Energisystemanalys vid Tekniska
verkens kraftvärmeverk
Energy system analysis at Tekniska verkens CHP-plant
Simon Johnsson
Handledare LiU: Ylva Clausén Wingårdh
Handledare Tekniska verken: Henrik Lindståhl & Joachim Axelsson Examinator: Patrik Thollander
Förord
Detta examensarbete omfattar 30 högskolepoäng och genomfördes i samarbete med Tekniska verken AB i Linköping under vårterminen 2018. Arbetet är den avslutande delen på
masterprogrammet Sustainability Engineering and Management vid Linköping Universitet och avdelningen för energisystem.
Jag skulle vilja tacka mina handledare på Tekniska verken, Henrik Lindståhl och Joachim Axelsson för all hjälp kring mitt arbete. Jag vill även tacka anläggningsingenjörerna Dennis Olsson och Krister Johanson för deras hjälp och tålamod alla de gånger jag ringt och mailat. Utan deras hjälp hade det blivit betydligt svårare att lära sig hur KV1 fungerar. All övrig personal på Tekniska verken som jag varit i kontakt med under projektets gång förtjänar också ett stort tack, ingen nämnd, ingen glömd. Amjad Abu Al Zahab förtjänar ett stort tack för all hjälp under prov- och datainsamling. Möjligheten att snabbt kunna bolla idéer och känslor kring projektet var guld värd. Min flickvän förtjänar ett tack för all stöttning och påhejning som hon gav under projektets gång, i synnerhet i de stunder där jag själv tvekade.
Slutligen vill jag tacka min handledare på Universitetet, Ylva Clausén Wingårdh som gav otroligt viktig feedback och stöttning under hela projektets gång. Utan veckomötena hade inte rapporten blivit lika bra.
Simon Johnsson Linköping, Maj 2018
Sammanfattning
Linköpings kraftvärmeverk (KV1) som drivs av Tekniska verken har under en längre tid haft en upplevd obalans, dels mellan mängden tillfört bränsle och mängden producerad ånga, dels mellan mängden producerad ånga och mängden producerad el samt nyttig värme i fjärrvärmenätet. Detta arbete syftar till att hjälpa Tekniska verken att utreda den upplevda obalansen mellan mängden tillfört bränsle och mängden producerad ånga. Utredningen gjordes genom att studera standarder samt tidigare arbeten inom området och ta fram en metod för att beräkna den direkta och indirekta pannverkningsgraden.
Innan beräkningen av den direkta och indirekta pannverkningsgraden inleddes verifierades trovärdigheten hos de stationära flödesmätarna i anläggningen. Detta gjordes genom att mäta ett antal vattenflöden på KV1 med en handhållen ultraljudsflödesmätare och sedan jämföra dessa flöden mot de värden som registrerades i styrsystemet Delta V. Då verifikationen av de stationära
flödesmätarna hade genomförts inleddes beräkningen av den indirekta verkningsgraden genom att samla in ask- och bränsleprover för panna 1 och 3. I samband med dessa provinsamlingar mättes även luftflödeshastigheten och temperaturen vid pannornas yta. De insamlade proverna skickades iväg för labbanalys. Den data som insamlades applicerades i beräkningarna av oförbränt bränsle i askan, oförbränd rest i gasfas, rökgasförluster samt konvektions- och strålningsförluster, vilka var variabler som var nödvändiga för att erhålla den indirekta verkningsgraden.
Den indirekta verkningsgraden beräknades till 92,24 % för panna 1 och 95,85 % för panna 3. Dessa verkningsgrader låg i linje dels med vad som kunde förväntas av pannorna på KV1 (85-90 % för panna 1, samt över 90 % för panna 3), dels med tidigare arbeten som beräknat den indirekta
verkningsgraden i kraftvärmeverk. Utöver pannverkningsgraden erhölls även en ångverkningsgrad genom den indirekta verkningsgraden. Denna beräknades till 90,66 % för panna 1 samt 88,79 för panna 3. För att få perspektiv från en mindre komplex metod beräknades även ångverkningsgraden genom den direkta verkningsgraden (90,22 % för panna 1 samt 97,78 % för panna 3). Dessa resultat antydde att KV1 hade högre pann- och ångverkningsgrad än vad Tekniska verkens egna beräkningar påvisade.
Tre orsaker lyftes fram som potentiella skäl till de otillfredsställande pann- och ångverkningsgraderna som Tekniska verken erhöll med sina beräkningar. De orsakerna var följande:
• Producerad ånga som ej går till turbin inkluderas ej i det ångflöde som ligger till grund för beräkningen av ångeffekten.
• Energiinnehållet i biobränslet för panna 3 förändras mellan den tidpunkt då bränslet anländer till lagringsplatsen och den tidpunkt då bränslet matas in i pannan, på grund av förmultning (berör endast panna 3).
• Problem med invägningen av bränslet. Antingen problem med fordonsvågen vid KV1 (berör både panna 1 och 3) eller att bränslevikten från invägningen på Gärstadområdet används vid beräkningen av den tillförda bränsleenergin till pannan (berör mest panna 3).
Abstract
The CHP-plant in Linköping (KV1) run by Tekniska verken has experienced an imbalance partly between the amount of fuel added to the boiler and the amount of produced steam, partly between the amount of produced steam and the amount of useful steam in the district heating grid. This thesis aimed to help Tekniska verken investigate the imbalance between the amount of added fuel and the amount of produced steam. The investigation was done by developing a method for calculating the direct and indirect efficiency through studying standards and old theses within the field. Initially there were no clear theory behind what caused the imbalance from Tekniska verken’s side.
Before the calculation of the direct and indirect efficiency was initiated, the credibility of the stationary flowmeters was verified. This was done by measuring several waterflows at KV1 with a handheld ultrasonic flowmeter and comparing the measured flows with the flows registered in the stationary flow meters. When the verification of the stationary flow meters was done, the
calculations of the indirect efficiency was initiated by collecting ash- and fuel samples for boiler 1 and 3. In connection with the collection of those samples, the air flow rate and temperature at the boiler surface was also measured. The ash- and fuel samples was sent for lab analysis. The collected data was applied in the calculation of unburnt fuel in the ashes, unburnt residual in gas phase, flue gas losses and convection- and radiation losses, which were variables that were necessary for calculating the indirect efficiency.
The indirect efficiency was calculated at 92,24 % for boiler 1 and 95,85 % for boiler 3. Those
efficiencies were both in line with the boilers expected efficiencies (85-90 % for boiler 1 and over 90 % for boiler 3.) and the efficiencies received in previous theses that had calculated the indirect efficiency in CHP-plants. Except the boiler efficiency, the steam efficiency was also received through the indirect efficiency. The steam efficiency received through indirect efficiency was 90,66 for boiler 1 and 88,79 % for boiler 3. To get perspective from a less complex method, the steam efficiency was also calculated with the direct method (90,22 % for boiler 1 and 97,78 % for boiler 3). Those results indicated that KV1 had higher boiler- and steam efficiencies than what Tekniska verken’s own calculation showed.
Three reasons were raised as potential causes to the unsatisfying boiler- and steam efficiencies that Tekniska verken received with their own calculations. Those reasons were the following:
• Produced steam that is not going to the turbine is excluded from the steam flow that the calculated steam effect is based on.
• The energy content of the biofuel in boiler 3 is changing between point when the fuel is delivered to the storage and the point when it’s fed in to the boiler, due to decay. • Problem with the weigh-in of the fuel. The problem could be related both to the vechicle
scale (affecting both boiler 1 and 3) or that the fuel weight from the weigh in at the Gärstad area is used in the calculation of the added fuel energy to the boiler (affecting mostly boiler 3).
Innehåll
Förord ... 2 Sammanfattning ... 3 Abstract ... 4 Nomenklatur ... 10 1. Inledning... 13 1.1 Bakgrund ... 14 1.2 Avgränsningar ... 17 1.3 Syfte ... 18 1.4 Frågeställningar ... 18 2. Teoretisk referensram ... 19 2.1 Allmänt om kraftvärmeverk... 19 2.1.1 Rankinecykeln ... 19 2.1.2 Kraftvärmeverkets komponenter ... 20 2.1.3 Kraftvärmeverk i Europa ... 24 2.1.4 Kraftvärmeverk i Sverige ... 26 2.2 Pannverkningsgrad ... 27 2.2.1 Direkt metod ... 27 2.2.2 Indirekt metod ... 28 2.3 Förbränning ... 33 2.3.1 Värmevärde ... 342.3.2 Beräkning av syre-, luft- och avgasmängder ... 34
2.4 Förbränningstekniker ... 38
2.4.1 Spreader stoker och Vanderroster ... 38
2.4.2 Låg-NOx-brännare ... 38 2.4.3 Trappstegsrosten ... 39 2.5 Reningstekniker i KV1 ... 40 2.5.1 Rökgaskondensering ... 40 2.5.2 Cykloner... 40 2.5.3 Elfilter ... 41 2.5.4 Spärrfilter (Slangfilter) ... 41 2.6 Mätutrustning ... 42 2.6.1 Ultraljudsflödesmätare ... 42 2.6.2 Värmekamera ... 44 2.6.3 Varmtrådsanemometer ... 45 2.7 Standarder ... 46
2.7.1 SS-EN 12952-15:2003 Vattenrörspannor och hjälpinstallationer – Del 15: Leveransprovning
... 46
2.7.2 ASME PTC 4-2008 Fired Steam Generators – Performance Test Codes ... 48
3. Litteraturstudie ... 51
4. Kraftvärmeverket i Linköping (KV1) ... 54
4.1 Bränslehantering ... 55
4.1.1 Hantering av flytande bränslen ... 55
4.1.2 Hantering av fasta bränslen ... 56
4.1.3 Analys av bränsle ... 57 4.2 Bränsleförbrukning för KV1 under 2016 ... 57 4.3 Elproduktion på KV1 ... 58 4.4 Användning av reducerånga ... 58 4.5 Pannornas reningsutrustning ... 59 4.5.1 Panna 1 ... 59 4.5.2 Panna 2 ... 59 4.5.3 Panna 3 ... 59
4.6 Beräkning av pann- och anläggningsverkningsgrad ... 60
5. Metod ... 61
5.1 Verifiering av värden som levereras till stationära mätare... 62
5.1.1 Val av mätpunkter för flödesmätningar med handhållen ultraljudsflödesmätare ... 63
5.1.2 Flödesmätningar på KV1 ... 64
5.2 Beräkning av pannverkningsgrad ... 65
5.2.1 Planering och testkriterier ... 66
5.2.2 Insamling av bränsleprover ... 69
5.2.3 Insamling av askprover ... 70
5.2.4 Värmefotografering ... 72
5.2.5 Beräkning av pannväggens temperatur ... 73
5.2.6 Lufthastighetsmätning ... 73
5.2.7 Analyser ... 74
5.2.8 Beräkning av förbränningsluftens och rökgasens specifika värmekapacitet ... 75
5.3 Redovisning av storlek på förlustfaktorer samt indirekt verkningsgrad ... 76
6. Resultat ... 77
6.1 Övningsmätningar med ultraljudsflödesmätare ... 77
6.2 Verifiering av mätvärden till stationära mätare ultraljudsflödesmätare ... 78
6.3 Värmefotografering av panna 1 och 3 ... 80
6.4 Mätning av luftflödeshastighet vid pannans yta... 81
6.6 Beräkning av luftkvot (φ) ... 83
6.7 Konvektions- och strålningsförluster ... 84
6.8 Bränsleanalys... 84
6.9 Askanalys ... 85
6.10 Rökgasernas specifika värmekapacitet (cp,rg) ... 85
6.11 Förbränningsluftens specifika värmekapacitet (cp,l) ... 86
6.12 Luft- och rökgasmängder ... 87
6.13 Rökgasförluster ... 87
6.14 Förluster från oförbränd rest i gasform ... 88
6.15 Förluster från oförbränd rest i aska ... 88
6.16 Indirekt verkningsgrad ... 88
6.17 Bränslemassflöde ... 90
6.18 Jämförelse med andra examensarbeten inom området... 90
6.19 Direkt verkningsgrad ... 92
7. Diskussion ... 93
7.1 Verifiering av mätvärden till stationära mätare ultraljudsflödesmätare ... 93
7.2 Val av metod för beräkning av verkningsgrad ... 93
7.2 Värmefotografering av väggarna på panna 1 och 3 ... 94
7.3 Mätning av luftflödeshastighet vid pannans yta... 95
7.4 Indirekt verkningsgrad panna 1 och 3 ... 95
7.5 Ångverkningsgrad panna 1 och 3... 98
7.6 Jämförelse mot resultat i tidigare arbeten ... 99
7.7 Felkällor ... 100
7.7.1 Beräkning av strålnings- och konvektionsförluster ... 100
7.7.2 Hantering av ask- och bränsleprover ... 101
7.7.3 Mätosäkerhet i labbresultat och mätinstrument ... 101
7.7.4 Jämförelse mellan den direkta metoden beräknad med matarvattenflödet och den direkta metoden beräknad med ångflödet ... 101
7.7.5 Jämförelse mellan den indirekta och direkta metoden ... 102
7.8 Förslag till fortsatt arbete ... 103
8. Slutsats ... 104
Referenser ... 105
Bilaga 1 – Mätresultat från verifiering av flödesvärden som levereras till stationära mätare ... 109
Bilaga 2 – Insamling av bränsleprover ... 114
Bilaga 3 – IR-bilder för panna 1 ... 117
Bilaga 4 – IR-bilder för panna 3 ... 123
Bilaga 6 – Analysrapport av bränsle från panna 1 ... 129
Bilaga 7 – Analysrapport av bränsleanalys från panna 3 ... 131
Bilaga 8 – Analysrapport av bottenaska från panna 1 ... 133
Bilaga 9 – Analysrapport av flygaska från panna 1 ... 134
Bilaga 10 – Analysrapport av bottenaska från panna 3 ... 135
Bilaga 11 – Analysrapport av cyklonaska från panna 3 ... 136
Bilaga 12 – Analysrapport av elfilteraska från panna 3 ... 137
Bilaga 13 – Bränslemall panna 1 ... 138
Bilaga 14 – Bränslemall panna 3 ... 139
Bilaga 15 – Beräkning av strålnings- och konvektionsförluster för panna 1 ... 140
Bilaga 16 – Beräkning av strålnings- och konvektionsförluster för panna 3 ... 142
Bilaga 17 – Beräkning av luft- och rökgasmängder för panna 1 ... 144
Bilaga 18 – Beräkning av luft- och rökgasmängder för panna 3 ... 146
Bilaga 19 – Beräkning av specifik värmekapacitet för rökgas och förbränningsluft i panna 1 ... 148
Bilaga 20 – Beräkning av specifik värmekapacitet för rökgas och förbränningsluft i panna 3 ... 150
Bilaga 21 – Beräkning av rökgasförluster för panna 1 ... 152
Bilaga 22 – Beräkning av rökgasförluster för panna 3 ... 153
Bilaga 23 – Beräkning av förluster från oförbränd rest i gasform för panna 1 ... 155
Bilaga 24 – Beräkning av förluster från oförbränd rest i gasform för panna 3 ... 156
Bilaga 25 – Beräkning av förluster från oförbränd rest i aska för panna 1 ... 157
Bilaga 26 - Beräkning av förluster från oförbränd rest i aska för panna 3 ... 158
Bilaga 27 - Beräkning av verkningsgrad med indirekt metod för panna 1 (Rökgastemperatur i skorsten) ... 159
Bilaga 28 – Beräkning av verkningsgrad med indirekt metod för panna 3 (Rökgastemperatur i skorsten) ... 160
Bilaga 29 – Beräkning av verkningsgrad med indirekt metod för panna 1 (Rökgastemperatur vid fjärrvärmeekonomiser) ... 161
Bilaga 30 - Beräkning av verkningsgrad med indirekt metod för panna 3 (Rökgastemperatur vid fjärrvärmeekonomiser) ... 162
Bilaga 31 - Beräkning av verkningsgrad med indirekt metod för panna 1 (Rökgastemperatur direkt efter panna) ... 163
Bilaga 32 - Beräkning av verkningsgrad med indirekt metod för panna 3 (Rökgastemperatur direkt efter panna) ... 164
Bilaga 33 – Beräkning av bränslemassflöde till panna 1 ... 165
Bilaga 34 – Beräkning av bränslemassflöde till panna 3 ... 166
Bilaga 35 – Beräkning av direkt verkningsgrad till panna 1 (Ångflöde) ... 167
Bilaga 36 – Beräkning av direkt verkningsgrad till panna 3 (Ångflöde) ... 168
Nomenklatur
Ackumulatortank – Utjämnar kortvariga variationer i värmebehovet. Då värmebehovet är lågt laddas
tanken med varmvatten från fjärrvärmenätets framledning. Då värmebehovet är stort töms tanken på varmvatten.
BAT – Bästa tillgängliga teknik.
Bränslemassflödet, 𝒎̇𝒃,𝒕𝒔 (kg/s) – Det bränsleflöde som tillförs pannan varje sekund.
Den specifika värmekapaciteten, cp,l (MJ/mol*°C) – Anger ett ämnes förmåga att lagra termisk
energi.
Direkt verkningsgrad, ƞ𝐝𝐢𝐫𝐞𝐤𝐭 (%) – Verkningsgrad som erhålls genom att dividera den nyttiga
effekten med den tillförda effekten.
Dynamisk diffusivitet – Mediets viskositet dividerat på mediets densitet.
Ekonomiser – Eftereldyta som återvinner värme i rökgaserna.
Emissivitetskonstanten, Ɛ – Anger hur står andel av ljuset som absorberas av ett material.
Konstanten kan anta värden mellan 0 och 1.
Expansionskärl – Fungerar som tryckhållningssystem i kraftvärmeverk.
Fuktkvot, φ – Beskriver förhållandet mellan torra och fuktiga komponenterna i luften.
Förbränningsluftens temperatur, Tl (°C) – Temperatur på förbränningsluften då den matas in i
pannan.
Grot – Bränsle som förbränns i panna 3 och utgörs av grenar och toppar från skogsindustrin.
Indirekt verkningsgrad, ƞ𝐈𝐧𝐝𝐢𝐫𝐞𝐤𝐭 (%) – Verkningsgrad som erhålls genom att dividera differensen
mellan en hundraprocentig verkningsgrad och summan av alla värmeförluster, med den tillförda värmeeffekten.
Kondensor – Värmeväxlare som värmer fjärrvärmevattnet genom ångan från pannorna.
Konvektions- och strålningsförluster, 𝑸̇𝒔𝒕 (%) – Förlusterna som utgörs av värmeledning i form av
konvektion och strålning.
KV1 – Tekniska verkens interna namn på Kraftvärmeverket i Linköping.
Luftfaktorn, m – En kvot mellan det totala fuktiga luftbehovet samt det stökiometriska luftbehovet.
Luftförvärmare – Höjer temperaturen på förbränningsluften innan den leds in i pannan.
Nusselt-talet, Nu – Är en kvot mellan konvektiv och konduktiv värmeöverföring genom ett termiskt
gränsskikt.
Nyttig effekt (MW) – Den effekt som tillvaratas av en anläggning, process etc.
Oförbränd rest i aska, ffr (%) – Förlust som utgörs av oförbränt material i askan.
Oförbränd rest i gasform, fCO (%) – Förluster som uppstår vid ofullständig förbränning. Förlusten
består till allra största del av kolmonoxid (CO).
Pannverkningsgrad (%) – Hur stor andel av bränslets energiinnehåll som nyttiggörs genom ångeffekt
och rökgasåtervinning.
Prandtl-talet, Pr – Beskriver förhållandet mellan den dynamiska och termiska diffusiviteten.
Reducerånga – Producerad ånga som ej går till turbin och används för andra syften i anläggningen.
Reynolds-talet, Re – Kvot som beskriver förhållandet mellan tröghetskrafterna i en vätska.
Rökgasförluster, frg (%) – Utgörs av den värme som avges med rökgaserna ut ur skorstenen. En av de
förlustfaktorer som återfinns i den indirekta verkningsgraden.
Rökgaskondensering – Teknik som återvinner värme i rökgaser genom att kyla ner och öka trycket på
rökgaserna, vilket får vattenångan i rökgaserna att kondensera. Rökgaserna kyls ofta med returvattnet från fjärrvärmenätet.
SRF – Bränsle som förbränns i panna 3 och utgörs av papper, plast, nedskurna mattbitar och diverse
textiler.
Stefan Boltzmanns konstant, σ (W/m2*K4) – Konstant som finns inkluderad i Stefan Boltzmanns-lag,
som beskriver värmestrålning från en kropp. Konstanten har värdet 5,670 * 10-8 W/m2*K4.
Stökiometrisk förbränning – Förbränning där syrgastillgången exakt motsvarar syrgasmängd som
krävs för att fullständigt för bränna ett bränsle.
Stökiometriskt luftbehov, 𝒍𝟎,𝑻𝑺 (mol/kg bränsle) – Den totala mängden torr och fuktig luft som
behövs för att uppnå stökiometrisk förbränning av ett bränsle.
Termisk diffusivitet - Materialets värmeledningsförmåga dividerat med densitet och specifik
värmekapacitet.
Tillförd effekt (MW) - Den effekt som tillförs pannorna.
Torr luft, l0t, TS (mol/kg bränsle) – Mängden torr luft som behövs för att uppnå stökiometrisk
förbränning.
Torr substans – Utgörs av bränslets brännbara substans samt bränslets askhalt.
Torra rökgaser, 𝒈𝒕,𝑻𝑺 (mol/kg bränsle) - Den totala mängden torr rökgas som bildas vid
Torra stökiometriska rökgaser, g0t, TS (mol/kg bränsle) – Den totala mängden torr rökgas som bildas
vid stökiometrisk förbränning.
Total mängd stökiometriska rökgaser, 𝒈𝟎,𝑻𝑺 (mol/kg bränsle) – Den totala mängden fuktiga rökgaser
som bildas vid stökiometrisk förbränning av ett bränsle.
Totala rökgaser, 𝒈𝑻𝑺 (mol/kg bränsle) – Mängden totala rökgaser som bildas då ett bränsle
förbränns.
Totalt fuktigt luftbehov, 𝒍𝑻𝑺 (mol/kg bränsle) – Mängden luft som krävs för att fullständigt förbränna
ett bränsle.
Värmevärde, Hi,d (MJ/kg) – Är ett mått på den värmemängd som per mängdenhet bränsle utvecklas
vid fullständig förbränning.
Ångbildningsentalpin, r (kJ/kg) – Den värmeenergi som måste tillföras vid konstant temperatur för
att förånga 1 gram eller 1 mol av ett ämne. För vatten är ångbildningsentalpin lika med 2442 kJ/kg vid 25 °C.
Ångdom – Är placerad högst upp på pannhuset och har som uppgift att separera ånga och vätska
innan överhettaren.
Ångverkningsgrad (%) – Hur stor andel av bränslets energiinnehåll som omvandlas till ångenergi.
Överhettare – Kontrollerar ångans slutgiltiga temperatur innan den lämnar pannan genom att spraya
1. Inledning
I dagsläget kommer två tredjedelar av den globala energiomvandlingen från fossila bränslen. Under det senaste seklet har koldioxidutsläppen ökat snabbare än någonsin, energisektorn har släppt ut mer koldioxid under de senaste 27 åren, än under alla föregående år. De ökade koldioxidutsläppen har varit starkt bidragande till de klimatförändringar som jorden erfar idag. Internationella
energimyndigheten (IEA) menar att energieffektivisering kommer vara den starkaste bidragande faktorn till minskade växthusgasutsläpp fram till år 2030. Enligt IEA kommer energieffektivisering stå för 49 % av de minskade koldioxidutsläppen. (IEA, 2015)
Under perioden 2000–2016 har den globala elproduktionen ökat från 13 300 TWh till 20 800 TWh. Framförallt är det produktionen från kol, förnyelsebart och gas som ökat. Samtidigt har produktionen från kärnkraft och olja i princip inte ökat alls (Enerdata, 2017).
En vanlig metod för att producera el är värmekraft. Värmekraft är ett samlingsnamn för kraftslag som använder värme för att producera el. I Sverige är det vanligast att använda avfall eller biobränsle, som bränsle i förbränningsprocessen. På en global nivå är det dock kol, olja och naturgas som är de dominerande bränslena. Verkningsgraden för elproduktionen är beroende av storleken på tryck- och temperaturskillnaden, före och efter turbinen. Ju större tryck- och temperaturskillnad, desto högre elutbyte erhålls. Det spelar alltså stor roll hur mycket ångan kyls ned efter turbinen. I ett
värmekraftverk kyls ångan med havs-, sjö-, eller flodvatten. Finns inte detta att tillgå används uteluft. I denna typ av anläggning tas följaktligen ingen värme till vara. Denna typ av kraftverk kallas för kondenskraftverk. Verkningsgraden för kondenskraftverk är cirka 35 % för äldre anläggningar. Inom EU ligger den genomsnittliga verkningsgraden för kondenskraftverk på 38 %. Nyare kondenskraftverk med gas som bränsle kan ha en verkningsgrad på upp till 60 %. (Byman, 2015)
En metod för att producera värme och el på ett mer effektivt sätt är kraftvärmeverken. Jämfört med kondenskraftverk, tas spillvärme från elproduktionen till vara i kraftvärmeverk. Spillvärmen används till att producera fjärrvärme. För att leverera tillräckligt höga temperaturer i fjärrvärmenätet kan inte kylningen vara lika omfattande i ett kraftvärmeverk som i ett kondenskraftverk där endast el
produceras. Elverkningsgraden blir cirka 10–15 % lägre i ett kraftvärmeverk, i utbyte erhålls dock en total verkningsgrad i anläggningen på cirka 90 %. Sverige har prioriterat värmeproduktionen till fjärrvärmenätet framför elproduktionen, som varit en biprodukt. Kraftvärmeverk i Sverige är av denna anledning beroende av att det finns ett värmeunderlag (Byman, 2015).
År 2004 röstade Europaparlamentet igenom direktivet 2004/8/EG, vars syfte är att öka energieffektiviteten och förbättra försörjningstryggheten genom främjande och utveckling av högeffektiv kraftvärme (EU, 2004). Under 2009 stod kraftvärmeverken inom EU för 11,4 % av den producerade elen, samt 15,2 % av värmeproduktionen (European Envirionment Agency, 2012). I dokumentet ”LCP BREF” (Best Available Techniques (BAT) Reference Document for Large
Combustion Plants) slår Europakommissionen fast att kraftvärmeverk som eldas med kol bör ha en verkningsgrad på 75-97 %, samt att kraftvärmeverk som eldas med biomassa bör ha en verkningsgrad på 73-99 % (Europakommissionen, 2016). I en utredning på uppdrag från svenska staten slås det fast att rimliga verkningsgrader för kraftvärmeverk med BAT är 90–93 %, beroende på vilket bränsle som används i anläggningen (SOU,2005). I samma utredning slås det även fast att 85 % är en
Idag upplever Tekniska verken i Linköping AB en obalans mellan tillförd och nyttig energi i Linköpings kraftvärmeverk (hädanefter kallat KV1). Obalansen observeras dels mellan mängden tillfört bränsle och mängden producerad ångenergi, dels mellan mängden ångenergi och mängden värme som skickas ut i fjärrvärmenätet. Obalansen är större än vad som kan förklaras av normala och kända förluster. I detta projekt kommer en energikartläggning av KV1 att genomföras. Energikartläggningen kommer fokusera på att identifiera obalansen mellan mängden tillfört bränsle och mängden
producerad ångenergi.
1.1 Bakgrund
Tekniska verken i Linköping AB (hädanefter kallat TvAB) är ett kommunägt företag som erbjuder elnät, belysning, vatten, fjärrvärme, fjärrkyla, avfallshantering, bredband, biogas, effektiva
energilösningar samt elhandel till 230 000 privat- och företagskunder (Tekniska verken, 2017b). TvAB har sex stycken dotterbolag: Svensk Biogas i Linköping AB, Bixia AB, Tekniska verken Linköping Nät AB, Tekniska verken Katrineholm Nät AB, Utsikt Bredband AB samt Tekniska verken i Linköping Vind AB (Tekniska verken, 2017b). Under 2016 redovisade TvAB en vinst på 671 miljoner kronor samt 4,6 miljarder i nettoomsättning (Tekniska verken, 2017b).
Under 2016 producerades 543 GWh el inom TvAB koncernen. Produktionen fördelade sig i 342 GWh el från kraftvärme och 200 GWh el från vattenkraft (Tekniska verken, 2017c). Kraftvärmen kommer från de fyra kraftvärmeverken Lejonpannan, Gärstadverket, KV1 och Kraftvärmeverket i Katrineholm (Tekniska verken, 2017b). Vattenkraften kommer från 38 stycken vattenkraftverk fördelat över sju stycken vattendrag (Tekniska verken, 2017d). År 2016 producerades 1844 GWh värme i
kraftvärmeverken som levererades till fjärrvärmenätet (Tekniska verken, 2017e).
Figur 1-3 åskådliggör verkningsgraderna (se kapitel 4.6 för beräkningsmetod) samt den producerade
mängden ångenergi för de tre pannorna under varje månad de varit aktiva för perioden januari 2016-december 2017. Ett normalt år är KV1 aktivt från september till april. Övriga månader täcks
Linköpings el- och värmebehov av de andra kraftvärmeverken i Linköping (Gärstadverket och Lejonpannan). En anläggningsingenjör på KV1 menar att panna 1 och 2 bör ha en verkningsgrad på 85–90 %, och panna 3 bör ha en verkningsgrad över 90 % (Johansson, 2018a). Panna 2 har en
verkningsgrad över 85 % under fyra av fem månader då den varit aktiv. Panna 1 har en verkningsgrad över 85 % under två av nio månader då den varit aktiv. Panna 3 har inte uppnått en verkningsgrad över 90 % under någon av de tretton månader där den varit aktiv.
Figur 1. Verkningsgraden för panna 1 under perioden januari 2016-december 2017, tillsammans med den producerade
ångeffekten för samma period. De månader där verkningsgraden och den producerade ångenergi är noll har pannan varit nedsläckt och ej använts.
Figur 2. Verkningsgraden för panna 2 under perioden januari 2016-december 2017, tillsammans med den producerade
ångeffekten för samma period. De månader där verkningsgraden och den producerade ångenergi är noll har pannan varit nedsläckt och ej använts.
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000 0,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0% 50,0% 60,0% 70,0% 80,0% 90,0% 100,0% ja n -1 6 fe b -1 6 ma r-16 ap r-16 ma j-1 6 ju n -1 6 ju l-16 au g-1 6 se p -1 6 o kt-1 6 n o v-1 6 d ec-1 6 ja n -1 7 fe b -1 7 ma r-1 7 ap r-17 ma j-1 7 ju n -1 7 ju l-17 au g-1 7 se p -1 7 o kt-1 7 n o v-1 7 d ec-1 7 år e t 2 0 16 år e t 2 0 17 P ro d u cer ad ån gen er gi (M W h ) P an n ver ki n gs gr ad (%)
Pannverkningsgrad och producerad ångenergi P1
Pannverkningsgrad (P1) MWh ånga 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 0,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0% 50,0% 60,0% 70,0% 80,0% 90,0% 100,0% ja n -1 6 fe b -1 6 ma r-16 ap r-16 ma j-1 6 ju n -1 6 ju l-16 au g-1 6 se p -1 6 o kt-1 6 n o v-1 6 d ec-1 6 ja n -1 7 fe b -1 7 ma r-1 7 ap r-17 ma j-1 7 ju n -1 7 ju l-17 au g-1 7 se p -1 7 o kt-1 7 n o v-1 7 d ec-1 7 år e t 2 0 16 år e t 2 0 17 P ro d u cer ad ån gen er gi (MW h ) P an n ver kn in gs gr ad (%)
Pannverkningsgrad och producerad ångenergi P2
Figur 3. Verkningsgraden för panna 3 under perioden januari 2016-december 2017, tillsammans med den producerade
ångeffekten för samma period. De månader där verkningsgraden och den producerade ångenergi är noll har pannan varit nedsläckt och ej använts.
0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 0,0% 10,0% 20,0% 30,0% 40,0% 50,0% 60,0% 70,0% 80,0% 90,0% 100,0% ja n -1 6 fe b -1 6 ma r-1 6 ap r-16 m aj -1 6 ju n -1 6 ju l-16 au g-1 6 se p -1 6 o kt-1 6 n o v-1 6 d ec-1 6 ja n -1 7 fe b -1 7 ma r-1 7 ap r-17 m aj -1 7 ju n -1 7 ju l-17 au g-17 se p -1 7 o kt-1 7 n o v-1 7 d ec-1 7 år e t 2 0 16 år e t 2 0 17 P ro d u cer ad ån gen er gi (MW h ) P an n ver kn in gs gr ad (%)
Pannverkningsgrad och producerad ångenergi P3
1.2 Avgränsningar
Denna rapport fokuserade på obalansen mellan tillfört bränsle och producerad ångenergi. Av denna anledning inkluderas pannan inom systemgränsen. Dessutom inkluderas rökgasreningen,
ekonomisern och skorstenen (för panna 3 inkluderas även rökgaskondensering). De flöden som korsar systemgränsen är bränsle, matarvatten och förbränningsluft. Utgående flöden ur systemet är ånga, aska och diverse förluster. Förlusterna utgjordes av oförbränt bränsle i askan, oförbränt bränsle i gasform, konvektionsförluster, strålningsförluster samt rökgasförluster. Systemen för panna 1 och 3 åskådliggörs i Figur 4 och Figur 5. Panna 2 exkluderades ur projektet på grund av att denna panna inte upplevde otillfredsställande verkningsgrader i samma utsträckning som panna 1 och 3 (vilket kan ses i Figur 2), samt för att pannan endast var aktiverad under ett fåtal dagar av projektet. Turbinen och generatorn ansågs inte ha någon större inverkan på obalansen mellan mängden tillfört bränsle och mängden producerad ånga, vilket gjorde att dessa exkluderades från systemet.
Figur 4. Systemgränsen för panna 1. Då projektet fokuserade på obalansen mellan mängden tillfört bränsle och mängden
producerad ånga inkluderades inte turbin, generator och fjärrvärmeflödet inom systemgränsen. De flöden som korsar systemgränsen är matarvatten, bränsle, förbränningsluft, aska, ånga samt diverse förluster. Förlusterna utgjordes av oförbränt bränsle i askan, oförbränt bränsle i gasform, konvektionsförluster, strålningsförluster och rökgasförluster.
Figur 5. Systemgränsen för panna 3. Då projektet fokuserade på obalansen mellan mängden tillfört bränsle och mängden
producerad ånga inkluderades inte turbin, generator och fjärrvärmeflödet inom systemgränsen. De flöden som korsar systemgränsen är matarvatten, bränsle, förbränningsluft, aska, ånga samt diverse förluster. Förlusterna utgjordes av oförbränt bränsle i askan, oförbränt bränsle i gasform, konvektionsförluster, strålningsförluster och rökgasförluster. Till skillnad från systemet för panna 1 inkluderas rökgaskondensering i detta systemet. Anledningen till detta är att panna 1 inte
1.3 Syfte
Syftet med detta arbete är att hjälpa TvAB att utreda den upplevda obalansen mellan mängden tillfört bränsle och mängden producerad ånga i panna 1 och 3 i kraftvärmeverket KV1. Utredningen kommer utföras genom att upprätta en systemgräns runt KV1 och studera de energibärande flödena som passerar denna gräns. Detta ska göras genom att ta fram en metod för att beräkna den indirekta pannverkningsgraden som är applicerbar på KV1 och andra kraftvärmeverk. Slutligen kommer den indirekta pannverkningsgraden jämföras med den direkta för att få perspektiv från två metoder med olika komplexitet.
1.4 Frågeställningar
I detta arbete besvaras följande frågeställningar:
• Vad är orsaken till den upplevda obalansen hos panna 1 och 3 i KV1?
• Hur står sig pannverkningsgraderna i KV1 jämfört med pannverkningsgraderna i andra kraftvärmeverk?
• Vilken av den direkta eller indirekta verkningsgradsmetoden är mest lämplig att applicera på kraftvärmeverk?
2. Teoretisk referensram
Detta kapitel presenterar den teoretiska referensramen som rapporten baseras på.
2.1 Allmänt om kraftvärmeverk
Detta kapitel beskriver inledningsvis teorin bakom den ideala cykeln för ångprocesser
(Rankinecykeln). Därefter beskrivs de viktigaste tekniska komponenterna i ett kraftvärmeverk. Avslutningsvis beskriver kapitlet hur kraftvärmeverk används inom EU och Sverige.
2.1.1 Rankinecykeln
Rankinecykeln är den ideala cykeln för ångprocesser. Cykeln inleds med att mediet (i detta fall vatten) tillförs pannan. Vattnet leds in i pannväggarna och förångas av värmen från förbränningen (Byman, 2015). Vattenångan transporteras sedan till en turbin där rörelseenergin i ångan omvandlas till mekaniskt arbete (Byman, 2015). I turbinen finns en rotor med skovlar som omvandlar
rörelseenergin i ångan till rotationsenergi i rotoraxeln (Byman, 2015). Rotoraxeln i sin tur driver en elgenerator. I kondensorn kyls sedan vattenångan ner, vilket resulterar i att vattenångan
kondenserar till vatten. Kondensorn fungerar som en värmeväxlare (Graham Corporation, 2017). Vattenångan passerar genom ett långt rör (röret är ofta anordnat som en spole), där värmen kan strömma ut i den omgivande luften (Graham Corporation, 2017). Värmeledande metaller, t.ex. koppar används för att transportera ångan (Graham Corporation, 2017). I större kondensorer används oftast vatten eller någon annan vätska som köldmedium istället för luft (Graham
Corporation, 2017). Kondensatet från kondensorn cirkuleras sedan in i pannan igen och återanvänds. Denna typ av drift kallas kondensdrift och tillämpas i kraftverk där elproduktionen endast är av intresse. I kraftvärmeverk tillämpas mottrycksdrift, vilket innebär att spillvärmen från turbinen tas tillvara för att producera fjärrvärme. I mottrycksdrift kyls ångan i turbinen ned mot fjärrvärmenätet. I
Figur 6 nedan åskådliggörs en översikt av Rankinecykeln. I figuren motsvarar wpump, in det arbete som
behöver tillföras för att pumpa vattnet in i pannan, qin motsvarar den värme som tillförs mediet i pannan, wturb, ut motsvarar det arbete som levereras ut från turbinen då ångan expanderar och qut motsvarar den värme som bortförs ångan i kondensorn och köldmediet (Uppsala Universitet, 2012).
Figur 6. Grafisk översikt av Rankinecykeln. Vatten pumpas in väggarna på pannan där det förångas av värmen från
förbränningen. Rörelseenergin i vattenångan omvandlas till mekaniskt arbete i turbinen. I kondensorn kyls sedan vattenångan ned. Kondensatet från kondensorn cirkuleras sedan in i pannan och återanvänds.
2.1.2 Kraftvärmeverkets komponenter
I detta kapitel beskrivs de viktigaste tekniska komponenterna av ett kraftvärmeverk. Inledningsvis beskrivs ångpannans syfte och dess viktigaste komponenter. Dessa komponenter är förångaren, överhettaren, ekonomisern och luftförvärmare. Sedan beskrivs andra viktiga komponenter för kraftvärmeverket som inte är en del av ångpannan, t.ex. kondensorer och ackumulatortankar.
2.1.2.1 Ångpannan
Ångpannans syfte i en ångkraftprocess är att omvandla det inmatade vattnet till ånga. Den energi som frigörs då ett bränsle förbränns värmer vattnet till den grad att ånga bildas. Cykeln för ångprocesser beskrivs i föregående kapitel. I detta kapitel beskrivs de tekniska aspekterna av huvudkomponenterna i en ångpanneanläggning. De komponenter som kommer beskrivas närmare i detta kapitel är; förångare, överhettare, ekonomiser, luftförvärmare samt ångdomen. I Figur 7 åskådliggörs ett principiellt kopplingsschema för en ångpanna. Observera att ångdomen inte inkluderats i denna bild.
Figur 7. Principiellt kopplingsschema för en ångpanna.
2.1.2.1.1 Förångare
Förångningen sker i gränsytan mellan vätske- och gasfas. Denna gränsyta kan vara den fria vätskeytan eller begränsningsytan av en redan befintlig ångblåsa eller ångfilm. Ångblåsorna utgår från bestämda punkter i den uppvärmda ytan. Många gånger utgörs dessa punkter av mikroskopiska fördjupningar, porer eller rispor, där små gasmängder finns. Mängden ångbildningscentra beror starkt på vätskans renhet, ytans egenskaper samt värmeflödets intensitet. På noggrant rengjorda ytor i kontakt med gasfria vätskor har det observerats hur bildande av ångblåsor uteblivit vid 100 °C överhettning. Om en blåsa uppstår på grund av en störning i denna situation, skulle den lagrade energin i vätskan ge upphov till explosionsartad kokning. Detta kan leda till att apparaten förstörs. (Alvarez, 2003)
Förångningen i ångpannan sker huvudsakligen i de vattenförande tuber som bildar eldstadens väggar, tak och botten. Värmen till dessa tuber överförs genom strålning. Vattencirkulationen i ångpannor kan åstadkommas både på naturlig väg och via externa drivkällor. För att cirkulationen ska ske på naturlig väg är det viktigt att det finns en tillräckligt stor skillnad mellan vattnets och den mättade ångas densitet. Några viktiga skäl till att uppnå en tillfredställande cirkulation är; tillräcklig kylning av värmeytorna och undvikande av värmespänningar på grund av ojämn kylning. Används cirkulationspump istället för naturlig cirkulation, blir densitetsskillnaden vatten och ånga mindre viktig. (Alvarez, 2003)
2.1.2.1.2 Överhettare
För att höja processens termiska verkningsgrad, uppvärms den ånga som lämnar koktuberna eller ångdomen till temperaturer över kokpunkten vid rådande ångtryck. Detta sker i ångpannans överhettare. Genom att spraya in vatten i ångan, kontrolleras ångans slutgiltiga temperatur innan den lämnar pannan. I överhettaren är ångvolymen ganska liten. På grund av detta behövs höga ånghastigheter (cirka 10–25 m/s) för att få tillräcklig värmeöverföring. Höga ånghastigheter innebär stora tryckförluster. Tryckförlusten i överhettaren är mer än 10 % av ångans tryck. (Alvarez, 2003)
2.1.2.1.3 Ekonomiser
Ekonomisern utgör ångpannas eftereldytor. Eftereldytor är de värmeupptagande delar av
anläggningen där förbränningsgaserna till sist kyls innan de leds till rökgasreningen. Det är önskvärt att ha en så låg avgastemperatur som möjligt eftersom det höjer pannans verkningsgrad.
För att minska korrosion och beläggningar bör vattnets temperatur vid inträdet i ekonomisern ligga över rökgasernas daggpunkt. I ekonomisern strömmar matarvattnet (vattnen av mycket hög renhet som matas in i pannan) i tuber som är släta eller flänsade. Tuberna är oftast gjorda av gjutjärn eller stål. Rökgaserna från förbränningen strömmar vinkelrätt på utsidan av tuberna. Värmen från rökgasen gör att matarvattnet förvärms innan det förs in i pannans ångbildande cirkulationskrets. (Alvarez, 2003)
2.1.2.1.4 Luftförvärmare
I luftförvärmaren värms förbränningsluften av rökgaser innan den leds in i pannan. Detta leder till att temperaturen på pannans avgaser sänks, vilket resulterar i höjd verkningsgrad för pannan.
Luftförvärmaren ger också högre temperaturer i eldstaden, vilket medför förbättrade
förbränningsreaktioner och förbättrad ånggenerering. Det är möjligt att använda sig endast av ekonomiser, eller endast av luftförvärmare. Oftast är dock en kombination av de båda den rätta lösningen. (Alvarez, 2003)
2.1.2.1.5 Ångdomen
Ångdomen är placerad högst upp i pannan och har som uppgift att vara balanskärl för kokningen i ångtuberna. Figur 8 nedan åskådliggör ångdomen för panna 1 i KV1. I domen separeras ånga och vätska innan ångan tas till överhettaren. Om separationen fungerar som den ska, blir nivån av vätskedroppar i ångan låg. Separationen bygger på densitetsskillnad. Det är viktigt att vattennivån i ångdomen regleras och varken blir för hög eller för låg. Vid för hög nivå finns det stor risk att vatten kan följa med till överhettaren. Vid för låg vattennivå riskerar kylningen i pannans tuber bli otillräcklig på grund av torrkokning, vilket i sin tur kan störa vattencirkulationen i pannan. (Wester, 1998)
Figur 8. Ångdomen på panna 1 i KV1.
2.1.2.2 Kondensorer
I kapitel 2.1.1 gavs en teknisk beskrivning av kondensorn, samt dess syfte i ett kraftvärmeverk. Det finns tre olika typer av kondensorer som används i kraftvärmeverk; kallvatten-, varmvatten- och direktkondensorer.
• Kallvattenkondensorer – Kallvattenkondensorn fungerar likt den kondensor som beskrivs i kapitel 2.1.1. Denna typ av kondensor finns alltid i omedelbar anslutning till
kondenseringsturbinen och ställs direkt under den. Kallvattenkondensorer spelar en större roll i kondenseringskraftverk för enbart elkraftproduktion. I kraftvärmeverk ersätts de helt eller delvis av varmvattenkondensorer. För att kunna täcka spetsarna i elkraftbehovet utrustas någon av turbinerna i kraftvärmeverket med kallvattenkondensor. (Alvarez, 2003) • Varmvattenkondensorer – I denna kondensor uppvärms fjärrvärmevattnet från cirka 30–60
°C, till cirka 70–120 °C. Den temperatur som fjärrvärmevattnet uppvärms till, bestämmer turbinernas mottryck (det tryck som krävs i turbinen för att ångan ska strömma ur den). Fjärrvärmenätets vatten eller ånga används som kylmedium, och kondenserar turbinens avloppsånga. (Alvarez, 2003)
• Direktkondensorer – I denna typ av kondensor tryckreduceras pannans ånga och förbipasseras turbinerna, för att direkt värma fjärrvärmenätets vatten. (Alvarez, 2003)
2.1.2.3 Ackumulatortank
Ackumulatortanken bidrar till att utjämna kortvariga variationer i värmebehovet. Under de delar av dygnet då värmen efter värmeproduktionen överstiger värmebehovet laddas ackumulatortanken. Laddning innebär att varmvatten från fjärrvärmenätets framledning ledes till ackumulatorernas toppskikt. Samtidigt blandas tankens utgående kalla vatten med fjärrvärmenätets returvatten. Under de delar av dygnet där värmebehovet överstiger värmeproduktionen sker istället urladdning.
Urladdning innebär att ackumulatortanken avtappas det varma vattnet från toppskiktet och leds till fjärrvärmenätets framledning. Parallellt ersätts detta vatten med fjärrvärmenätets returvatten. (Alvarez, 2003)
2.1.2.4 Expansionskärl
För att kunna driva fjärrvärmenätet behövs någon typ av tryckhållningssystem. I ett kraftvärmeverk fungerar expansionskärl som detta. Ofta används ånga eller en särskild tryckhållningspump för att behålla trycket i ett expansionskärl. Det finns två typer av expansionskärl, öppna expansionskärl och slutna expansionskärl. Då öppna expansionskärl i stort sett inte används längre, beskrivs denna typ av utrustning inte i denna rapport. Det finns ett antal olika typer av slutna expansionskärl, men oftast fungerar de efter samma princip. Inuti kärlen finns det en luftficka som komprimeras då vatten flödar in i tanken, vilket gör att både luft- och vattentrycket i systemet ökar. (Taylor, 2016)
2.1.3 Kraftvärmeverk i Europa
Under 2013 producerades 77 % av all elektricitet inom EU, av kraftverk som endast producerar elektricitet (Europakommissionen, 2016). Kraftvärmeverk producerade 15 % av elektriciteten inom EU samma år (Europakommissionen, 2016). Detta är en ökning med 3,6 % från år 2009 då 11,4 % av elektriciteten inom EU producerades från kraftvärmeverk (European Environmental Agency, 2012). De dominerade bränsletyperna i kraftvärmeverk under 2009 var naturgas (39,4 %) och fasta bränslen (34,8 %) (European Environmental Agency, 2012). I uttrycket fasta bränslen ingår t.ex. kol, torv och träpellets. Andelen förnyelsebara bränslen under 2009 uppgick till 11,0 % (European Environmental Agency, 2012). Andelen kraftvärmeverk som använde olja eller oljeprodukter till bränsle var endast 5,5 %, under 2009 (European Environmental Agency, 2012). Anledningen till att naturgas föredras, är att det visar upp flexibilitet i dess värme-till-elförhållande (detta förhållande beskriver andelen elektrisk energi gentemot andelen värmeenergi i ett kraftvärmesystem), samt är mer miljövänligt än flytande fossila bränslen (European Environmental Agency, 2012). Fördelningen mellan olika
bränsletyper varierar kraftigt från land till land (European Environmental Agency, 2012). För länder som Finland och Sverige utgör förnyelsebara bränslen den största andelen av den totala
bränsletillförseln i våra kraftvärmeverk (European Environmental Agency, 2012). I Tyskland och Italien dominerar naturgas, medan i Polen och Tjeckien används nästan uteslutande kol i kraftvärmeverken (European Environmental Agency, 2012).
Mängden kraftvärmeverksproducerad elektricitet varierar inom EU. Länder med en stor marknadsandel av elektricitet från kraftvärmeverk är Danmark (45 %), Finland (36 %) och
Nederländerna (33 %) (Amiri, 2013). Dessa tre länders elproduktion från kraftvärme kan jämföras med genomsnittet inom EU som ligger på cirka 11,4%. I Figur 9 åskådliggörs andelen elektricitet producerad från kraftvärme inom EU, för år 2009.
Figur 9. Andelen elproduktion från kraftvärme inom EU år 2009. Danmark, Finland och Nederländerna, är exempel på
länder med en relativt stor andel elproduktion från kraftvärme.
0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% 30,0% 35,0% 40,0% 45,0% 50,0% EU -2 7 EU 2 5 D an mar k Fi n lan d N ed er län d er n a Un ger n Let tl an d Sl o vak ie n P o len B el gi en Li tau en Tje ck ie n Ös ter ri ke Ty sk lan d P o rt u gal Ru män ien Sv er ig e It al ien Lu xembu rg B u lg ar ien Es tl an d Sp an ien St o rb ri tan n ien Ir la n d Sl o ven ien Fr an kr ik e G rek lan d C yp er n M al ta A n d e l e l f rå n kr af tv är m e ve rk av t ot al e lp rod u kt ion
Andelen elproduktion från kraftvärme inom EU
2009
Det finns också en variation gällande andelen värme producerat från kraftvärmeverk, mellan de olika medlemsstaterna inom EU. Länder med en stor marknadsandel av värme från kraftvärmeverk är Danmark (32 %), Finland (38 %) och Sverige (29 %) (European Environmental Agency, 2012). En gemensam nämnare mellan dessa länder är att samtliga tre har ett välutbyggt fjärrvärmenät. Värme producerad från kraftvärmeverk täcker 15,2 % av det totala värmebehovet inom EU (European Environmental Agency, 2012). Figur 10 åskådliggör andelen värme producerad från kraftvärmeverk inom EU för år 2009.
Figur 10. Andelen värmeproduktion från kraftvärme inom EU år 2009. Danmark, Finland och Sverige, är exempel på länder
med en relativt stor andel värmeproduktion från kraftvärme.
Nationella incitament och stödmekanismer spelar en avgörande roll i hur stort inflytande
kraftvärmeverk har på de olika medlemsstaternas energisystem. EU kommissionen listar ett antal hinder för implementering av kraftvärmeverk. Exempel på några av dessa hinder är
(Europakommissionen, 2011):
• Produktion av både värme och elektricitet kräver att producenter gör affärer med två annorlunda och komplexa marknader samtidigt, vilket gör att både transaktionskostnader och investeringsrisker ökar.
• Hindret kan vara av ren kulturell karaktär. Det kan finnas en misstro relaterat till ny teknik eller brist på vilja till att implementera energieffektiviseringsåtgärder.
• Brist på kunskap angående fördelar och kostnader kring energieffektiviseringsåtgärder. Under 2004 antogs ett direktiv (2004/8/EG) av Europaparlamentet, vars syfte var att öka
energieffektiviteten och förbättra försörjningstryggheten genom att främja produktion av kraftvärme inom unionen (Europaparlamentet, 2004). Direktivet definierar bland annat vad kraftvärme innebär rent tekniskt, effektivitetskriterier för kraftvärme, samt hur medlemsstaterna ska utföra analys av sina nationella potentialer för kraftvärme (Europaparlamentet, 2004).
0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% 30,0% 35,0% 40,0% Fi n lan d D an mar k Sv er ig e B u lg ar ien P o rt u gal Tje ck ie n N ed er län d er n a Ös ter ri ke Es tl an d P o len Li tau en Sp an ien Sl o ven ien Ty sk lan d Ru män ien Un ger n B el gi en Lu xembu rg It al ien Sl o vak ie n Fr an kr ik e St o rb ri tan n ien Ir la n d Let tl an d G rek lan d C yp er n M al ta A n d e l v är m e p rod u cer ad i kr af tv är m e ve rk
Andelen värmeproduktion från kraftvärme
inom EU 2009
2.1.4 Kraftvärmeverk i Sverige
Första gången kraftvärme var en aktuell fråga i Sverige var år 1948, i samband med när det första kommunala fjärrvärmesystemet skulle starta i Karlstad. Det första kraftvärmeverket levererade el och värme till ett nybyggt gjuteri i Karlstad. I årsskiftet mellan 1949 och 1950 anslöts sju nya bostadshus med 120 lägenheter till fjärrvärmenätet som utgick från detta verk. De kommande åren gick ett antal andra kommuner (bl.a. Linköping, Norrköping och Stockholm) i Karlstads fotspår och byggde fjärrvärmesystemen för användning av kraftvärme. Utvecklingen av fjärrvärmen gick trögt de första åren. I mitten av sextiotalet togs flera kraftvärmeverk i drift och den årliga försäljningen dubblades på fem år, från 5 till 10 TWh. Fjärrvärmens och kraftvärmens verkliga genombrott i Sverige kom år 1973, efter den första stora oljekrisen. Under denna tidsperiod blev miljonprogrammets nya bostäder klara. Dessa bostäder anpassades så att bostäderna kunde kopplas till fjärrvärmenätet. Under andra halvan av åttiotalet gick utvecklingen tillbaka då flera kärnkraftsreaktorer togs i drift och el-priset blev lågt. Senare skulle el-priset höjas igen och utvecklingen av fjärrvärme och kraftvärme fick ny fart. Idag producerar de svenska fjärrvärmeföretagen cirka 50 TWh värme, vilket motsvarar drygt 50 % av den totala värmemarknaden. (Svensk Fjärrvärme, 2009)
Enligt Svensk Energi producerades år 2014, 13 TWh elektricitet från kraftvärme. Detta motsvarade 9 % av den producerade elen för detta år (Byman, 2015). Svensk Energi innefattar kraftvärme från industri, kraftvärme från fjärrvärme samt kondenskraft inom begreppet kraftvärme.
Energimyndigheten har gjort en prognos över Sveriges energiförsörjning år 2030. Prognosen visar att elektricitetsproduktionen ökar från dagens 145 TWh till 175 TWh (Amiri, 2013). Andelen elektricitet från kraftvärmeverk förutspås utgöra 11 % (19 TWh) av den totala elektricitetsproduktionen (Amiri, 2013). Energimyndigheten har också sammanställt en rapport med fyra olika scenarier över 2050 års energiförsörjning. Jämförs dessa två prognoser går det se att elproduktionen från kraftvärmeverk förväntas minskas mellan 2030 och 2050, för ett av fyra scenarier (Energimyndigheten, 2016). I scenariot ”Espressivo” förutspås lokala energilösningar och minskat kundunderlag för stora fjärrvärmeproducenter resultera i att handeln av värme övergår till en aktivitet mellan hushåll och andra kunder, snarare än en aktivitet mellan den centrala fjärrvärmeleverantören och
värmeanvändaren (Energimyndigheten, 2016). Detta i kombination med energieffektivisering förväntas resultera i ett minskat intresse för att investera i nya större kraftvärmeverk
(Energimyndigheten, 2016). I scenariot ”Vivace” däremot förväntas elproduktionen från kraftvärme att öka påtagligt. I synnerhet förväntas produktionen från bio-kraftvärme att öka
2.2 Pannverkningsgrad
Värmeutbytet i pannan beskrivs av pannverkningsgraden, ƞ. Pannverkningsgraden kan beräknas via två olika metoder, den direkta och indirekta metoden (Soleimani-Mohseni, 2014).
2.2.1 Direkt metod
I den direkta metoden erhålls pannverkningsgraden (betecknas ƞdirekt) genom att dividera den nyttiga värmeeffekten (MW) med den tillförda värmeeffekten (MW). Ekvation 1 åskådliggör beräkningen för pannverkningsgraden genom den direkta metoden (Soleimani-Mohseni, 2014).
ƞdirekt= 𝑄̇𝑛𝑦𝑡𝑡𝑖𝑔 𝑄̇𝑡𝑖𝑙𝑙𝑓ö𝑟𝑑
[1]
Den nyttiga värmeeffekten (kW) beräknas genom att multiplicera massflödet av ånga från pannan (kg/s) med, differensen mellan entalpin för ångan och entalpin för matarvattet (kJ/kg), detta åskådliggörs i ekvation 2 nedan (Soleimani-Mohseni, 2014).
𝑄̇𝑛𝑦𝑡𝑡𝑖𝑔 = 𝑚̇å𝑛𝑔𝑎∗ (ℎå𝑛𝑔𝑎− ℎ𝑚𝑎𝑡𝑎𝑟𝑣𝑎𝑡𝑡𝑒𝑛) [2] Den tillförda bränsleeffekten (MW) vid förbränning erhålls genom att multiplicera massflödet av bränsle med bränslets kalorimetriska värmevärde, detta åskådliggörs i ekvation 3 (Soleimani-Mohseni, 2014).
𝑄̇𝑡𝑖𝑙𝑙𝑓ö𝑟𝑑 = 𝑚̇𝑏𝑟ä𝑛𝑠𝑙𝑒∗ 𝐻𝑖 [3]
Då ett fuktigt bränsle används ser beräkningen av den tillförda bränsleeffekten annorlunda ut. För 1 kg av torr substans (Den torra substansen utgörs av bränslets brännbara substans samt bränslets askhalt. Den torra substansen kan även ses som det torra bränsleprovet) utförs beräkningarna enligt ekvation 4 (Soleimani-Mohseni, 2014). 𝑄̇𝑡𝑖𝑙𝑙𝑓ö𝑟𝑑 = 𝑚̇𝑏,𝑡𝑠∗ (𝐻𝑖,𝑑− 𝑚𝐹 1 − 𝑚𝐹∗ 𝑟) + 𝑙𝑡𝑠∗ 𝑐𝑝,𝑙 ∗ (𝑇𝑙 − 25) [4]
Där; 𝑟 är ångbildningsentalpin vid 25 °C (2442 kJ/kg), mF är massfraktion fukt i bränslet, 𝑚̇𝑏,𝑡𝑠 är det antal kg bränsle torr substans som tillsätts per sekund, 𝐻𝑖,𝑑 värmevärdet för den torra substansen, lts
är mängden förbränningsluft (mol/kg torrt bränsle), cpl är den specifika värmekapaciteten för
förbränningsluften (MJ/mol*°C) och Tl är förbränningsluftens temperatur. Siffran 25, motsvarar 25 °C
(MJ/kg bränsle) (Soleimani-Mohseni, 2014). För att undvika att verkningsgraden varierar under olika årstider bestämdes referenstemperaturen för rökgaserna till 25 °C (Wallin, 2017).
2.2.2 Indirekt metod
I den indirekta metoden erhålls pannverkningsgraden (betecknas ƞIndirekt
)
genom att dividera differensen mellan en hundraprocentig verkningsgrad och summan av alla värmeförluster, med den tillförda värmeeffekten. Ekvation 5 åskådliggör beräkningen för pannverkningsgraden genom den indirekta metoden. (Soleimani-Mohseni, 2014)ƞIndirekt= 1 − 𝑓𝑟𝑔− 𝑓𝑓𝑟− 𝑓𝐶𝑂 1 + ( 𝑄̇𝑠𝑡 𝑄̇𝑛𝑦𝑡𝑡𝑖𝑔 ) [5]
Där; frg är de relativa rökgasförlusterna, ffr är de relativa förlusterna oförbränt i fast rest
(askförluster), fCO är de relativa förlusterna oförbränt i gasfas (oftast en försumbar faktor) och 𝑄̇𝑠𝑡 är lednings- och strålningsförluster (MW). (Soleimani-Mohseni, 2014)
2.2.2.1 Rökgasförluster
Rökgasförlusterna utgörs av den värme som avges med rökgaserna ut ur skorstenen.
De relativa rökgasförlusterna beräknas enligt ekvation 6. Där; gts är den totala rökgasmängden per kg
torr substans (mol/kg bränsle), cp, rg ärrökgasernas specifika värmekapacitet (J/mol*°C) och Trg är
temperaturen på rökgaserna (°C). Bränslets massflöde kan förkortas, vilket gör att den relativa förlusten från rökgaserna kan bestämmas utan att massflödet är känt. (Soleimani-Mohseni, 2014)
𝑓𝑟𝑔 =
(𝑚̇𝑏,𝑡𝑠∗ gTS∗ 𝑐𝑝,𝑟𝑔∗ (𝑇𝑟𝑔− 25))
𝑚̇𝑏,𝑡𝑠∗ ((𝐻𝑖,𝑑−1 − 𝑚𝐹𝑚𝐹 ∗ 𝑟) + 𝑙𝑡𝑠∗ 𝑐𝑝𝑙∗ (𝑇𝑙 − 25))
[6]
2.2.2.1.1 Rökgasens specifika värmekapacitet
Rökgasens specifika värmekapacitet (Cp, rg) anger hur mycket termisk energi som rökgaserna kan
lagra. Denna värmekapacitet erhålls ur de enskilda gaskomponenternas respektive värmekapaciteter och komponenternas massandelar i gasblandningen. Rökgasernas specifika värmekapacitet beräknas enligt ekvation 7. Där; μx är massandelen av en komponent och Cpx är den specifika
värmekapacitiviteten (kJ/kmol*°C). (Alvarez, 2003)
2.2.2.2 Oförbränd rest i gasform
Förluster från oförbränd rest i gasform uppkommer vid ofullständig förbränning. Vanliga orsaker till ofullständig förbränning är liten tillgång på syre eller dålig omblandning på luft och bränsle i pannan. Förlusten består till allra största del av CO, men innehåller också H2 och eventuella kolväten.
Förluster från oförbränd rest i gasform beräknas enligt ekvation 8. Där [CO] är halten kolmonoxid i rökgaserna (i ppm) och Hi,CO är förbränningsentalpin för kolmonoxid vid referens temperaturen 25°C
(289,989 kJ/mol). Bränslets massflöde kan förkortas, vilket gör att den relativa förlusten från oförbränd rest kan bestämmas utan att massflödet är känt. (Soleimani-Mohseni, 2014)
𝑓𝐶𝑂 =
𝑚̇𝑏,𝑡𝑠∗ gt,TS∗ [𝐶𝑂] ∗ 𝐻𝑖,𝐶𝑂
𝑚̇𝑏,𝑡𝑠∗ ((𝐻𝑖,𝑑−1 − 𝑚𝐹𝑚𝐹 ∗ 𝑟) + 𝑙𝑡𝑠∗ 𝑐𝑝,𝑙∗ (𝑇𝑙− 25))
[8]
2.2.2.3 Oförbränd rest i aska
Denna förlust består av oförbränt material i den fasta resten. Med den fasta resten menas bottenaskan, flygaskan och askan som avskiljs i rökgasreningen. Normalt sett hamnar en viss del oförbränt bränsle i bottenaskan då det faller genom rosten eller matas ut. I rökgaserna kan även en del partiklar som inte brunnit färdigt förekomma. Förluster från oförbränd rest i fast rest beräknas enligt ekvation 9. Där, [bb] är den mängd oförbränt material per kg fast rest, mAts är antalet kg aska
per kg torr substans, Hi,bb är värmevärdet för det material som inte förbränts. (Soleimani-Mohseni,
2014) 𝑓𝑓𝑟 = 𝑚̇𝑏,𝑡𝑠∗ 𝑚𝐴𝑡𝑠 1 − [𝑏𝑏] ∗ [𝑏𝑏] ∗ 𝐻𝑖,𝑏𝑏 𝑚̇𝑏,𝑡𝑠∗ ((𝐻𝑖,𝑑−1 − 𝑚𝐹𝑚𝐹 ∗ 𝑟) + 𝑙𝑡𝑠∗ 𝑐𝑝,𝑙∗ (𝑇𝑙− 25) [9] 2.2.2.4 Bränslemassflöde
Då den indirekta verkningsgraden erhållits kan även bränslemassflödet till pannan beräknas enligt ekvation 10. Bränslemassflödet presenteras i enheten kg TS/s. Bränslemassflödet till
fastbränslepannor kan vara svårbestämt och därför ska ekvation 10 ska ses som en uppskattning av bränslemassflödet.
𝑚̇𝑏,𝑡𝑠=
𝑄̇𝑛𝑦𝑡𝑡𝑖𝑔
ƞ𝑖𝑛𝑑𝑖𝑟𝑒𝑘𝑡∗ ((𝐻𝑖,𝑑− (1 − 𝑚𝐹𝑚𝐹 ) ∗ 𝑟) + (𝑙𝑡𝑠∗ 𝑐𝑝,𝑙∗ (𝑇𝑙𝑢𝑓𝑡− 25)))
2.2.2.5 Värmeförluster
Värmeförluster är de förluster som sker i förbränningsprocessen i form av värmeledning. I denna rapport kommer konvektions- och strålningsförluster att undersökas. Värmeförluster är mest tydliga i de områdena av pannan där isolering saknas. Även pannans mantelyta bidrar till konvektions- och strålningsförluster. Värmeförlusterna för pannan kan erhållas både genom en grafisk lösning, samt en experimentell lösning.
2.2.2.5.1 Grafisk lösning
Då det ofta är mycket svårt att mäta konvektions- och strålningsförluster, rekommenderar
standarden SS-EN 12952–15, Vattenrörspannor och hjälpinstallationer – Del 15: Leveransprovning, att en grafisk metod kan användas för att uppskatta dessa. Grafen kommer från SS-EN 12952–15 och innehåller tre stycken diagonala linjer. De tre diagonala linjerna representerar de vanligaste typerna av ångpannor. Linje 1 representerar pannor som eldas med trä, torv och brunkol, linje 2
representerar pannor som eldas på stenkol, och linje 3 representerar pannor som eldas på olja samt gas. På X-axeln åskådliggörs pannans maximala nyttiga effekt i MW. På Y-axeln går det avläsa storleken på lednings- och strålningsförlusterna i MW. Till exempel, en ångpanna som eldas på olja och har en maximalt nyttig effekt på 60 MW har 0,20 MW lednings- och strålningsförluster. (SIS, 2003)
2.2.2.5.2 Experimentell lösning
Förluster från värmeledning kan även beräknas via ekvationer för strålning och konvektion. Denna lösning går att applicera då pannans ytarea, yttemperatur och lufthastighet intill pannan är kända. Strålningsutbyte kan ske mellan två kroppar separerade av ett medium som är kallare än båda kropparna. När detta uppfylls kan strålningsförlusterna från pannan beräknas enligt ekvation 11. (Cengel, 2011)
𝑄̇𝑟𝑎𝑑 = 𝜀 ∗ 𝜎 ∗ 𝐴𝑠∗ (𝑇𝑠4− 𝑇∞4) [11] Där; Ɛ är emissivitetskonstanten för materialet, σ är Stefan Boltzmanns konstant (5,670 * 10-8 W/m2*K4), A
s är ytarean, Ts är pannans yttemperatur och T∞ är omgivningens temperatur. (Cengel, 2011)
Konvektion innebär att värme överförs mellan en gas eller en vätska och en fast kropp. Det finns tre olika typer av konvektion; naturlig-, forcerad-, och kombinerad konvektion. Vid forcerad konvektion tvingas en vätska eller en gas att strömma över en yta eller i ett rör, med hjälp av externa medel, så som en pump eller fläkt. Vid naturlig konvektion strömmar en vätska eller gas fram utan hjälp av några externa medel. Konvektionsförluster från forcerad konvektion är de konvektionsförluster som är mest relevanta i sammanhanget. Dessa konvektionsförluster beräknas enligt ekvation 12.
𝑄̇𝑘𝑜𝑛𝑣 = ℎ ∗ 𝐴𝑠∗ (𝑇𝑠− 𝑇∞) [12]
Där; h är konvektionskoefficienten för forcerad konvektion (W/m2*°C) och 𝑇∞ är temperaturen för den luft som cirkulerar över pannytan (°C). Konvektionskoefficienten beräknas enligt ekvation 13.
ℎ =𝑁𝑢 ∗ 𝑘 𝐿𝑐
Där; Nu är Nusselt-talet för vertikala geometrier, k är värmeledningskoefficienten för luft (W/m*°C) och Lc är den karakteristiska längden för vertikala geometrier. I detta fall utgörs den karakteristiska längden av höjden på pannan. Nusselt-talet är en dimensionslös värmeöverföringskoefficient och beror på aktuell geometri och konvektionsmekanism. Nusselt-talet för forcerad konvektion på vertikala och horisontella plan beräknas enligt ekvation 14.
𝑁𝑢 = 0,664 ∗ 𝑅𝑒12∗ 𝑃𝑟 1
3 [14]
Där; Re är Reynolds-tal och Pr är Prandtls-tal. Prandltalet beskriver förhållandet mellan den dynamiska diffusiviteten (mediets viskositet dividerat på mediets densitet) och den termiska diffusiviteten (materialets värmeledningsförmåga dividerat med densitet och specifik
värmekapacitet). För att ekvation 14 ska kunna appliceras bör Reynolds-tal vara mindre än 500 000 för plana ytor och Prandtls-tal bör vara lika med eller större än 0,6. Ekvation 15 åskådliggör hur Prandtltalet beräknas (Cengel, 2011).
𝑃𝑟 =𝑐𝑝∗ 𝜇 𝜆
[15]
Där; cp är den specifika värmekapaciteten, μ är viskositeten och λ är mediets konduktivitet. I denna
rapport används dock tabellerade värden för Prandtl-talet. Dessa värden avläses utifrån
filmtemperaturen (Tf). Filmtemperaturen är ett medelvärde mellan yttemperaturen på pannan samt
temperaturen på luften som cirkulerar över pannans yta. Filmtemperaturen beräknas enligt ekvation 16.
𝑇𝑓 =
(𝑇𝑠− 𝑇∞) 2
[16]
Reynolds-tal är en enhetslös kvot som beskriver förhållandet mellan tröghetskrafterna och de viskösa krafterna. Reynolds-tal beräknas enligt ekvation 17.
𝑅𝑒 =𝑉 ∗ 𝐿𝑐 𝑣
[17]
Där; V är luftens hastighet över pannans yta (m/s) och v är luftens dynamiska viskositet (m2/s). I denna rapport används det tabellerade värdet för luftens dynamiska viskositet vid 30 °C, vilket är 16,3*10-6 m2/s. De totala värmeförlusterna från strålning och konvektion kan slutligen beräknas enligt ekvation 18.
2.2.2.6 Övriga förluster
Andra förluster som kan vara intressanta i sammanhanget är värmeförluster från bottenblåsningen. I ångpannor sker bottenblåsning i syfte att sänka slam-, salt- och vätgashalter i pannvattnet (Barma, 2017). Salterna och slammet bildar beläggningar på de värmeöverförande ytorna. Detta ökar risken för deformation och korrosion i rören av pannan samt försämrar den värmeöverförande förmågan hos dessa ytor (Barma, 2017). På KV1 är spädvattnet som matas in i anläggningen helt avsaltat och avgasat. Det primära syftet med bottenblåsningen i denna anläggning är att förhindra att vätgas bildas i pannan.
Ytterligare en källa till värmeförluster är sotblåsning. För att förhindra uppbyggnad av sotlager på de värmeöverförande ytorna i pannan, sker sotblåsning kontinuerligt. Detta görs med en del av den ånga som produceras.
Ångläckage från rör, flänsar, ventiler, anslutningar och annan processutrustning är ytterligare en källa till värmeförluster. Mängden ånga som läcker beror på storleken av hålet som orsakar läckaget samt det arbetstryck som används i systemet. (Barma, 2017)
2.3 Förbränning
I förbränningskammaren sker ett antal kemiska reaktioner, där framför allt kolet och vätet i bränslet förenar sig med syre. Vanligtvis används atmosfärsluften som syrekälla. Produkterna från
förbränningsreaktion är förbränningsgaser och aska. Askan innehåller obrännbara eller oförbrända delar av bränslet. De vanligaste reaktionerna i en förbränningskammare är att kolväten reagerar med syre och bildar koldioxid och vatten. (Alvarez, 2003)
𝐶 + 𝑂2 → 𝐶𝑂2
𝐻2+ 1
2𝑂2→ 𝐻2𝑂
Beroende på vilket bränsle om förbränns, reagerar andra ämnen än kol och väte med syre. Vid förbränning av biobränslen reagerar kväve och svavel från bränslet med syre och bildar i första hand svaveldioxid och kväveoxid. Dessa reaktioner åskådliggörs nedan. (Alvarez, 2003)
𝑆 + 𝑂2 → 𝑆𝑂2 𝑁2+ 2𝑂2→ 2𝑁𝑂2
De ovan beskrivna reaktionerna sker då förbränningen är fullständig, vilket innebär att samtliga brännbara beståndsdelar av bränslet förenar sig fullständigt med syre. Vid ofullständig förbränning däremot finns förbränningsprodukter som ytterligare kan förena sig med syre. Reaktionen för ofullständig förbränning åskådliggörs nedan. (Alvarez, 2003)
𝐶 +1
2𝑂2→ 𝐶𝑂
Samtliga av de ovan beskrivna reaktionerna är exoterma, vilket innebär att värme avges. För att förbränningen ska bli fullständig, krävs att ett antal parametrar ska uppfyllas. Dessa parametrar är följande: (Alvarez, 2003)
• Tillgång till syre inom varje bränsles bestämda gränser
• En temperatur som är tillräckligt hög för att förbränningsprocessen ska vara självunderhållande
• En tillfredsställande bränsle-luftblandning
