Forbrænding af biobrændsler

Transkript

1 Forbrænding af biobrændsler Anders Evald HOFOR IDA Energi kursus Forbrændingsteknik teori og praksis Hvidovre, november 2016

2 Presentation Anders Evald Mechanical engineer specialized in energy technology Wood and straw for energy 23 years in FORCE Technology, biomass energy 3 years in HOFOR, biomass and sustainability Planning, feasibility, R&D, consultancy General specialist... and beer geek 2

3 HOFOR Denmark s largest utility company within our core business areas 1300 employees More than one million customers in the Greater Copenhagen Area Annual investments in pipes, refurbishment and wind turbines of more than 1 billion Danish kroner Fixed assets of more than 17 billion Danish kroner (+2 billion )

4 Fjernvarme i og omkring København Danmarks største fjernvarmeområde 6 store producenter Mange mindre producenter Affald, kul, træpiller, naturgas, olie 18 kommuner 1 mio. slutbrugere 35 PJ varme pr. år 20 % af Danmarks fjernvarme Strategi: bæredygtige byer

5 Brændsler

6 Terminologi Biomasse = rene biologiske produkter, ikke affald Piller: typisk 6-10 mm diameter Briketter: typisk 5-15 cm diameter Skovflis = flis produceret direkte fra skoven Savværksflis = flis produceret i den primære træindustri Rummeter = rm = fastmasse + luft Anvendes på adskillige måder Bulk Skovrummeter Kasserrummeter Rummeter savet og kløvet m 3 = fastmasse 1 rm savværksflis = 1 rm skovflis af gran/fyr Vandindhold opgives i % af totalvægt 6

7 Typical values Moisture % Heating value (LCV) MJ/kg (dry) Ash % (dry) Potassium g/kg (dry) Silicate g/kg (dry) Chlorine g/kg (dry) Straw (wheat) Wood pellets Willow Wood chips * * from logging residues of conifer wood 7

8 Halm, flis og piller Halm Skovflis Træpiller Handelsenhed ton ton (vandindhold) ton baller rummeter (rm) Rumvægt 140 kg/m3 270 kg/m3 680 kg/m3 (190 kg/m3) Brændværdi 14,5 GJ/ton 9,35 GJ/ton 17,5 GJ/ton (ved 45% vand) Pris (ca.) 40 kr./gj 50 kr./gj 75 kr./gj 8

9 Valg af brændsel Brændslets pris: kroner pr. Gigajoule Leveringsmuligheder: lokalt (f.eks. mulighed for leverance fra eget land- eller skovbrug eller træindustri) eller international handel Leveringsikkerhed Afgrænsning i forhold til affald Eventuelle krav om fleksibilitet i forhold til andre brændsler Forventninger om driftsstabilitet Samspil med kedellevereandør 9

10 Halm

11 Conditions for success - feasibility Competitive fuel energy cost (DKK/GJ) Low-cost production Access to off-takers Careful and intelligent planning Address technical issues Public support 11

12 Straw consumption in Denmark, TJ 12

13 Flis

14 Wood chips production 14

15

16

17 Wood chips in Denmark, TJ

18 Wood chips moisture 18

19 Brændværdi og vandindhold Tørstof i 1 kg brændsel Vand i 1 kg brændsel H n = 19,00 MJ/kg 0,6 2,45 MJ/kg 0,4 = 10,42 MJ/kg Varme fra tørstoffets forbrænding Varme til fordampning af vand 19

20 Brændværdi af træ (1) 20,0 Brændværdi i MJ/kg TS 15,0 10,0 5,0 Basis: brændsel 0,0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% Vandindhold i procent af totalvægt 20

21 Brændværdi af træ (2) 20,0 Brændværdi i MJ/kg TS 15,0 10,0 5,0 Basis: tørstof 0,0 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% Vandindhold i procent af totalvægt 21

22 Træpiller

23 Wood pellets 23

24 Wood pellets in Denmark, TJ

25 Pillepresse 25

26 Quality of wood pellets Quality is an issue ISO standards in place: ISO 17225, parts 1 and 2 Standards & certification An internationally recognized system necessary Provides documentation for importers that product specifications are observed Sales driver Secures a constant level of product quality Increased focus on sustainability New certification system in operation SBP (Sustainable Biomass Partnership) EU regulation in preparation 26

27 Transport and delivery of pellets small bags (15 25 kg) big bags ( kg) bulk delivery (truck) ship loads 27

28 Anlæg til forbrænding af biomasse

29 Kilde: Energistyrelsen 29

30 Range of bioenergy systems Wood stoves and fireplaces Log wood boilers Boilers for farms using straw Boilers for houses, wood chips or pellets Boilers for large buildings 140 District heating systems Small lndustrial heating systems 4 Large industrial heating systems 3 Industrial CHP systems (wood industry) 14 CHP for district heating 4 Large power stations 60 Waste to energy lines, most with CHP 30

31 140 of 460 district heating plants use biomass 31

32 Biomass consumption in district heating Number of heat only boilers and CHP units 32

33 Større anlæg

34 Grundprincipper TTT (hvor mange gange skal vi sige det?) Stor andel af gasfaseforbrænding Veje til god forbrænding af biobrændsler: Trinopdelt forbrænding Isoleret forbrændingszone Effektiv indblanding af sekundærluft Rigtig dimensionering af primær og sekundært forbrændingskammer (opholdstid) Udnyttelse af brændkammeret (strømningsfordeling) Ensartet temperaturfordeling (kontrolsystem) Avancerede kontrolsystemer 34

35 Vandrerist 35

36 Moderne ristefyret kedel 36

37 Example: District heating plant (wood) 37

38 Vibrationsrist 38

39 B&W Vølund water cooled vibration grate 39

40 JVP steel vibration grate for Fyn 40

41 CFB kedel 41

42 CFB-forbrænding AMV4

43 Foster Wheeler CFB

44 New furnace design: Dall Energy Multibrændselsovn No hot moving parts Low flue gas dust Load control (10-100%) Fuel flexibility 44

45 CFD som værktøj til optimering Overall design of furnace Detailed analysis of temperature in furnace Detailed analysis of velocity destribution in furnace 45

46 Kraftvarme på biobrændsler

47 Straw-fired CHP plant 47

48 Boiler interior, Rudkøbing 48

49 Straw ash, Rudkøbing 49

50 Straw fired steam boilers in Denmark Plant Boiler make Capac ity kg/s steam Year of comm isioni ng Press ure bar SHtemp C Cleaning Other remarks Haslev Vølund 7, Steam soot blowers + drop balls Rudkøbing BWE 3, Steam soot blowers + hammer Slagelse Aalborg Steam soot blowers + drop balls Water soot blowers (furnace) + steam soot Måbjerg Vølund blowers + slagging SH 2005 the original N-gas fired SH was repaced with a biomass fired SH (520C). Masnedø BWE 12, Steam soot blowers + slagging SH Maribo- Sakskøbing FLS Miljø 13, Steam soot blowers + slagging SH Avedøre 2 FLS Miljø - BWE - Vølund Steam soot blowers + slagging SH Designed for 583C SH steam temp; operated at 540C Fyn 8 Bioener Lisbjerg BWE

51 Småskala kraftvarme: er teknikken klar? Fordi: Samproduktion af el og varme Kerneproblemer: Virkningsgraden er for lav Investeringen er for høj Teknologier: Dampturbine ORC (Organic Rankine Cycle) Stirling motor Forgasning til motor Indirekte fyret gasturbine Succesfuld demonstration af de fleste 50% 40% 30% 20% 10% 0% El-virkningsgrad til sammenligning 19% Biomasse kraftvarme, lille skala 43% Moderne kraftværk, stor skala 51

52 Kraftvarme: det virker for de store Større decentrale kraftvarmeværker Randers, Herning, Holstebro: det virker Samfyring på kraftværker: OK Dampturbineanlæg, kendt teknologi Massiv omstilling til biomasse på vej i de store fjernvarmebyer Videre i sporet, som er sat af Avedøreværket Flere store kraftværker omstilles fra kul til biomasse: AVV1, Skærbæk, Studstrup Nybyg: AMV4 Virkningsgrad optimeres for varme Flere halvstore anlæg på vej 52

53 Damptemperatur udvikling Kilde: Steffen Hørlyck, DONG Energy 2016: optimering efter varmeproduktion 53

54 Støvbrændere

55 Dust burner The fuel is milled into a fine powder pulverized fuel or PF 55

56 Dust burner 56

57 Direct and indirect co-firing Torrefaction Coal 4 5 Mills Gasifier Burners Boiler Stack Flue Gas Treatme nt Pretreatmen t 1 Mills 2 3 Steam Turbine Biomass Each co-firing route has its own (unique) operational requirements and constraints and specific demands on the fuel quality 1. Co-milling of biomass with coal 2. Separate milling, injection in pf-lines, combustion in coal burners 3. Separate milling, combustion in dedicated biomass burners 4. Biomass gasification, syngas combusted in furnace boiler 5. Co-milling of torrefied biomass with coal 57

58 Torrefaction opgradering af biomassen Dry biomass 0.3 Gas 0.1 Torrified biomass 1 Torrefaction C 0.9 Process parameters Temperature: C Energy densification (MJ/kg) = 1.3 Residence time: minutes Particle size: < 4 cm Absence of oxygen mass energy Pressure: near atmospheric 58

59 Markante trends VE krav fra EU gigantisk vækst i sigte, men kommer den? Stigende efterspørgsel som følge af politisk betingede styringsmidler (UK, DK, NL, BE, SE, FI...) Støtte og afgifter styrer markedet Storskalaanlæg i vækst Småskalaanlæg i vækst - pellet stoves især Konvertering af kulanlæg Samfyring Internationale brændselsmarkeder Storskala udbud fra USA, Rusland, Canada m.fl. Torrefaction (?) Brændselsfleksibilitet Bæredygtighedskrav 59

60 Examples: new combustion plants in DK Plant Owner Ton Fuel Technology Year Østkraft Bornholms Energi Wood chips Grate 2017 Asnæs DONG Energy ( ) Wood chips? 2018 Avedøre 1 DONG Energy Wood pellets PF 2017 Studstrup DONG Energy Wood pellets PF 2017 Skærbæk DONG Energy Wood chips Grate 2017 Amager 4 HOFOR Wood chips CFB 2019 Vordingborg Danish Malting Group Wood chips Grate 2016 Lisberg Affald Varme Århus Straw Grate 2016 Vordingborg CWC Biofuels Straw Pyrolysis 2018 Source: plant owners and own estimates

61 HOFOR: A shift from high carbon to low carbon fuels

62 AMAGERVÆRKET HOFOR s take over of Amagerværket: District heating to approximately 500,000 people in greater Copenhagen area HOFOR aquired Amagerværket from Vattenfall mid 2013 and the plant was officially taken over 1 January 2014 Ensuring safe and reliable heat production Precondition: conversion from coal to biomass of unit 3 Analysis finalised March 2014 new biomass CHP plant Enervironmental permit -> September 2016 Construction start september 2016 Wood chip sourcing ongoing Operation 2019

63 The project Among several technical solutions we have chosen CFB-boiler Wood chips as fuel An expected annual consumption of wood chips of about 1.2 mio. ton (total weight basis) Flue gas condenser (112 % heat+ power) Port and logistics facilities to recieve wood chips and log wood Wood chipper Covered storage

64 HOFORs strategi for bæredygtig biomasse Forpligter os til at gøre det ordentligt - og udvikle os fagligt og strategisk til at gøre det endnu bedre Indkøber kun bæredygtig biomasse med dokumentation Overholder regler og love Opnår reel og markant CO 2 -reduktion Konstant eller stigende biomasse i skoven Beskyttelse af biodiversitet, truede arter m.m. Lever op til brancheaftalen om bæredygtig biomasse Deltager i udvikling af metoder i SBP m.m.

65 Bæredygtighed for flis til Bio4 Brancheaftalens krav indgår i sourcing og aftaler Brancheaftalens krav videreføres til leverandøren Leverandøren leverer dokumentation svarende til brancheaftalen certifikater eller tilsvarende Leverandøren leverer data fra forsyningskæden svarende inddatabehovet CO 2 -balancen beregnes i værktøjet Biograce II Valg af restprodukter ikke industriråvarer Præference for flis fra nærliggende regioner (holde tilvejebringelsesenergi og -CO 2 nede) Udvælgelse af leverandørlande (styr på skovbrug og genplantning, legalitet, korruption) Udvælgelse af leverandører Præferencer for bestemte typer af skovbrug Kommunikationsindsats besøgsfaciliteter, åbenhed, debat og forklaring

66 Flis og stammer Vi har valgt at etablere mulighed for at håndtere både flis og hele stammer modtagelse lager flishugger Reduceret energiforbrug til transport på skibe Kun stammer af resttræ, som ikke kan afsættes til industrien Men pga. formen kan brændsel blive misfortolket som industritræ

67 Mere information Anders Evald HOFOR A/S, Copenhagen, Denmark Phone Mobile Selected web ressources: