CHEMCAD som modelleringsverktyg

CHEMCAD är användbart som modelleringsverktyg för att prediktera NOx-utsläpp

vilket avsnitt 6.3 och 6.4 påvisat. Som noterat i avsnitt 4.1.2 möjliggör även CHEMCAD för applicering av reaktionskinetik vilket är fördelaktigt för prediktering av NOx-bildning i eldstaden och NOx -reduktion i SNCR-processen då det ur en

modelleringsaspekt ger mer verklighetstrogna resultat. Det blir således möjligt att utvärdera huruvida en NOx-reducerande åtgärd så som är effektiv eller inte. Vidare

har CHEMCAD ett omfattande bibliotek innehållandes diverse kemiska ämnen och komponenter samt möjligheten för användaren att skapa egna ämnen eller bränslen. Detta är fördelaktigt när användaren har tillgång till information om exempelvis bränslesammansättning och kalorimetriskt värmevärde vilket kommer skapa en förbränningsprocess som efterliknar verkligheten bättre än om ett förinställt bränsle används.

I CHEMCAD finns det inte möjlighet att mäta lokalt höga temperaturer som kan uppstå i en verklig panna. Likaså misslyckas modellen att nå de högre temperaturer som faktiskt råder i P2 hos Karlstads Energi AB enligt mätdata och istället resulterar det i en genomsnittlig temperatur på respektive flöde som lämnar en reaktor och därmed även en förbränningszon. Exempelvis går det att se i mätdata från pannan att temperaturen i bädden stiger något över 800℃ men så höga temperaturer erhålls inte i modellen. Således finns det risk att modellen underskattar temperaturen i pannan och då det inte går att identifiera lokalt höga temperaturer, eller lokalt låga, kan den temperaturprofilen som erhålls i Figur 10-12 avvika från verkligheten. Generellt gäller att förbränningen sker i en stor del av fribordet så att bränslepartiklar stiger genom eldstaden med bädd och rökgaser vilket ligger till grund för lokala temperaturökningar liksom högre temperaturer överlag. I modellen förbrukas all flis i den primära förbränningszonen och detta fenomen med att bränslepartiklar stiger med rökgaserna misslyckas att efterliknas.

Som noterat i avsnitt 6.1 råder osäkerheter i temperatur som, förutom CHEMCADs oförmåga att identifiera lokalt höga och låga temperaturer, beror på bristande modellering av bäddflödet. Utöver det som diskuterats i avsnitt 6.1 gällande ovisshet inom forskningen för hur bäddflödet kan modelleras på ett realistiskt sätt, finns det även brister i att modellera intern och extern bäddcirkulation med hjälp av CHEMCAD. De loopar som bildas för att representera bäddcirkulationen är tidskrävande för programmet att beräkna och det är svårt att nå en jämviktstemperatur, dvs då programmet ger ett oförändrat resultat vid varje körning. I de presenterade resultaten bygger modellen istället på att ett ingående och utgående bäddflöde med intern recirkulation mellan zonerna vilket blir en förenkling av verkligheten. I och med att ingående bäddtemperatur dessutom hålls konstant sker en förenkling av de utvecklade temperaturprofilerna. Således är modelleringen av bäddcirkulationen en brist i modellen, men trenderna i temperaturprofilerna

41

efterliknar dock verkligheten med undantag för de absoluta nivåerna för temperaturerna.

Modellen antar att NO-bildningen helt och hållet sker i fribordet efter tillförsel av övre sekundärluft och bygger således på att det finns ett överskott av syre tillgängligt i modellens zon 3. Detta gör det således naturligt att NO-bildningen minskar med ökande flöde av recirkulerade rökgaser då den tillgängliga O2-halten kontinuerligt

minskar. I och med att Gibbs-reaktorerna som modellerar förbränningsprocesserna genererar försumbart lite eller ingen NO tas ingen hänsyn till att NO kan bildas i de lägre förbränningszonerna. CHEMCAD modellerar på så vis ideala fall som inte uppstår i verkligheten. Som nämnts i avsnitt 2.1 sker volatilisering av bränslet fort och NO-bildningen kan således ske i nivå med bränsleinmatningen. Som det går att utläsa i Figur 16 används all O2 upp i den primära förbränningszonen och det flödet

som lämnar den första Gibbs-reaktorn innehåller ingen O2 vilket gör det ohållbart att

placera NO-bildningen där. Liknande gäller för den sekundära förbränningszonen där O2 förbrukas relativt fort vid ökande rökgasrecirkulation och skulle följaktligen

resultera i orimligt låg NO-bildning med orimligt effektiv rökgasrecirkulation. Om NO-bildningen placerades i samband med tillförsel av primärluft och recirkulerade rökgaser, dvs i en egen process innan bränsle och förbränningsluft leds genom den första Gibbs-reaktorn, skulle det alltid finnas ett stort O2-överskott och ingen

konsekvens av rökgasrecirkulation skulle erhållas. Vidare tas ingen hänsyn till den omblandning av rökgaser som sker inne i eldstaden i verkliga fall och det är främst de möjliga kemiska reaktionerna som undersöks. På så vis går det inte att modellera den NO-bildningen som faktiskt sker i och med att ingen O2 släpps förbi zonerna och

ingår istället endast i de reaktioner som sker i den reaktorn de tillförs. Vidare kan det bildas lokalt höga O2-halter beroende på hur god omblandningen är och hur långt

sekundärluftstrålarna når mot mitten av eldstaden (Huttunen et al. 2017), någonting som man i CHEMCAD inte kan fånga upp.

Som noterat i avsnitt 6.3 och 6.4 är skillnaden markant mellan rökgasrecirkulationens möjlighet till att hämma NO-bildning och NO-reduktion där det lägsta möjliga utsläppet resulterar i upp till 10% mindre bildad NO respektive 67% minskat utsläpp av NO. Det finns stora osäkerheter kring bildad NO i och med att det antas att all den kväve som är kemiskt bundet i bränslet slutligen bildar NO. Detta gör således att det finns en risk för att överestimera hur mycket NO som bildas. Likaså har grundmodellens NO-utsläpp baserats på mätdata så att en viss del av bildad NO avleds till SNCR-processen och resterande reduceras i fribordet, som förklarat i avsnitt 4.1.2. Detta blir en förenkling i och med att den andel som avleds till respektive process hålls konstant.

42

7 Slutsatser

Förbränningsprocessen i P2 hos Karlstads Energi AB har modellerats i CHEMCAD. Baserat på modellen har rökgasrecirkulation implementerats samt justeringar i bränslekomposition och värmeuttag från extern bäddcirkulation vid samproduktion av syntesgas har utförts. Till följd av att Karlstads Energi saknar mätdata för bäddflödet i pannan, undersöks tre olika fall.

Temperaturen i pannans zoner sjunker med ökande rökgasrecirkulation och bäddflödet är avgörande för hur jämn temperaturprofilerna blir. Vid låga bäddflöden erhålls större variation mellan zonerna och medan omvända gäller för höga bäddflöden. Vid inblandning av förgasningskoks sker en liten ökning av temperaturen som är något mer påtaglig vid låga bäddflöden. Värme som tas ut från bäddflödet för att driva den nya syntesgasreaktorn påverkar inte temperaturen i pannan.

Vid samförbränning av flis och koks sker en effektökning vilket gör det möjligt att minska den totala bränslemängden för att nå samma effektutveckling som då endast flis förbränns.

Resultaten tyder på att rökgasrecirkulation kan användas som NOx-reducerande

åtgärd vid låglastdrift. Rökgaserna hämmar de NO-bildande reaktionerna och därmed minskar NO-utsläppet kontinuerligt med ökande flöde av recirkulerade rökgaser. NO-bildningen kan minska med upp till 10% och NO-utsläppet upp till 67% vid förbränning av flis samt vid samförbränning av flis och koks.