Eltra dok nr. 121755, sag 3325 Resumé af slutrapport PSO-projekt 3325. Optimering af den kolde del af kedlen ved fyring med gas/flis Slutrapport fra Elsamprojekt i juni 2000. 1. Indledning Varmegenvinding ved røgaskondensation i decentrale kraftvarmeanlæg er behandlet i to projekter; henholdsvis Røggaskondensation i halmfyrede kraftvarmenalæg PSO-99- projekt Eltra sag nr.1177 og Optimering af den kolde del af kedlen ved fyring med gas/flis PSO-99-projekt Eltra sag nr. 3325, Elsam-nr. 509. Projektet vedrørende Røggaskondensation i halmfyrede kraftvarmeanlæg tager udgangspunkt i en planlagt anlægsopførelse af et halmfyret kraftvarmeværk på Fynsværket med en indfyret effekt på 117,5 MW. Projektet omhandler en teknisk- og økonomisk vurdering af forskellige integrerede røgrensnings- og kondensationsprocesser i tilknytning til et halmfyret kraftvarmeanlæg. Desuden er der udført en dybdegående undersøgelse af dråbeemissionsforholdene, bl.a. baseret på modelberegninger og aerosolmålinger på det halmfyrede kraftvarmeanlæg i Rudkøbing. Endvidere er problemstillingerne omkring de korrosions- og belægningsmæssige forhold i forbindelse med røggaskondensationen belyst. Endelig er spildevandsforholdene samt mulighederne for spildevandsgenbrug undersøgt, bl.a på baggrund af massebalanceberegninger samt analyser af røggaskondensatet udtaget på det halmfyrede varmeværk i Hals. Projektet vedrørende Optimering af den kolde del af kedlen ved fyring med gas/flis tager udgangspunkt i den planlagte ombygning af Herning Kraftvarmeværk til fyring med gas/flis. Forskellige systemløsninger til røggaskondensation i forbindelse med det eksisterende anlæg er belyst bl.a. med baggrund i erfaringerne fra de eksisterende røggaskondenserende anlæg i Danmark og Sverige. Endvidere er korrosions- og belægningsforholdene i forbindelse med gas/flisfyring belyst. Ligeledes er der redegjort for spildevandsforho l- dene ved kondensationsprocessen, bl.a på baggrund af massebalanceberegninger baseret på et Svensk flisfyret anlæg. Side 1 af 8
1.1 Resumé af PSO-99-projekt sag nr. 3325, Elsam-nr. 509: Optimering af den kolde del af kedlen ved fyring med gas/flis. I kedelanlæg, der udnytter brændslerne gas og/eller flis, vil røggassens indhold af vanddamp være forholdsvis stor. Disse anlæg rummer derfor et stort potentiale for yderligere energiudnyttelse ved kondensation, hvorved anlæggets totalvirkningsgrad og miljømæ s- sige fordele kan forøges. De fordele, der kan opnås ved røggaskondensering, afhænger af brændslet og den tekniske opbygning af anlægget samt måden, hvorpå den indvundne varmeeffekt kan nyttiggøres. Med baggrund i data for et kommende flis-/gasfyret Herningværk redegør undersøge l- sen nærmere for kondensering af vanddamp i kedlens kolde ende og om hvordan den indvundne varmeeffekt kan udnyttes til øget fjernvarmeproduktion med øget totalvirkningsgrad til følge. Maksimallasten for anlægget er med det øgede vanddampindhold i røggassen - forbundet med fyring af flis og gas - reduceret til ca. 85% last på grund af kedelmæssige/røggassidige begrænsninger. Der er derfor begrænsninger med hensyn til indfyring af flis. Maksimal flisandel opnås ved 60% kedellast, hvor flisen på energibasis udgør 75% af det indfyrede brændsel. Fra 60% til 85% kedellast er flisindfyringen konstant 130 MW (max. ristebelastning), således at flisandelen ved 85% kedellast udgør ca. 53%. Over 85% kedellast reduceres flisindfyringen som følge af begrænsninger i røggassystemet. Under 60% last begrænses flisindfyringen af hensyn til flammestabiliteten. Den ved lastreduktion mistede fjernvarmeproduktion i forhold til tidligere maksimallast kan delvis erstattes af fjernvarmeproduktion hidrørende fra røggaskondensering. Herningværket er atypisk med hensyn til fjernvarmeproduktion i forhold til maksimallast og der er derfor behandlet to alternativer. Det ene alternativ hvor der er begrænsninger svarende til det faktiske fjernvarme aftag i dag og et andet alternativ, hvor fjernvarmebegrænsningen ikke får indflydelse. Røggassens vanddampindhold varierer med kedellasten, idet flisen genererer mere vanddamp pr. indfyret energienhed, end gassen gør. Derfor vil røggaskondenseringsanlæggets effektivitet variere med kedellasten. Den cirkulerende vandmængde i fjernvarmesystemet vil ved røggaskondensering blive øget, eftersom et forankoblet kondenseringsanlæg øger returtemperaturen til blokken og Side 2 af 8
dermed kræver øget cirkuleret mængde for opretholdelse af den normale varmeproduktion på blokken ved den pågældende last. I undersøgelsen er forskellige teknologier med hensyn til udkondensering af røggassens vanddampindhold behandlet. Røggassens indhold af vanddamp er sammensat af vandamp tilført med forbrændingsluften, vanddamp dannet ved forbrænding af brændslet samt vanddamp dannet ved fordampning af brændslets indhold af vand. Kondenserende røggasvarmeveksling kan udføres ved forskellige kølingsprincipper ved at energien overføres til et passende lavtemperaturkølesystem, som f.eks. et fjernvarmesystem. I forbindelse med røggaskøling kan der skelnes mellem direkte og indirekte metoder for varmeveksling med røggassen. Ved indirekte varmeveksling nedkøles røggassen ved berøring med et medium - sædvanligvis vand, der skal medvirke til afkøling af røggassen og udkondensering af røggassens vanddampindhold og opsamling af kondensationsvarmen. Apparatet, der anvendes er normalt en scrubber eller et vasketårn, hvori vandet som kølemedium forstøves eller sprayes ind i den samlede røggas. Kølevandet kommer hermed i intim kontakt med røggassen der køles samtidigt med, at vanddampindholdet i røggassen udkondenserer. Ved direkte køling sker varmevekslingen mellem røggassen og kølemediet med en varmeveksler. Kølemediet på sekundærsiden kan være fjernvarmevand. Udkondensering finder normalt sted på størstedelen af hedefladen. Varmeveksleren kan eventuelt overrisles på på røggassiden. Ved systemløsninger, hvor tilnærmelsesvis røggassens samlede vanddampindhold ønskes udkondenseret, kan ovennævnte varmevekslerløsning suppleres med en varmeveksler koblet på en kølekreds eller varmepumpe. Derved opnås, at kølemediefremløbstemperaturen til varmeveksleren, der fungerer som udkondenseringsvarmeveksler, kan sænkes til ca. 20 C, således at det tilnærmelsesvis samlede vanddampindhold udkondenseres. Der er indsamlet erfaringer med kondenseringsanlæg i Sverige og i Danmark i forbindelse flisfyring. I Sverige er den principielle løsning for udkondenseringskonceptet er rørkølere, hvor rørene indvendig på røggassiden overrisles med recirkuleret vand, således at hedefladen på røggassiden derved holdes konstant våd. Side 3 af 8
Generelt skal røggassen køles ned til ca. 25-30 C for at udkondensere tilnærmelsesvis al vanddamp og dermed undgå dråbedannelse i røggassen. I Danmark udføres kondenseringsanlægget som et vasketårn forankoblet en quencher for nedsprøjtning af røggassen til en for det efterkoblede system tilladelig temperatur. I vasketårnet køles røggassen ved direkte kontakt med vandet. For at opnå bedst mulig kontakt mellem vand og røggas er tårnet forsynet med fyldlegemer. Inden røggassen forlader vasketårnet, passeres en demister. Vandet indføres i røggassen via dyser. Disse har en lav trykdifferens og en diameter, således at de ikke er særlig følsomme over for grovere partikler. I quencheren er trykdifferencen lidt større og dysediameteren lidt mindre. Røggassens vanddampindhold udkondenseres i kølevandet. Fra bunden af vasketårnet cirkuleres vandet gennem en fjernvarmekølet varmeveksler, hvori kondenseringsvarmen overføres til fjernvarmesystemet. Når vanddampindholdet i røggassen udnyttes ved kondensation, dannes der et kondensat, som enten skal bortledes eller anvendes til andet formål. Kondensatet kommer udelukkende fra røggassens vandindhold og vil derfor udelukkende indeholde komponenter (forureninger) fra røggassen. Kondensatets indhold af forureningsstoffer afhænger derfor af røggassens indhold af stoffer, der absorberes af kondensatet. Hvorledes kondensatet efterfølgende skal behandles (renses), afhænger af hvilke stoffer, der er på fast form, og som kan filtreres ud af kondensatet og hvilke, der er på opløst form eller opløses ved udludning fra de faste stoffer, og som skal behandles kemisk for at fjernes. Røggassen indeholder en række sure gasser; hydrogenchlorid, der i høj grad går over i kondensatet, svovloxider, der går over i kondensatet afhængig af kondensatets ph og nitrogenoxider, som i nogen grad går over i kondensatet. Derudover kan der forekomme f.eks. ammoniak som rest fra en eventuel DeNO x -proces, der går over i kondensatet. Mængden af tungmetaller på dampform, f.eks. kviksølv, er små. Røggassens indhold af faste stoffer er flyveasken. En stor del af flyveasken går over i kondensatet. Ud over at bidrage med tørstof i kondensatet giver flyveaskens kontakt med kondensatet anledning til udludning (udvaskning) af flyveasken i kondensatet. De tungmetaller, der nemt udludes, er de, der har været flygtige ved forbrændingen og er kondenseret på flyveasken, f.eks. cadmium, bly og zink. Mængden af tungmetaller, der Side 4 af 8
går over i kondensatet, vil dog afhænge af ph i kondensatet, da der er en begrænset opløselighed af de nævnte tungmetaller ved stigende ph. Ved et rent flisfyret svensk anlæg med el-filter og SCR-katalysator er der udført en massebalance for cadmium. Cadmium, der udelukkende indfyres med flisen, fordeler sig med 4% til bund asken, 92% til flyveasken og 4% i røggassen før røggaskondensatoren. Stort set al cadmium fra røggassen tilført røggaskondensatoren går i kondensatet. Der haves ingen analyse af kondensatet men svenske målinger viser at cadmiumindholdet i spildevandet efter filtrering i et sandfilter, typisk lå på 1-3? g/l, og havde et maksimalt indhold af suspenderet stof på 10 mg/l. Det er meget vanskeligt at vurdere kondensatets sammensætning med de få data, der er tilgængelige. Med udgangspunkt i beregnede værdier kan en kondensatsammensætning estimeres. På hovedparten af de svenske anlæg, der er besøgt, bliver kondensatet filtreret gennem et sandfilter og nogle af stederne gennem et aktivt kulfilter, inden det går til afledning eller videre anvendelse. Efter Miljøministeriets bekendtgørelse nr.181 af 25. marts 1986 skal cadmiumkoncentrationen nedbringes til under 10? g/l inden afledning til offentlig kloak. Derudover giver Miljøstyrelsens vejledning nr. 6, 1994 en anbefaling på < 3? g/l af hensyn til slammet produceret på de kommunale spildevandsrensningsanlæg. Svenske erfaringer viser at tungmetalbelastningen er meget lav ved en støvbelastning på op til 25 mg/nm 3. Kondensatet kan direkte nyttiggøres til askebefugtning, slagge køling etc. Dog vil den samlede mængde næppe kunne genanvendes på denne måde. Ved filtrering gennem omvendt osmose kan 75-80% af kondensatet nyttiggøres som afsaltet vand til f.eks. fjernvarmespædning. Ved udkondensering af vanddamp fra røggas efter gas og flisforbrænding kan røggassen og dermed kondensatet indeholde sure komponenter. Korrosion i kondenseringsanlæg imødegås ved dels at sikre, at den samlede hedeflade holdes våd (varmevekslerløsningen) ved tvangscirkulation af vand fra kølerens afgangsside og dels ved at foretage et materialevalg i overensstemmelse med kondenseringsanlæggets indsatsforhold og brændselssammensætning. Side 5 af 8
Ved recirkulation af vand for en varmevekslerløsning opnås, at hele den samlede va r- meveksler holdes våd, hvilket - ud over at forhindre belægningsdannelse - tillige sikrer, at tendensen til korrosion bliver elimineret ved den løbende vask af hedefladen og neutralisering af skyllevandet. Uden spuling ville der forekomme et surt miljø på kølefladen, hvilket kunne virke fremmende i korrosionsmæssig henseende. Endvidere ville der under en belægning kunne ske korrosion selv på rustfri ståloverflader, idet opretholdelsen af intakt oxidfilm vanskeliggøres. En medvirkende faktor vedrørende belægningsdannelse er det indgående støv. Der er generelt forankoblet et el-filter, og den normale støvkoncentration kan være ca. 25 mg/nm 3 før kondenseringsanlægget. Maksimal støvbelastning på op til 50 mg/nm 3 kan umiddelbart accepteres af leverandøren ud fra et procesmæssigt krav. Ved varmevekslerløsningen (rørkølere) holdes rørpladen i indløbskammeret under løbende observation med videokamera, hvorvidt den er dækket med vand. Hvis ikke rørpladen er dækket med vand, opstår der risiko for belægningsdannelse, idet rørpladen i så fald vil være tør. I forbindelse med recirkulation af vand i kondenseringsanlægget kan det derfor være nødvendigt at kontrollere og justere ph-værdien. Den kontinuerte cirkulation af vand samt et korrekt materialevalg, vil være af afgørende betydning for, at korrosion af betydning kan imødegås. Renseeffekten med hensyn til partikler er meget forskellig, afhængig af det valgte koncept. Erfaringer fra Sverige viser, at der i en rørkøler fjernes 50-70% af partiklerne fra røggassen, mens der forventes fjernet 70-90% af partiklerne i en spraykøler. Røggassens indhold af saltsyre (HCl) vil absorberes effektivt, uafhængigt af valgt koncept og ph på det recirkulerede kondensat, da saltsyre har en meget stor affinitet til vand. Dette vil også gælde ammoniak (NH 3 ), hvis sådan anvendes til DeNO x. Røggassens indhold af svovldioxid (SO 2 ) vil absorberes, afhængig af det recirkulerede kondensats ph. Ved at hæve ph til et niveau på 5-7 forventes op til 90% af svovldioxiden fjernet i en spraykøler. Med hensyn til NO x -indholdet i røggassen efter kedlen regnes det ikke nedbragt ved passage af kondenseringsanlægget med baggrund i, at kvælstofoxiderne har meget lav opløselighed i vand. Den eneste NO x -effekt vil hidrøre fra en eventuel brændselsbesparende effekt i forbindelse med udkondenseringen. Side 6 af 8
Der er gennemregnet en række koblings- og løsningsforslag i forskellige driftssituationer. Herningværket er anvendt som regneeksempel i følgende koblinger: Vasketårn med integreret quencher, vasketårn med køleanlæg, vasketårn med direkte køling, røggaskøler efterfulgt af vasketårn, vasketårn med opfugtning af forbrændingsluften. Den generelle konklusion, der kan uddrages af de gennemførte termodynamiske beregninger, er, at den mulige merproduktion af fjernvarme er knyttet til kondenseringsanlæggets indgangstilstand, fjernvarmereturtemperaturen og ikke til typen af kondenseringsanlæg eller de forskellige koblingsmuligheder og varianter. Beregnes totalvirkningsgraden baseret på indfyret effekt og nedre brændværdi vil brændselsudnyttelsen stiger væsentligt ved introduktion af kondensering. De foretagne økonomiske sammenligninger mellem de forskellige koncepter baserer sig på oplysninger fra leverandører. Der er ikke tale om egentlige detailtilbud, men retningsgivende budgetpriser. Der er gennemført to typer økonomiske vurderinger. Den første vurdering baserer sig på, at der ikke er fjernvarmemæssige afsætningsproblemer og den anden baserer sig på de i dag eksisterende begrænsninger. For den økonomisk vurdering af alternativet baseret på, at der ikke er fjernvarmemæssige begrænsninger, er der regnet med en lastprofil svarende til 4.000 ækvivalente timer ved ca.85% last og blandingsfyring med 45% flis og 55% naturgas. Med hensyn til vandindhold regnes der med 40% i flisen. Baseret på en fjernvarmesalgspris på 23 kr./gj og en el-salgspris på 170 kr./mwh peger de økonomiske beregninger på en løsning med en direkte kølet varmeveksler (overrislet varmeveksler med lodretstående rør) eller en indirekte kølet vasker (vasketårn). Sidstnævnte løsning vil givet være den mest attraktive på grund af de laveste kapitalomkostninger. Der udføres konsekvensberegninger, der viser, at med en korrigeret pris på en vasketårnsløsning, en opgradering af luft/røgsystemet i forbindelse med en løsning med opfugtning af forbrændingsluften, faldende el-priser og stigende fjernvarmepriser, vil løsningen baseret på en køleanlægsløsning vise sig at blive attraktiv. En eventuel løsning baseret på absorbtionskøleprincippet i stedet for den her behandlede løsning baseret på kompressionskøleprincippet kan eventuel vise sig at være endnu mere attraktiv, eftersom el-forbruget til den el-drevne kompressor erstattes med udtaget varme til drift af den termiske kompressor. Side 7 af 8
Af de økonomiske beregninger fremgår - afhængig af fjernvarmesalgspriser, brændselsog elpriser, at med kondenseringsanlæg må det anses for værend e en fornuftig investering med tilbagebetalingstider i størrelsesordenen 3,2-4,2 år baseret på 4.000 ækvivalente timer/år ved ca. 85% last under forudsætning af, at fjernvarmen, der produceres ved røggaskondensering, kan afsættes. Der er her set bort fra den miljømæssige gevinst, som et kondenseringsanlæg bringer. Driftstiden har ligeledes en indflydelse, og varieres driftstiden mellem 3.000 og 5.000 timer, vil tilbagebetalingstiden være ca. 4,5-5,5 år henholdsvis 2,5-3,5 år. Tages der udgangspunkt i alternativet, der repræsenterer dagens situation og de fjernvarmemæssige begrænsninger dette medfører vil tilbagebetalingstiden øges til ca. 7 år. Afgifterne, der pålægges fjernvarmen ved røggaskondensering, har en stor indflydelse på slutresultatet, og det er derfor vigtigt at undersøge, hvorvidt fjernvarme produceret i forbindelse med udkondensering kan holdes afgiftsfri De samfundsøkonomisk perspektiver i forbindelse med udkondensering af vanddamp i røggas - især fra forbrænding af naturgas, flis og andre våde brændsler, der giver et stort vandindhold i røggassen - vil være af væsentlig betydning. Det vil dog afhænge af stedlige forhold, hvorvidt kondensering af røggassen vil kunne anbefales. For nogle fjernvarmenet vil tilgangsydelsen hidrørende fra kondenseringen eventuel være interessant, hvis eventuelt direkte fyrede enheder kan afstilles. Det er en forudsætning, at den ekstra energi, der produceres ved kondenseringen, skal kunne afsættes i et fjernvarmesystem eller kunne nyttiggøres på anden vis, for at udkondensering skal kunne være attraktivt. Kan energien - frigivet ved kondensering - nyttiggøres, øges brændselsudnyttelsen, således at totalvirkningsgraden - og dermed brændselsudnyttelsen vil blive øget væsentlig. Side 8 af 8