Forbrænding af biobrændsler Anders Evald HOFOR IDA Energi kursus Forbrændingsteknik teori og praksis Hvidovre, 28. - 29. november 2016
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
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 )
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
Brændsler
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
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) 15 17.6 5 10 10 4 Wood pellets 8 19.2 1 0.4 0.1 Willow 50 18.4 2 2 1 0.3 Wood chips * 50 19.2 2 1 3 0.1 * from logging residues of conifer wood 7
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
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
Halm
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
Straw consumption in Denmark, TJ 12
Flis
Wood chips production 14
Wood chips in Denmark, TJ
Wood chips moisture 18
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
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
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
Træpiller
Wood pellets 23
Wood pellets in Denmark, TJ
Pillepresse 25
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
Transport and delivery of pellets small bags (15 25 kg) big bags (750-1000 kg) bulk delivery (truck) ship loads 27
Anlæg til forbrænding af biomasse
Kilde: Energistyrelsen 29
Range of bioenergy systems 750 000 Wood stoves and fireplaces 16 000 Log wood boilers 6 000 Boilers for farms using straw 96 000 Boilers for houses, wood chips or pellets 2 000 Boilers for large buildings 140 District heating systems 1 000 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
140 of 460 district heating plants use biomass 31
Biomass consumption in district heating Number of heat only boilers and CHP units 32
Større anlæg
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
Vandrerist 35
Moderne ristefyret kedel 36
Example: District heating plant (wood) 37
Vibrationsrist 38
B&W Vølund water cooled vibration grate 39
JVP steel vibration grate for Fyn 40
CFB kedel 41
CFB-forbrænding AMV4
Foster Wheeler CFB
New furnace design: Dall Energy Multibrændselsovn No hot moving parts Low flue gas dust Load control (10-100%) Fuel flexibility 44
CFD som værktøj til optimering Overall design of furnace Detailed analysis of temperature in furnace Detailed analysis of velocity destribution in furnace 45
Kraftvarme på biobrændsler
Straw-fired CHP plant 47
Boiler interior, Rudkøbing 48
Straw ash, Rudkøbing 49
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 7,37 1989 67 450Steam soot blowers + drop balls Rudkøbing BWE 3,6 1990 60 450Steam soot blowers + hammer Slagelse Aalborg 16 1990 67 450Steam soot blowers + drop balls Water soot blowers (furnace) + steam soot Måbjerg Vølund 14 1993 67 410blowers + slagging SH 2005 the original N-gas fired SH was repaced with a biomass fired SH (520C). Masnedø BWE 12,9 1996 92 522Steam soot blowers + slagging SH Maribo- Sakskøbing FLS Miljø 13,8 2000 102 540Steam soot blowers + slagging SH Avedøre 2 FLS Miljø - BWE - Vølund 60 2001 310 545Steam soot blowers + slagging SH Designed for 583C SH steam temp; operated at 540C Fyn 8 Bioener 46 2009 110 540 Lisbjerg BWE 40 2016 110 540 50
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
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
Damptemperatur udvikling Kilde: Steffen Hørlyck, DONG Energy 2016: optimering efter varmeproduktion 53
Støvbrændere
Dust burner The fuel is milled into a fine powder pulverized fuel or PF 55
Dust burner 56
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
Torrefaction opgradering af biomassen Dry biomass 0.3 Gas 0.1 Torrified biomass 1 Torrefaction 0.7 1 200-300 C 0.9 Process parameters Temperature: 200-300 C Energy densification (MJ/kg) 1 0.9 0.7 = 1.3 Residence time: 10-30 minutes Particle size: < 4 cm Absence of oxygen mass energy Pressure: near atmospheric 58
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
Examples: new combustion plants in DK Plant Owner Ton Fuel Technology Year Østkraft Bornholms Energi 50.000 Wood chips Grate 2017 Asnæs DONG Energy (200.000) Wood chips? 2018 Avedøre 1 DONG Energy 300.000 Wood pellets PF 2017 Studstrup DONG Energy 500.000 Wood pellets PF 2017 Skærbæk DONG Energy 450.000 Wood chips Grate 2017 Amager 4 HOFOR 1.200.000 Wood chips CFB 2019 Vordingborg Danish Malting Group 25.000 Wood chips Grate 2016 Lisberg Affald Varme Århus 240.000 Straw Grate 2016 Vordingborg CWC Biofuels 150.000 Straw Pyrolysis 2018 Source: plant owners and own estimates
HOFOR: A shift from high carbon to low carbon fuels
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
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
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.
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
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
Mere information Anders Evald HOFOR A/S, Copenhagen, Denmark Phone +45 33 95 33 95 aev@hofor.dk Mobile +45 27 95 44 04 Selected web ressources: www.hofor.dk www.ieabioenergy.com www.ieabcc.nl www.videncenter.dk 67