i røggassen bliver derved, litt. /28/ ppm vol Dette er tal gældende for motorer med lavt olieforbrug og olie med lavt svovlindhold. I Gasreglementet er fastsat følgende grænseværdier for svovl i dansk naturgas: Totalt svovlindhold (inkl. odorant): Svovlbrinte: max. 150 mg/nm 3 gas max. 5 mg/nm 3 gas

21 DG C-rapport 17 Hvis grænseværdien nås, vil det medføre en S0 2 -emission på 0,008 kg/gj indfyret naturgas. PAH PAH er polycykliske aromatiske kulbrinter (ringforbindelser), der dannes ved forbrændingsprocesser og kan være kræftfremkaldende. Disse stoffer har dog hidtil på grund af deres ringe mængde ikke været betragtet som et problem. Der findes ikke målinger på koncentrationer fra motorer og turbiner. H 2 0 Det ved forbrændingen dannede vand emitteres på luftform sammen med den vanddamp, der allerede er i forbrændingsluften. Vandet betragtes i øvrigt ikke i denne forbindelse som en forureningskomponent. Øvrige stoffer De øvrige stoffer, så som argon, udgør sammen med uforbrændte smøreolierester mv. ikke noget forureningsmæssigt problem, idet der ligesom med svovl er tale om forsvindende mængder. I litt. /24/, hvor man har analyseret naturgas for tungmetallerne kviksølv, bly, cadmium, natrium, kalium, calcium, vanadium og strontium, har man kun med sikkerhed fundet bly i en koncentration svarende til udeluftens (0,6 J..'g/nm 3 ). Støv Støv-/soddannelse har hidtil ikke været et problem for naturgasdrevne maskiner. I forbindelse med lean bum motorer kan man kun forvente emission af følgende - Forbrændte motorolierester - Soddannelse ved forbrænding - Videresendt indsuget støvmængde

22 DG C-rapport 18 Der findes ikke større know-how på området. Fjernelse af sod/støv kan ske ved ftltrering og/eller efterforbrænding. Udover dette skal nævnes, at eventuelt katalysatorudstyr er meget følsomt for afsætning af støv eller sod.

23 DG C-rapport 19 4 Øvrig forurening Den øvrige forurening fra et motor- eller turbineanlæg kan deles ind i følgende kategorier: Støj Vibrationer Forbrugt olie Forbrugt kølevæske Rensemidler til varmeflader og øvrige maskindele Lugt Elektrisk felt Varme Støj emitteres både fra luftindtag/røgafkast samt fra maskineverflader og ophængningspunkter. Støj og vibrationer i et turbineanlæg giver normalt ikke problemer, idet der er tale om højfrekvent støj, som er nem at dæmpe. Støjudsendelse fra motorer giver derimod større problemer, idet støjemissionsniveauet er højt (omkring 100 db(a) mekanisk og 125 db(a) med udstødningen), og det er væsentligt dybere frekvenser, der emitteres. Problemerne her kan klares med dæmpende ophæng, afskærmninger, lyddæmpere og eventuelt selvstændige huse til maskinerne samt høreværn mv. Støjen skal dæmpes i overensstemmelse med Miljøstyrelsens vejledninger for ekstern støj og Bygningsreglementet. Jo større og mere langsomtgående motorer, jo lavere frekvenser vil der normalt optræde. Forplantningen af lave frekvenser gennem luft, bygninger mv. kan være betydeligt sværere at dæmpe end de tilsvarende høje. Støjen og vibrationerne er meget afhængige af de lokale forhold, opstillingsstedet, konstruktionerne mv. Støjemissionen er meget produktrelateret, og det er uklart, hvor meget fabrikanterne arbejder med at udvikle mere støjdæmpende maskineri.

24 DG C-rapport 20 På fig. 4.4 er angivet de støjdæmpende foranstaltninger, der normalt er nødvendige omkring en KV-motorinstallation. Lyddæmper Dæmpning ved anvendelse af mas- '--= ~1 sivt murværk (beton). ---U o o... Indsugnings dæmper Seperat fundament Fig Principskitse af støjmæssige foranstaltninger omkring kraftvarmeinstallationen Olieforbruget til turbiner er ikke stort. Motorolieforbruget er noget større. De anvendte olietyper kan være både mineralske og syntetiske. Forbrugt olie kan bortskaffes sammen med forbrugte køle- og rensevæsker til Kommunekemi. Herudover findes der for olien yderligere 2 muligheder: l) Afbrænding 2) Overdragelse til "godkendt" modtager

25 DG C-rapport 21 Der findes en række regler, som skal overholdes, hvis man vil benytte en af disse to muligheder at bortskaffe olien på. Der arbejdes en del med levetiderne på de af motorleverandørerne anbefalede olier. Normalt forløber der mellem 500 og 2000 drifttimer mellem skiftene. I sjældne tilfælde er set timer inden et skift. Olien "forbruges" på to måder, nemlig ved drift (gennem udstødssystemet) og ved olieskift. Behovet for supplering eller udskiftning af olien er stærkt motortypeafhængigt (fabrikat, oliesumpstørrelse), men også driftsform og motorens nedslidningstilstand har betydning. Smøreolieforbruget for en gasmotor ligger typisk på fra O, 1-0,8 g/kwhe, hvoraf langt den største del sker ved olieudskiftningen. Turbinernes forbrug ligger på mellem 0,002-0,06 g/kwhe. Det bemærkes, at syntetisk olie koster ca. 2-3 gange den mineralske olies pns. Langtidsophold i nærheden af elektriske felter er et af de forhold, der er blevet fokuseret på de seneste år. Man mener at have konstateret påvirkninger af mennesker, som bor i nærheden af høj spændingsledninger. Hvilken betydning dette vil få for personer, som er nødt til at opholde sig i nærheden af KV -anlæggets generator, er svært at vurdere. Endvidere findes der også beskyttelsesproblemer med afskærmning af elektriske felter overfor radio- og kommunikationsudstyr. Problemernes reelle omfang er ikke kendt. Motorer og turbiner afgiver varme i de rum, de er installeret i. Denne varme bliver borttransporteret af de krævede ventilationsanlæg.

26 DG C-rapport 22 Der pågår et arbejde med undersøgelse af lugtemission for motorer i Dansk Gasteknisk Center. Undersøgelsen forventes færdig medio 1995.

27 DGC-rapport 23 5 Rensningsteknologier 5.1 Oversigt I dette afsnit omtales de rensningsteknologier, der findes for de mest almindelige motortyper. På tilsvarende vis beskrives rensningsteknologier for turbiner. Vi har af oversigtsmæssige grunde valgt at gøre dette med skemaer, der i oprindelig form stammer fra litt. /23/. Skemaerne er udbygget med nyere teknologier. I skemaerne er endvidere vist typiske emissioner før og efter rensning. Rensningsudstyrets levetider og udgifter er nævnt med kvalitative indikationer. Emissionerne er både for motorer og turbiner angivet henført til 5 % 0 2 De angivne emissionsværdier eller reduktioner er omtrentlige og er i virkeligheden afbængige af fabrikat og model. Øverst i emissionsværdikolonnerne er under hver maskintype angivet omtrentlige værdier for de omkring 1988 eksisterende NOx, CO og HC emissioner. Nedenunder er ud for teknikkerne angivet de procentvise reduktioner, man kan forvente. I de efterfølgende afsnit har vi bl.a. kommenteret de enkelte tiltag i skemaerne. Tiltagene kan benyttes enkeltvis, men visse kan også anvendes kombineret med hinanden. Alle turbine- og motorfabrikanter arbejder med udvikling af teknikker til at reducere forureningen fra deres produkter, idet de forventer skærpede krav til emission, og emissionstallene er allerede i dag en konkurrenceparameter. Dual-fuel motorer og turbiner er ikke særligt udbredte i Danmark. Der findes kun enkelte motorer og pt. få landbaserede dual-fuel turbiner.

28 Oversigt - forureningsreducerende teknikker - Motorer Maskintype Emissionsbegrænsende teknologi Udstyrets egenskaber og Udstyrets placering Typiske emissionsværdier i funktion mg/nm 3 eller reduktionsprocenter ved 5% 0 2 tør Indikation af drift og vedligeholdelsesomkastninger Bemærkninger (evt. øvrige fordele/ulemper NO. CO HC Otto gasmotor med A = 1 (gnisttænding) Ingen 3 vejs katalysator Efterbrænding af alle 3 Udstødningssystem 99% 95% 70% forureningskomponenter Levetid 2-3 år. Forholdsvis kostbart. Kan ikke overholde emissionskrav Følsom, effektivitet reduceres med levetid (specielt HC reduktion) Befugtning Tilsætter damp eller vand til Ved forbrændingsluftindtag 60% 20% -20% forbrændingsluft efter turbolader På researchniveau Lean-burn motor med gnisttænding Ingen SCR (Selective Catalytic Reduction) Røggasrecirkulation Indsprøjtning af ammoniak l afkastkanal efter turbola- 90% -. og kat. forbrænding der Reducerer NO. Tilbageføring af røgkanal 60% - - til indtag (delstrøm) Anvendes hovedsage- lig kun på større dualfuel anlæg Omfattende og kostbar proces 3 typer: Åbent forbrændingsrum, Forkammer, Dual-fuel Uden reduktion af virkningsgrad 2 vejs katalysator (oxyderende type) Efterbrænding af CO og HC Udstødningssystem inden 95% 70% evt. SCR-katalysator Levetid 2-3 år Følsomt, effektivitet reduceres med levetid (specielt HC reduktion) Befugtning Tilsætter damp eller vand til Ved forbrændingsluftudtag 60% 20% -20% forbrændingsluft efter turbolader På researchniveau Gasdiesel 2-takts og 4-takts lpilotbrændsel) Ingen SCR (Selective Catalytic Reduction) 2 vejs oxyderende katalysator Partikelfilter Røggasrecirkulation Indsprøjtning af ammoniak l afkastkanal efter turbo- 90%.. og kat. forbrænding lader Efterbrænding af CO og HC Udstødningssystem inden. 90% 80% evt. SCR-katalysator Renser for sodpartikler Røgkanal Reducerer NO. Tilbageføring af røgkanal til 60% -. indtag (delstrøm) Omfattende og kostbar proces Begrænset levetid Ikke salvansugende Anvendes primært på større anlæg Følsomt, effektivitet reduceres med levetid 90-99% partikelfjern e Ise Uden reduktion i virkningsgrad Befugtning Tilsætter damp eller vand til Ved forbrændingsluftindtag 60% 20% -20% forbrændingsluft efter turbolader -- På researchniveau Note: minusværdier (-) betyder, at emissionen forøges Fig

29 Oversigt - forureningsreducerende teknikker - Turbiner Turbiner Ingen (diffusionsforbr.) Premix flamme (d ry low Blander gas og luft i over- Før brændkammer 80% -100% "") Forøger CO (og HC) NO,) skud Dampindsprøjtning Tilsætter damp til forbræn- Med primærluft 90% -100%..., Forøger CO (og HCI dingsluft Forbedrer elvirt<ningsgrad Vandindsprøjtning Med primærluft 90% -100% "") Giver energitab, forøger CO (og HC) SCR-katalysator Tilsætter vand til indsprøjt- l røggaskanal 95% - - Kostbar teknik Udslip af ammoniak ning af ammoniak Katalytisk forbrænding Forbrænding ved katalysa- l brændkammer 99% 95% 75% ca driftstimer Under udvikling tor max. før udskiftning 2-vejs oxyderende Efterbrænding af CO og HC Ud stødssystem + 90% 70% begrænset levetid Følsomt, effektivitet katalysator reduceres med levetid (specielt HC reduktion) Med efterbrænder Suppl. naturgasbrænder Ved udstødskedel """)...,..., - l Maskintype Emissionsbegrænsende Udstyrets egenskaber og Udstyrets placering Typiske emissionsværdier i mg/nm 3 eller Indikation af drift og Bemærkninger lavt. teknologi funktion reduktionsprocenter ved 5% 0 2 tør., vedligeholdelsesom- øvrige fordele/ulem- NOZ CO HC kastninger per l Note: Minusværdier (-) betyder, at emissionen forøges ") Det bemærkes, at for turbiner opgives forurening normalt ellers ved 15% 0 2 tør. Tal ved 5% 0 2 tør anvendes til sammenligning med miljøkrav *") Talværdier kendes ikke, men oprindelige HC værdier er meget små. Det er forventeligt, at forøgelsen af HC nogenlunde følger CO i procent. *l Kendes ikke, men reduktion af CO og HC må forventes Fig

30 DG C-rapport Turbiner Problemerne med emission fra turbiner er ikke så store. De krævede maksimale emissionerede mængder kan næsten overholdes for de mest simple/ældste turbiner. Moderne turbiner kan med margen overholde emissionskrav. NOx-emissionsta1let er det højeste af de 3 komponenter, og der er mulighed for at reducere NOx på bekostning af de to andre, hvis man ønsker det. Vil man samtidig reducere NOx og fastholde emissionsniveauet for CO og HC, skal man normalt anvende flere teknikker. For NOx gælder at: emissionen falder, når forbrændingens luftfaktor stiger se fig emissionen stiger eksponentielt med flammetemperaturen emissionen stiger se fig , med stigende brændkammertryk, se fig emissionen falder eksponentielt med stigende luftfugtighed -50 N o ~ GAS PREMIX LO ~ E 40 Q_.Q, f 30 x o z o 20 u 10 o o palbarp A = Pressure ol the combustor air Fig NO x og CO dannelse i afhængighed af kompressionstryk

31 DG C-rapport 27 -N o ~ o t.n,... "C > E a.. a.. >C o z l== ~ r r- l= ~... v l 1600 This study: 590/SOOK, ms, 1atm This study: SSOK, ms, 1 atm D Bahlmann& Visser: 565K, 1 atm l= ~ Sattalmayer et al: 693K, 1 atm ~ - Curva tit: Laonard&Stagmaiar, nearty perfaet premtxar f- Curve tit: Vissar&Levinaky f- å Altamlllk&Knaubar. ST.! K, 4-1 Obar A Altamanc&Knauber: 473K, 4-10bar o Aigner et al: 643K, 12atm l f- l= Aigner at al: 693K, 16atm ~ ' ~ _.,., o l-'" ~ v o. ' '., ~ 1 M ~ ~ ~ l -l ~"..,'llt a..., \1\''''' - ~~" l \ f~'"~ o 2000 k Fig NOx dannelse i afhængighed af fl.ammetemperatur U d viklingen på de naturgasbaserede turbiner foregår som regel på de større udgaver (50 MWe og opefter), men overføres efterhånden til de mindre typer. Der er sket en stor udvikling af selve forbrændingskammeret/-kamrene, som har givet anledning til reduktion af NOx (og virkningsgradsforbedring). Denne udvikling foregår stadig. Diffusionsflammebrændere (oprindelig brænderteknik) er i tidens løb forbedret ved ændrede dyser og varieret forbrændingszonelængder. Det må antages, at denne brændertype ikke vil blive etableret mere pga. tilstedeværelsen af mere moderne typer. Reducering af emissionen fra eksisterende turbiner skal ske ved eksterne teknikker. Nyere brændertyper er DLN (Dry Low NOJ bestående af to teknikker: Lean Premixed Combustion (LPM) Rich-Quench-Lean (RQL)

32 DG C-rapport 28 Ordet "Dry" betyder uden damp eller vand. Her er den første (LPM) kommercielt tilgængelig på turbiner i den mest aktuelle størrelse, 3-10 MW 0 Karakteristisk for teknikken er luft i overskud forblandes med naturgas inden forbrænding. Flammetemperaturen er ensartet og lav. Den anden type (RQL) er hovedsagelig under forskning og udvikling og kan beskrives ved følgende figur: Air Fuel il ~ Air Premix Ric h Ouench le an Fig Rich-Quench-lean princip Har man med dampindsprøjtning og vandindsprøjtning at gøre, sker de i den første del af brændkamrene og giver anledning tillavere flammetemperaturer samt højere CO-emission. SCR anvendes normalt i et to-trins emissionskontrolsystem, hvor DLN eller damp-/vandindsprøjtning er det første. Denne metode benyttes, når der kræves meget lave NOx-værdier. Anlægget har et layout som vist på fig :

33 DG C-rapport 29 lille k Fig SCR anlæg i forbindelse med turbineanlæg hvor det dog må bemærkes, at der også er vist en CO-katalysator til reduktion af CO og HC. Der har været arbejdet med katalytiske forbrændinger i brændkamrene. Dette område er dog stadig under forskning og udvikling og ikke kommercielt tilgængeligt for turbiner i "danske" størrelser. En efterforbrænding med tilsat naturgas uden katalysator vil være alt for energikrævende og give et endnu dårligere forhold mellem elvirkningsgrad og varmevirkningsgrad for anlægget. Efterbrænderløsningen er derfor ikke relevant som emissionsbegrænsende udstyr. 5.3 Motorer Problemerne med emission fra motorer er noget større end med emission fra turbiner. Med motorer er man nødt til at anvende en eller anden form for emissionsbegrænsende udstyr for i hvert fald de mest forurenende motortyper. Mindre Otto-gasmotorer (op til 500 kw) forsynes ofte med 3 vej s katalysatorer, som begrænser alle 3 forureningskomponenter. Kataly-

34 DG C-rapport 30 satoren virker reducerende på kvælstofoxid og oxyderende på CO og HC. Der dannes (groft forenklet) N 2, C0 2 og H 2 0. At tilsætte vand eller vanddamp er et forslag til ny teknologi. Det, man kunne forvente, er lavere motortemperatur og dermed mindre termisk NOx-dannelse. Det har også vist sig i praksis, at man kan opnå en kraftig NOxreduktion. Desværre tyder de foreløbige bivirkninger på, at: elvirkningsgraden reduceres mere end ved luft tilsat i overskud mængden af uforbrændte kulbrinter øges, hvorimod CO-dannelsen reduceres svagt Lean-bum motorer har kun lav NOx-dannelse og emission. Hvis man også skal have reduceret CO og HC, er oxiderende katalysatorer et godt "ydre" supplement. SCR (med 25% ammoniakopløsning i vand) og røggasrecirkulation er metoder til yderligere reduktion af NOx-emission og anvendes, hvor kravene er meget skrappe. (Foreløbig findes et anlæg i Danmark og anlæg overvejes kun visse steder i USA). Derudover anvendes de fortrinsvis til de større dual-fuel motorer. SCR er nok den mest kostbare teknik, både i drift og anlæg. Det bemærkes, at der i litt. /3/ også findes danske grænser for utilsigtet ammoniak (NH 3 ) emission. Vedrørende SCR anlægget se afsnit 5.2. Turbiner, hvor det samme anlæg er afbildet, men koblet til en turbine.

35 DG C-rapport 31 6 Miljøkrav - Miljøpolitik Miljølovgivningen omfatter: Lov nr. 358 om miljøbeskyttelse af 6. juni 1991 og dertil hørende bekendtgørelser: Bekendtgørelse nr. 794 af 9. december 1991 og godkendelse af listevirksomhed Bekendtgørelse nr. 367 af 10. maj 1992 vedr. anden virksomhed end listevirksomhed Bekendtgørelse nr. 532 af 20. juni 1992 om godkendelse fra eksisterende listevirksomheder Hvem er omfattet af lov om miljøbeskyttelse? De kraftvarmeproducerende anlæg, som er omfattet af lov om miljøbeskyttelse, og som derfor skal godkendes, er gasturbine- og gasmotoranlæg med en indfyret effekt på over 5 MJ/s. Nye anlæg skal godkendes før påbegyndelse af byggeri. Eksisterende anlæg skal ansøge om miljøgodkendelse inden l. januar Godkendelsespligtige virksomheder og anlæg betegnes listevirksomheder, idet der referes tilliste i Bekendtgørelse nr. 532, bilag l (ikke medtaget). Listevirksomheder er (groft fortalt) virksomheder i brancher, som traditionelt har forurenet meget (udbygning af de gamle "kapitel 5" virksomheder). Uden for listen er bolig-, kontor- og lignende virksomhed samt øvrige virksomheder i brancher, der traditionelt ikke forurener så meget. Anlæg med indfyret effekt mindre end 5 MJ/s skal ikke godkendes, men skal anmeldes til kommunalbestyrelsen, der har hjemmel til at stille krav om yderligere forureningsbekæmpende foranstaltninger, hvis det skønnes påkrævet.

36 DGC-rapport 32 Endvidere gælder for anlæg over 120 KJ/s indfyret nedre brændværdi: NOx- og CO-emissioner fra gasmotorer og gasturbiner er reguleret af: Bekendtgørelse om begrænsning af kvælstofoxidforurening m. v. fra gasmotorer og turbiner, nr. 688/1990. I denne bekendtgørelse er bl.a. fastsat følgende: Grænseværdier 3. Emission af kvælstofoxider (NOx regnet som NO:z) fra nye anlæg, jfr. 2, stk. 2, må ikke overstige 650 mg/nm 3 tør røggas ved en elvirkningsgrad på 30%. Stk. 2. Emissionen af kulilte (CO) fra nye anlæg, jfr. 2, stk. 2, må ikke overstige 650 mg/nm 3 tør røggas ved en el virkningsgrad på 30%. Stk. 3. Grænseværdierne i stk. l og stk. 2 ændres proportionalt i op- eller nedadgående retning afhængig af elvirkningsgraden. Stk. 4. De i stk. l og 2 nævnte grænseværdier refererer til et 0 2 -indhold i røggassen på 5%. Stk. 5. De i stk. l og 2 nævnte grænseværdier beregnes som timemiddelværdi ved fuldlast Stk. 6. Eksisterende anlæg, jf. 2, stk. l, skal overholde de i stk. l og 2 nævnte grænseværdier senest den l. januar NOx (NO og N0 2 ) regnes som N0 2 Ved nye anlæg forstås anlæg idriftsat efter Anlæg idriftsat før skal overholde grænseværdierne senest Der er altså ikke krav til "faststof"- eller "uforbrændt"-emissionen i dansk lovgivning. Som det ses af stk. l og 2 er elvirkningsgraden knyttet til emissionsgrænser i og med at højere virkningsgrad end 30% tillader højere (propotional) emission. Ved elvirkningsgrad på 35% tillades således: mg/nm 3 = 758 mg/nm 3 30

37 DG C-rapport 33 Bekendtgørelsen fastlægger endvidere regler for, hvorledes emissionerne kan dokumenteres. De nye regler fra 1990 på luftforureningsområdet udgør generelt en stramning i forhold til de tidligere og dækker, for naturgassens vedkommende, områder, som ikke tidligere har været reguleret. Her tænkes især på gasmotorområdet, idet emissionsgrænserne nødvendiggør et valg af NOx-reduktionsmetode, når et nyt motoranlæg skal etableres. Ved anvendelse af lean-bum princippet kan NOx-grænseværdierne for motorer overholdes, mens CO-emissionen ofte vil ligge tæt på grænseværdien. Gasturbinerne forventes at kunne opfylde kravene fremover, idet udviklingen af lav-nox-brændere har betydet en væsentlig reduktion i NOx-emissionen. Dette gælder især for de større turbineanlæg. I Bilag l er angivet de nationale grænser for røggasemissioner fra motorer og turbiner. De nævnte nationer er Schweiz Tyskland Danmark Spanien Frankrig England Italien Holland Emissionsgrænserne er vist i ensartede enheder, og der gælder grænser for NOx, CO, uforbrændt (HC), støv/sod og SOx. Det, der i denne forbindelse er interessant, er, at det kun er Tyskland og Italien, der har grænser for uforbrændt (England har delvis for de lidt større anlæg).

38 DG C-rapport 34 Danske grænser for emission af sod fra fyringsanlæg er angivet i litt. /3/ til 5 mg/norm m 3 røggas (naturgasfyret anlæg 120 kw-50 MW). Denne grænse er ikke anført i bilag l. Det bemærkes dog, at grænsen er en 11 Vejledningsværdi 11 Med hensyn til NOx-kravene er Danmark placeret i den restriktive ende for motorer, men for turbiner er der flere lande, der har skrappere krav. Ud over de nævnte lande kan nævnes, at USA har individuelle, lokale langt skrappere krav. Så vidt vides, er der ikke i øjeblikket lovrevisionsarbejde i gang med henblik på at skærpe de danske emissionskrav. Med hensyn til EU ligger følgende direktivforslag til vedtagelse: - 11 direktivforslag om begrænsning af emissioner fra stationære gasturbineanlæg (indeholder forslag til emissionsgrænser for NOx, CO, so2 og støv) 11 Kravene til svovlemission er indirekte, idet kravene er, at gasolie ikke må indeholde mere end 0.3% svovl. Vedrørende støjforhold gælder, at vejledende grænseværdier for støjbelastning samt anvisninger på måling af ekstern støj er fastlagt i 2 vejledninger, nr og 6/1984 fra Miljøstyrelsen. Endvidere anviser Miljøstyrelsens Vejledning nr. 5/1993 hvorledes en støjbelastning kan beregnes. Vejledningen omfatter ekstern støj fra virksomheder, hvilket i praksis også omfatter anlæg til energiomsætning, fx. fjernvarmeværker. Tabel 6.1 viser de vejledende grænseværdier for støj. Støjgrænserne er differentieret efter støjkildens placering (boligområde, industriområde, mv.) samt efter tidpunktet på døgnet.

39 DG C-rapport 35 Tidsrum Mandag-fredag Mandag-fredag Alle dage Id kl Id lørdag lørdag Id Id søn- og hel. dag Omridetype Id (faktisk anv.) 1. Emvervø- og industriområder Emvervs- og industriområder med forbud mod generende virksomheder Områder for blandet boligog emvervsbe byggelse, centerområder (bykerne) Etageboligområder Boligområder for åben og lav boligbebyggelse Sommedtusom råder og offentligt tilgængelig rekreative områder. Særlige naturområder Kolonihaveområder Varierende 8. Det åbne land (incl. landsbyer og landbrugsarealer) Varierende Tabel 6.1. Vejledende grænseværdier for støjbelastningenfra virksomheder målt udendørs. Tallene er angivet som det ækvivalente, korrigerede støjniveau i db(a) somfunktion af tidsrum og områdetype. Yderligere beskrivelse af grænseværdierne er givet i vejledningen. (Nr. 5/1984, Miljøstyrelsen).

40 DG C-rapport 36 Grænseværdierne vedrører den støj der påføres omgivelserne, og ikke den støj som virksomheden udsender. Grænseværdierne er derfor immissionsgrænser, som måles uden for virksomhedens område (normalt i skel). De i tabel 6.1 anførte grænseværdier er fastlagt ud fra den forudsætning, at de skal overholdes inden for følgende tidsrum. Fra kl skal grænseværdierne overholdes inden for det mest støjbelastede tidsrum på 8 timer. Fra kl skal grænseværdierne overholdes inden for den mest støjbelastede time. Fra kl skal grænseværdierne overholdes inden for den mest støjbelastede halve time. De tilsvarende eksterne støjgrænser for Tyskland og Holland, er til sammenligning med de danske vist i tabel 6.2. Tabe/6.2 Områdetype Tyskland Holland Danmark db (A) db (A) db (A) Boligområde 50/ /35. Blandet 60/ /40. Industri * da g (/nat De danske krav til støj skal være opfyldt i naboskel, hvor i mod de tyske krav skal opfyldes ved måling 0,5 m foran vindue i tættestliggende bolig/ opholdsrum. Internt i en ejendom med en integreret central med motor eller turbineanlæg gælder, efter det netop udkomne bygningsreglement:

41 DG C-rapport 37 - Særligt generende støj kan forekomme i maskincentralen. - Tekniske installationer må ikke give et støjniveau i beboelsesrum og køkkener på mere end 30 db. - Tekniske installationer må ikke give et støjniveau på mere end 40 db umiddelbart uden for bygningernes vinduer og på rekreative arealer, herunder altaner, tagterrasser, uderum og lignende. - Installationer i erhvervsenheder i beboelsesbygninger, hoteller, plejeinstitutioner mv. må ikke give et støjniveau på mere end 30 db i omliggende beboelsesrum. - Støjniveau fra tekniske installationer må i undervisningsrum ikke overstige 35 db. Som det ses er danske støjkrav meget restriktive, og kan for specielt motoranlæg placeret integreret i en bygning med andre funktioner være meget svære at opfylde. Så vidt vides er der ikke planer om opstramninger på hverken de interne eller eksterne støjkrav.

42 DG C-rapport 38 7 Maskinstyringer - styring af gas/luft-forhold Korrekt styring og kontrol af gas/luft-forholdet er væsentligt for gasmotorens og gasturbinens funktion. På grund af opgavens omfang og det for turbiner knapt så vigtige emne er det undladt at undersøge og beskrive, hvad der findes af forskellige former for turhinestyringer, hvorfor dette kapital kun kommer til at omhandle motorstyrloger. For motorer med 3-vejs katalysator skal gas/luft-forholdet holdes inden for meget snævre rammer for at sikre effektiv rensning af alle 3 uønskede røggaskomponenter (NOx, CO og HC). For lean-bum gasmotorer er det væsentligt at arbejde med korrekt gas/luft-forhold for at sikre høj elvirkningsgrad samt den ønskede sikkerhed mod bankning. For tynd gas/luftblanding vil give et fald i elvirkningsgrad og for meget uforbrændt samt eventuelt problemer med svigtende tænding. En fed blanding vil give øget risiko for bankning (tændingsbanken). En række af de pt. anvendte styringsprincipper vil blive beskrevet i det følgende: 7.1 Fast indstilling På en række af de pt. installerede gasmotorer anvendes en fast indstilling af gas/luftforholdet Dette kontrolleres og justeres om nødvendigt, typisk ved de 2000 timers servicebesøg. Kontrollen foretages ved måling af ilt-% i røggassen. Der er en nøje sammenhæng mellem ilt % og lufttal (luftoverskud), selv for brændselsgasser med varierende sammensætning, se fig

43 DG C-rapport 39 Ot og COt. Vol. (tør) o \ l l A 1 / ~ l/ l j_ 1 / l l l. l l. l l l i l ~ V i l OCC/9~ ' -- l/! 1 l 10 \. l /! l \ l "' 9 x l l! l j 8! "" / l l l 1. l ' l ' ; ' l l l l 1'-_j l 1 1 l l ---:--_1 l l l l l l l l l 1 l l l l l l l l l l l Lufttal COz Fig Sammenhæng mellem ilt-% i røggas og lufttalfor gasforbrænding Ved fast indstilling af gas/luft-forhold uden løbende egenkontrol og justering, kan dette "skride" som et resultat af f.eks. tilsmudsning af luftfiltre samt ændres lidt som resultat af klimatiske forhold. Jævnlig kontrol af ilt-% samt regisrering af udetemperatur samt temperatur før og efter eventuel turbolader giver en indikation af, om forholdet ændrer sig. 7.2 ~ sonde (lamda-sonde) På en række gasmotorer anvendes en såkaldt lamda-sonde til at kontrollere og justere gas/luft-forholdet. Lamda-sonden er i realiteten en iltmåler, oftest af zirkoniumoxid typen. Sonden måler således løbende ilt-procenten i røggassen og justerer på baggrund heraf gas/luft-forholdet, oftest ved justering af luftmængden.

44 DG C-rapport 40 Såfremt motoren også kan arbejde ved dellast, vil styresystemet ofte have indlagt en set-punkts kurve for ilt-% ved de forskellige lasttrin. På figur og er vist et eksempel på en lamda-sonde samt en principskitse af et motoranlæg med lamda-sonde. Motoranlægget på figur er udstyret med 3-vejs katalysator, som kræver en meget nøje indstilling af gas/luft-forholdet for at sikre korrekt funktion af katalysatoren. sensor voltage exhaust gas Fig Eksempel på lamda-sonde

45 DG C-rapport 41 Control SySllill, ~ , lombdo : : sensor ~ ' Air Nohrol Gas Ttree woy Cololysl Fig Principskitse af gasmotoranlæg med lamda-sonde Korrekt montering af lamda-sonden er væsentlig. Lamda-sonder er typisk følsomme overfor tilsmudsning. Sonderne skal endvidere holdes opvarmede (elektrisk opvarmning) for at have korrekt funktion. Sondernes måleprincip bygger på en sammenligning med atmosfærens indhold af ilt. Sonderne skal således også have uhindret adgang til indeluften og keramikken, der adskiller røggas fra luft, skal være hel og intakt. Det er vanskeligt helt præcist at kontrollere sondens funktion. Der kan dog som nævnt under afsnittet "fast indstilling" foretages rutinemæssig måling af røggassens ilt-% og foretages registrering af urlstødstemperatur samt røgtemperatur før og efter eventuel turbolader. For motorer med 3-vejs katalysator og lamda-sonde, er sådan kontrol ikke fuld tilstrækkelig til sikring af korrekte arbejdsforhold for 3-vejs katalysatoren. 7.3 Styring baseret på forbrændingstemperatur Et motorfabrikat anvender temperaturfølere placeret i de enkelte cylindre til kontrol og styring af gas/luft-forholdet tillean-bum gasmotorer. Temperaturfølerne sidder i forbrændingskammeret og måler en form for forbrændingstemperatur. Hvis temperaturen stiger, er det

46 DGC-rapport 42 tegn på, at gas/luft-blandingen bliver federe, og de korrigerer på luftmængden indtil ønsket (set-punkts) temperatur igen nås. Styresystemet har mulighed for at have forskellige setpunktskurver indlagt, eksempelvis afhængigt af, hvilke røggasbestemmelser, der skal honoreres. Temperaturfølerne kan supplerende anvendes som tændingsovervågning. Dette motorstyringssystem er i fabrikat MWM Deutz og kaldes TEM (Total Electronic Management). Systemet bliver løbende optimeret, men der forventes snart en ny opgraderet version, som fra en skæringsdato vil blive leveret med de nye motorer. Det opgraderede system forventes at kunne have ydelse på motorerne inden for en fastlagt emissionsramme. 7.4 Forbrændingshastighed Et motorfabrikat anvender måling til forbrændingshastighed til styring af gas/luft-forholdet tillean-bum gasmotorerne. I hver cylinder sidder en lille sensor. Tiden mellem frigørelse af tænding (gnist fra tændrør i forkammer) til flammefronten passerer sensoren i cylinderen måles og sammenlignes med det ønskede. Er tiden for kort svarende til højere forbrændingshastighed, svarer dette til, at gas/luft-blandingen er for fed. Der er tale om korte tidsforløb, typisk 3,5-4,5 milisekunder. Princippet kan indgå i tændingsovervågning. 7.5 Styring baseret på udstødstemperatur Et fabrikat anvender måling af udstødstemperatur før turbolader til justering af gas/luft-forholdet. Stigende udstødstemperatur er tegn på for fed gas/luft-blanding. På denne motor tryksættes alene forbrændingsluft i turboladeren, og ved justering af et bypass kan luftmængden derfor justeres på baggrund af registrering af udstødstemperatur.