Fremtidens brændeovne

Transkript

1 Fremtidens brændeovne modellering med henblik på avanceret design og styring Lasse Rosendahl Institut for Energiteknik Aalborg Universitet 1

2 Program Baggrund Vision Brændeovne er populære møbler i danske og udenlandske hjem og der bruges mere træ end hidtil antaget Øget opmærksomhed på miljømæssige aspekter ved brændeovnsfyring Brændeovne skal også i fremtiden kunne leve op til forbrugernes og samfundets krav til dem Metoder Avancerede analyse og designteknikker integreres 2

3 Baggrund Der er ca brændeovne i DK men de bruger ca 60% mere træ end antaget (ca 19.6PJ) (Teknologisk Institut 2006) Brændeovne og brændekedler står for næsten 50% af PM2.5 og PM10 partikeludledning i DK 1) og heraf er træ absolut dominerende Stort projekt igangsat 2006 (DMU mfl) for at kortlægge partikeludslip fra brændeovne WOODUSE Fokuserer fra skorsten og ud Dette projekt fokuserer på de primære processer - selve brændeovnen Fra brænde til skorsten Illerup&Nielsen ) Danmarks Miljøundersøgelser DMU Miljøstyrelsen, miljøprojekt nr 1021

4 Vision for projektet 4 Fremtidens brændeovn Lavere partikeludslip Lavere Stor regulerbarhed emissioner Design Flexibilitet Æstetik Avanceret Erfaring teknologi Viden Samarbejde

5 Avancerede målinger 5 Metode i fase 1 State-of-the-art brændeovn 2007 Samarbejde Innovation Fremtidens brændeovn Computerbaseret modeldannelse CO2

6 Avancerede målinger Standard målinger af Temperatur (flere positioner) CO, CO2, mfl Forbrændingsrate Derudover On-line måling af partikeludslip Mængde Størrelsesfordeling Røntgenanalyse af partikelsammensætning Elektronmikroskopi IR (InfraRed) analyse Formålet er at kortlægge forbrændings- og emissionsprocesserne i meget høj detaljeringsgrad til brug ved modeludvikling og -validering 6

7 Avancerede målinger Vægt 2 1,8 1,6 1,4 Vægt [kg] Træk [Pa], CO [%] og CO2 [%] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 12:00:00 12:30:00 13:00:00 13:30:00 14:00:00 14:30:00 15:00:00 15:30:00 Klokke [tt:mm:ss] Emission 14, , , , , ,00 40 TOC [100ppm] Vægt korr [kg] Træk [Pa] CO [%] CO2 [%] CO2 Tunnel [%] TOC [100ppm] 2, , :00:00 12:30:00 13:00:00 13:30:00 14:00:00 14:30:00 15:00:00 15:30:00 Klokke [tt:mm:ss]

8 8 Avancerede målinger Partikler Hul CO2

9 Avancerede målinger Antal partikler/m3 1,0E+09 1,0E+08 1,0E+07 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 1,0E+00 0,11 Grundstof 0,14 Målinger med LAS-X Partikel størrelsesfordeling i fortyndingstunnel Gennemsnit af 3 hele fyringsrunder 0,18 0,23 0,30 0,40 0,53 0,68 0,88 1,25 Partikel størrelse [my] microgram (microgram/nm3 i fortyndingstunnelen) 1,75 PM2.5 2,50 3,75 Si 6,7 (12,0) 8,8 S 4,2 (7,5) 4,6 Cl 19 (34,0) 25 5,25 % 6,75 7,50 K 29 (51,9) 38 Fe 3,4 (6,1) 4,5 Zn 14 (25,0) 18 9

10 Computermodellering Ønske om at være i stand til at modellere samspillet mellem design, regulering og processerne i brændeovnen virtual prototyping Udbrænding af træstykker Varmetransmission Emissioner Dannelse og transport af ex. CO Dannelse og transport af partikler Regulerbarhed Partikeludslip Emissioner Varmefordeling Visuelt indtryk Design Drift Luftfordeling Brændsel 10

11 Computermodellering CFD CFD Computational Fluid Dynamics Opdeling af domæne i diskrete 3D volumener (ca 1,000,000) Approximation af 2.ordens partielle differentialligninger til bestemmelse af Temperaturfelt Koncentrationer Hastigheder & turbulens Dannelsesmekanismer Løsning på clustersystemer nødvendig for fuld løsning mindre beregninger på PC 11

12 Computermodeller - partikeludslip Dannelse af små partikler kan primært ske ved 2 mekanismer Fordampning og kondensering af inorganiske stoffer Dannelse af sod Vigtige parametre Temperatur Opholdstid Iltkoncentration Turbulens Stoffer i brændslet 12 ETC Energy Technology Centre

13 Konklusioner Der vil blive stillet store krav til fremtidens brændeovn Forbrugere æstetik, nærmiljø, pris Samfundet nær- og fjernmiljø, emissionsgrænser Dette projekt forbereder producenterne på at leve op til disse ved at Kombinere producenternes viden og erfaring med Vidensinstitutionernes kompetencer Måleteknik Computersimulering Analysemetoder Resultatet heraf er Et værktøj, der vil hjælpe producenterne til større forståelse og en målrettet, innovativ designproces 13

14 Rammer for projekt Nordjyllands Regionale Teknologicenter for Energi Partnere RAIS A/S The art of Fire Morsø Jernstøberi A/S Teknologisk Institut, Århus Institut for Energiteknik, Aalborg Universitet Fase 1 afsluttes medio 2007 Fase 2...? 14