EXAMENSARBETE Verkningsgraden hos barkpannan vid olika bränslesammansättningar

1

EXAMENSARBETE

Verkningsgraden hos barkpannan vid

olika bränslesammansättningar

Stephen Togba

2 Förord

Det här arbetet är en högskoleingenjörsuppsats i energiteknik och har utförts vid

utvecklingsavdelningen vid Mondi Dynäs AB i Kramfors. Det är den avslutande delen på min utbildning Energiutvecklingsingenjör 180 poäng vid Mittuniversitet i Sundsvall.

Jag skulle vilja rikta ett stort tack till min fru och mina barn för allt stöd och uppmuntrande. Tack också till min Mor som inte har varit närvarande men ha påverkat mig på ett positivt sätt. Jag älskar er jättemycket.

Till Olof Björkqvist, min handledare vid Mittuniversitet skulle jag vilja tacka för all hjälp och stöd under både examensarbetetsgång och hela utbildningsperioden.

Tack också till mina handledare Markus Halèn och Per–Ola Bylund vid Mondi Dynäs AB som har varit till mycket stor hjälp under hela projektet. Till Peter Edwall och Ella Bylund vill jag rikta ett stort tack för all hjälp.

Sist men inte minst vill jag tacka Gud för den möjlighet som han ha gett mig.

Kramfors våren 2009 Stephen Togba

3

Sammanfattning

Idag är det viktigt att energi effektivisera en energianläggning. Miljömässigt är det bra och det genererar ekonomisk vinst för företagen. Dagens samhälle är i det stora hela fortfarande beroende av fossila bränslen.

Examensarbetet bestod av att bestämma skillnaden mellan mängden nyttig och bortförd energi vid sammansättning av olika bränslen i konstant last vid barkpanna på Mondi Dynäs AB.

Förbränningsprocessen har i viss mån antytt tillfredsställande resultat. Det beror bland annat på barkkvalitet, som i sin tur beror på årstider och lagring. Resultatet från examensarbetet visade att verkningsgraden för bark vid den direkta respektive indirekta metoden är 74 % repektive 70 % och för olja 83 %.

Vid oljeeldning är risken stor för utsläpp av miljö farliga ämnen. Dessutom är tillgången på olja begränsad på grund av osäkerhet i oljeproducerande regioner vilket bland annat medför att oljan blir alltjämt dyrare.

Pappersindustrin i Sverige väljer att elda förnybara bränslen istället för fossila bränslen. Anledningen är dels för att det tillhör biobränslen som anses delta i det naturliga kretsloppet mellan kol, syre och koldioxid i atmosfären och dels för att det är billigt. Dessutom så finns det gott om skog i Sverige. Ett stort problem är dock NOx-halten som bildas när kväve innehållet i bränslet oxideras till kväveoxid. Detta är huvud orsaken till att marken samt vattnet blir sura.

Genom att släppa ut stora mängder NOx som ligger över medelgränsen (0.205 kg / MWh) leds ofta till straff i form av utsläppavgift för en energianläggning. I fall en anläggning ligger i snitt eller under gränsvärdet belönas företaget med pengar för en positiv miljö insatts. Mondi Dynäs AB betalade in 1.3 miljoner kronor under året 2007.

Många variabler kan påverka beräkningen av pannverkningsgrad. Det är väsentligt att ha bra luft-reglering i förbränningsrummet och under själva förbränningsprocessen. Om det tillförs för lite luft eller om luften inte blandas ordentligt med bränslet kan det leda till ofullständig förbränning. Detta medför energiförlust och utsläpp av miljö farliga ämnen i rökgaserna. I avancerade energianläggningar förbättras verkningsgraden med hjälp av flera steg matarvatten förvärmning och mellanöverhettning.

Många olika faktorer men ändå sammankopplade måste tas med i diskussionen för att komma fram till ett trovärdigt resultat. Undersökningen har visat vilka faktorer som spelar stor roll under förbränningsprocessen och därmed bestämning av verkningsgraden. Från det att barken pressas och matas in till det att luft tillförs och värme bildas är några av de viktigaste aspekterna i processen som observerades. Vid Mondi Dynäs AB är barkpannas energisystem inte utrustat med de ovannämnda komponenterna. Idag är barkpannas verkningsgrad något för låg vid barkeldning men det finns möjlighet till förbättring.

4

Abstract

Today, the importance of optimizing an energy plant is becoming more obvious with regards to environmental and economical issues. It is good environmentally and it generates profits for companies. Today's society is for the most part still depending on fossil fuel. This thesis consist of determining the difference between the input and output of energy during

combustion of different types of fuels with constant loads in the barkboiler at Mondi Dynäs Ltd. The combustion process has, to a certain extent, shown satisfactory results. It depends among other thing on bark quality, which in turn depends on seasons and storage. The result from this thesis put the efficiency of bark at 74 % and 70% calculated using direct and indirect methods respectively. For the fuel oil it was 83 % using the direct method.

When fuel oil is combusted there is a big risk for wastes of environment dangerous matters. Moreover, oil availability can be limited because of uncertainty in oil producing regions, which leads to higher oil prices among others things.

Many pulping mills in Sweden choose to burn renewable fuel instead of fossil fuel. The reason is partly because it derives from biofuel, which is considered to be a part of the natural cycle between carbon, oxygen and carbon dioxide in the atmosphere and partly because it is not very expensive. Moreover, there are a lot of trees in Sweden. A big problem however is NOx-content that is formed when the nitrogen content in the fuel is oxidized to nitrogen oxide. This is the mean reason why land and water tend to be sour.

By releasing huge quantities NOx into the atmosphere that exceeds the average boundary (0.205 kg/MWh) set by the Swedish Environmental Protection Agency (SEPA) often result in penalty in form of fine for an energy plant. In cases a plant lies on or below the average value a certain amount of money can be given to that company. In 2007 Mondi Dynäs Ltd paid a sum of 1.3 million Sek. due to high NOx discharge.

Many variables can impact the calculation of boiler efficiency. It is important to have good air regulation in the combustion room and during the incineration process itself. If not enough air is added, energy can not be assimilated from the fuel and this leads to incomplete combustion. There will be energy loss and environmental unfriendly waste. In sophisticated energy plants the efficiency can be improved with the aid of several stages feedwater preheating and

superheaters. Many different, yet still connected factors must be taken into consideration in order to achieve a reasonable result. This investigation has shown factors that really do matter during combustion process and with that, the determining of efficiency. From the bark being pressed and fed into the boiler, to air supply and heat develoment are a few of the important aspects that were observed in the process. At Mondi Dynäs Ltd however, the barkboiler´s energy system is not equipped with the above-mentioned components. Today, the bark boiler`s efficiency is somehow low when burning bark but there is possibility to

5

Innehållsförteckning

1 Inledning 7 1.1 Bakgrund 7 1.2 Syfte 8 1.3 Avgränsningar 8 2 Metod 9 3 Anläggningsbesrivning 10 3.1 Beskrivning av Processen 11 4 Bränsle 13 4.1 Fossila bränslen 13 4.2 Biobränslen 13 4.2.1 Termokemisk Omvandling 13 5 Teori 15 5.1 Ångpanna 16 5.1.1 Ångpannasbeskrivning i korthet 17 6 Beräkningar 18 6.1 Värmebalans. 18 6.2 Ekvation. 18 6.3 Verksningsgrad. 18

6.3.1 Den direkta metoden 18

6.3.2 Den indirekta metoden. 20

7 Resultat och Diskussion 22

7.1 Mätning. 23

8 Slutsats 27

9 Referenser 28

6

Bilageförteckning

Bilaga 1: Processbild över vatten och ånga

Bilaga 2: Bild över barks transportsystem till pannan Bilaga 3: Processbild över luft och rökgaser

7 1 Inledning

Mondi Dynäs AB är ett dotter bolag i Mondi-koncernen som har ca 35000 anställda i 35 länder. Företaget är placerat ca 7 km norr om Kramförs i Västernorrland och ingår i divisionen Kraft. Mondi Dynäs AB är marknadsledande för säckpapper och tillverkar världens starkaste kraftpapper. Den process som används är sulfatprocessen, som är den dominerande för framställning av pappersmassa idag. Tillverkningskapaciteten är ca 240 000 ton oblekt säck- och kraftpapper.

All förbränning ger upphov till utsläpp till atmosfären men det går att minska oönskade ämnen dels genom att bland annat utnyttja bränslet bättre och dels genom användandet av biobränslen. Energieffektivisering av en energianläggning ger ekonomiska vinster därför är det viktigt att fortsätta arbeta med energifrågor.

För att kunna beräkna verkningsgraden måste temperaturer och tryck före och efter pannan anges. Tryck och temperatur på utgående ånga måste också fastställas liksom

rökgastemperatur, luftöverskott, panneffekt och ångflöde.

En energibalans över pannsystemet ställs upp för att noggrant kunna bestämma mängden nyttig energi som fås ut vid konstant läge.

1.1 Bakgrund

Verkningsgraden kan användas bland annat för att undersöka en process eller utreda hur olika parametrar påverkar processen. Det finns olika faktorer som kan påverka bestämningen av verkningsgraden i ångprocessen. Luftöverskott, rökgastemperatur, tryck och temperaturer före och efter pannan och värmevärde är några av parametrarna som hänsyn måste tas till.

Fabrikens olika processer fordrar konstant en stor mängd ånga. För att tillgodose processernas ångbehov så finns det en sodapanna och en barkpanna. Ånga från sodapannan leds till

högtrycks nätet efter överhettning och in i turbinen. En stor mängd ånga från barkpannan används till den kontinuerliga sotningen av sodapanna, dvs som sotånga.

Ångnätet består av fyra olika trycknivåer, 65 bar (högtryck), 36 bar, 9 bar (mellantryck), och 4 bar (lågtryck). Det finns en ångturbin i ångnätet som producerar el.

Bark används som huvud bränslet i anläggningen medan olja används vid behov. Det är ekonomiskt att elda bark men den kan bland annat medföra dålig förbränning i pannan om barken är av dålig kvalitet. Tillgången på bark kommer i första hand från veden i vedlinjer från fabrikens renseri. Oljan å andra sidan, köps in och vid oljeeldning är risken för

8 1.2 Syfte

Syftet med projektet är att utreda verkningsgraden hos barkpannan när olika bränslen körs, det vill säga att verifiera hur ett ändrat körsätt påverkar verkningsgraden i en driftsituation.

1.3 Avgränsningar

För att inte arbete skall vara alltför omfattande måste ett antal avgränsningar göras. All tillförd och bortförd energi liksom massflöden in och ut tas med i beräkningarna.

Effekten som tillförs via hjälpmaskinerna såsom eldrivna fläktar och pumpar är så små att de försummas. Luftförvärmningen sker med hjälp av pannvatten, alltså det går ingen extern energi till uppvärmningen. Matarvatten uppvärms med hjälp av den producerade ångan från barkpannan. Oljan förvärms också med hjälp av barkpannas ånga. Återigen så tillförs det ingen extern energi till uppvärmningen.

Rökgasåterföring liksom rökgaskondensering ingår inte i beräkningarna eftersom

rökgasåterföringen anses huvudsakligen ett NOx reduktionsmedel. Det stoppas ingen energi in i pannan vid både rökgaskondensering och rökgasåterföring utan det handlar snarare om energiåtervinning.

9 2 Metod

Arbetet inleddes med en litteraturstudie i ämnet för att får en full förståelse för

verkningsgrader. Personlig diskussion med mina handledare och webb baserade källor har varit till stor nytta.

Efter dryg en vecka var en handlingsplan klar där det framgick problembeskrivning och hur problemet skulle lösas.

Genomförandet av försöket med bark som bränsle gick ut på att försöka få barkpannan i konstant läge och få ångflödet till ca 20 t/h. Detta för att det förbrukas cirka 15 t/h ånga till den kontinuerliga sotningen av sodapannan. Om ångflödet är mindre än 20 t/h så skulle en del ånga från sodapanna användas som sotånga och detta kan leda till förlust i elproduktionen. Sodapannas överhettade ånga leds till turbinen som i sin tur driver en generator som alstrar el.

Ett barkprov per dygn gjordes i fem dagar för att kunna fastställa bränsles effektiva värmevärde och fukthalt.

En parameter som är viktig i själva förbränningsprocessen är luftöverskottet. Oftast är en låg O2-halt att föredra. Primärluften ställdes i konstant läge för att försöka behålla det önskade

värdet på luftöverskottet medan sekundärluften reglerades efter önskad O2-halt, det vill säga

ca 3.0 %. Tillförsel av sekundärluften ökar om det önskad luftöverskottet sjunker och minskar om det ökar. Försöket pågick i två timmar med barkpannan i konstant driftläge.

På grund av processekonomin genomfördes inget försök vad gäller olja utan allt datamaterial ifrån tidigare oljeförbränning låg till grund för beräkningen av verkningsgraden vid

oljeeldning. Datamaterialet för processparametrarna hämtades från Mondi Dynäs interna ABB-övervakningssystem.

10 3 AnläggningsBeskrivning

Figur 3 Schematisk bild över processen vid Mondi Dynäs AB

Det kommer ca 19 000 timmerbilar varje år till Mondi Dynäs AB. Genom att observera de gröna pilarna kan man se vedens väg från ankomsten ända fram till barkpressen. Barken avlägnas i barktrumman och bränns i barkpanna där energin tas tillvara. I flishuggen huggs de avbarkade stockarna till 2,5 cm långa flisbitar.

Den huggna flisen lagras i flisstacken tillsammans med flis från sågverk i trakten. Flisen blandas med lut i massakokarna där cellulosa fibrer friläggs.

Fibrerna silas och tvättas innan de går vidare till pappersbruket.

11 3.1 Beskrivning av processen

Barkpress Transport rör till barkfickan

Barkfickan Barkstupen

12 Ångan leds till 36-bars nät

Ångpanna Matarvatten Tank Bränsle

Inkommande luft

Figur 3.1.2 En enkel skiss över processen i pannhuset

Barkpannan eldas med bark som är det främsta bränslet i anläggningen. Barken avlägnas från trumman, som har till uppgift att riva lös barken från veden innan den går vidare till flishugg. Därefter transporterar barken till barkpressen via skruvtransportör. Detta för att öka bränslets torrhalt innan den matas in i pannan. Torhalten efter barkpressen skall ligga mellan 45-50 % och därefter matas det pressade bränslet i barkfickan av skruvmatare. Bränslet matas sedan in upptill på en snedrost och förbränns under det bränslet glider nedför rosten.

Oljan som pumpas in når fram till en konisk roterande kopp i oljebrännare. Tack vare koppens snabba rotation så drivs oljan i ett allt tunnare skikt för att sedan slängas ut och finfördelas genom centrifugalverkan.

Matarvatten som tillförs pannan förvärms genom direkt blandning av vätska och ånga. Ångan till matarvattentanken hämtas från barkpannan.

13 4 Bränsle

Under testerna användes två olika bränslen nämligen olja, som tillhör fossila bränslen och bark, som tillhör biobränslen. Biobränsle är namnet på alla bränslen som hämtas från växtriket medan fossila bränslen är, som namnet antyder, bränslen som består av fossil.

4.1 Fossila bränslen

Den huvudsakliga energikällan i världen idag är baserad på fossila bränslen. Dessa bränslen har bildats under många år av organiskt material. Den framtida tillgången på olja är osäker på grund av bland annat ostabilitetet i oljeproducerande regioner. Olja liksom alla andra fossila bränslen kan ta slut. Vid oljeeldning oxideras kolet i bränslet till koldioxid, som är en växthusgas. Koldioxid är en av de främsta orsakerna till den globala uppvärmningen. Sedan början på 1800-talet har utvecklingen av koldioxid-halten i atmosfären ökat från 280

miljondelar till 380 miljondelar 2006, alltså en ökning på ca 27 %.

4.2 Biobränslen

Biobränslen är förnybara bränslen som kommer från växtriket. Till skillnad från fossila bränslen bidrar inte biobränslen till växthusgaseffekten. De innehåller nästan inget svavel och därmed bidrar inte till försurning av mark och vatten.

Vid eldning av biobränslen frigörs koldioxid till atmosfären som skogen tar upp för att bygga upp ny biomassa in ett slutet kretslopp. Tack vare detta samspel så bidrar inte biobränslen till mängden koldioxid i atmosfären.

Ett problem dock är utsläppen av kväveoxid (NOx) till atmosfären. Det enklaste sättet att minska bildningen av kväveoxid är genom lämpligt reglering av luft tillförsel till

14 4.2.1 Termokemisk Omvandling

Termokemisk omvandling av biobränslen sker via fyra olika delprocesser nämligen torkning, pyrolys, förbränning av gaser och förbränning av koks.

Delprocess Reaktion Torkning Endoterm

Pyrolys Endoterm, utan syre tillförsel Förbränning av gaser Exoterm Förbränning av koks Exoterm

Det första steget är torkning som är en endoterm reaktion, det vill säga värmen erfordras för att ta bort fukt och vatten som finns in bränslet. Temperaturen vid detta stadium brukar ligga kring 100 grader Celsius. Vid pyrolysen som sker utan syretillförsel avgår flytiga ämnen i gasform och då är temperaturen vid 225-300 grader Celsius. Gasförbränningen är det stadium där lågorna från veden frigör gaser som då börjar brinna. Den blåaktiga nästan osynliga gasen brinner sekundärt långt från veden. Här brukar temperaturen ligga mellan 500-600 grader Celsius. Koksförbränningen som ger en exoterm reaktion anses vara tidsmässig längst i hela processen där alla gasformiga ämnen har förbränts och kvarstående glöder ut och

15 5 Teori

Figur 5 visar en skiss för dagens kraft- och värme anläggning

En förenklad skiss för en enkel ångprocess utan matarvattenförvärmning enligt figur 5. Processen består av fyra grundläggande komponenter i ett slutet kretslopp. De fyra komponenterna är: Matarvattenpump, ångpanna, turbin och kondensor.

Bränsle och luft körs in i pannan där bränslet förbränns och vattnet i pannan kokar till ånga med högt tryck och temperatur. Ånga leds sedan till turbinen. En generator är kopplad till turbinen där ångan expanderas för att sedan alstra elektricitet. Efter turbinen kondenseras ångan till vatten i kondensorn och pumpas sedan vidare tillbaka i ångpannan.

Det bränsle tillförda energin som inte tas upp i pannan går bort i form av förluster. Ju mer värme som tas upp av vattnet i pannan som tillförs desto bättre är pannan. Förluster

förekommer i tre kategorier: Strålnings- och lednings förluster, rökgasförluster samt förluster genom oförbränt. Dessa förluster tas med i beräkningen om verkningsgraden skall beräknas indirekt, det vill säga (1 - förluster). Vid beräkning av verkningsgraden med den direkta metoden, det vill säga nyttig effekt dividera med tillförd effekt fås förlusterna genom att beräkna skillnaden mellan bränsleeffekt och effekten som tillförs vattnet i pannan.

Den mer utvecklade ångprocessen består utöver de ovannämnda komponenterna av

mellanöverhettare och en eller flera matarvattenförvärmare. Skälet till detta är för att få så hög termisk verkningsgrad som möjligt.

16 5.1 Ångpanna

Figur 5.1 visar en ångpanna avsedd för eldning med bränslen med höga fukthalter. Av bilden framgår bland annat följande komponenter: Ekonomiser (Ekonomizer), ångdom (Steam

17 5.1.1 Ångpannas beskrivning i korthet

Pannans konstruktion: Ångpanna kan ha olika storlekar beroende på bränsle typ. Oftast är pannor som eldas med fasta bränslen störst. Pannans uppgift: Är att omvandla den kemiskt bundna energin i bränslet till värmeenergi hos ångan. Ångan som levereras ska vara av bestämd mängd, tryck och temperatur. Omvandlingen ska ske med god verkningsgrad och låga utsläpp av miljöbelastande ämnen. Barkpannan vid Mondi Dynäs har en specifik uppgift, att tillgodose ångbehovet eftersom ångan som produceras i sodapannan inte är tillräcklig för alla delprocesser.

18 6 Beräkningar

Förklaring av storheterna

Storhet Enhet Förklaring

qb kg/s Bränslemassflöde

Hi kJ/kg Effektivt värmevärde i fuktigt bränsle

L kg/kg Luftmängden per kg bränsle

cpL kJ/kg°C Specifik värme för luft

tL °C Inkommande luft före förvärmare

T °C Referens temperatur, 25 grader

qå kg/s Ångamassflöde

hå Kg/kJ Entalpi i den utgående ångan

hmv Kg/kJ Entalpi i det inkommande matarvattnet

Tabell 6

Verkningsgraden beräknades utifrån nedanstående formel, alltså den direkta metoden.

ηp = Pbortf / Ptillf

Eftersom det oftast är svårt att exakt bestämma mängden fastbränsle som matas in i pannan så har jag i samråd med mina handledare på fabriken tagit hjälp av Kjell Anderssons bok som heter Sulfatmassatillverkningens Ekonomi. På sidan 20 i boken kan man ser i figur 5 hur mängden bark och torrhalten förhålla sig. Enligt figuren avläses 25 m³ bark med 45 % torrhalt motsvarar energimässigt av 1 m³ olja. På fabriken är torrhalten cirka 41 % medelvärde per år vilket motsvarar 22 m³ bark som stjälpt mått, som i sin tur motsvaras av 1 m³ olja. Mängden ånga ut mätts och det visar sig att det gå 22 m³ bark åt 13 ton ånga ut. Utifrån denna

resonemang kom jag fram till att mängden bark under provet var (ca) 10 125 kg i snitt under två timmar.

6.1 Värmebalans

Under försöket tillförs respektive bortförs energi enligt följande ekvationer.

6.2 Ekvationer

1. Ptillf = qb * Hi + qb * L . cpL * (tL – t)

2. Pbortf = qå * (hå – hmv)

3. Ptillf = Pbortf

6.3 Verkningsgrad

6.3.1 Den direkta metoden

19 32.5 m³ * 300 kg/m³ = 9750 kg bark (Start) 35.0 m³*300 kg/m³=10500 kg bark (Efter1h) (32.5 + 35) / 2 * 300 = 10125 kg bark (medelvärde)

7883 m³ / 10125 kg = 0,78 m³ / kg (09:20 – 10:20) Primärluft mängd per kg bränsle (1) 7218 m³ / 10125 kg = 0,71 m³ / kg (10:20 – 11:20) Primärluft mängd per kg bränsle (2) 5404 m³ / 10125 kg = 0,53 m³ / kg (09:20 – 10:20) Sekundärluft mängd per kg bränsle(1) 4844 m³ / 10125 kg = 0,49 m³ / kg (10:20 – 11:20) Sekundärluft mängd per kg bränsle(2)

Den totala luftmängden L = ((0,78 +0,53) / 2 + ( 0,71 + 0,49) / 2) = L = 1.30 m³ luft / kg bark. För att räkna om värdet till massa tar jag hjälp av densiteten för luft vid 0 °C och 1 bar. Den nya totala luftmängden blir 1.3 * 1.293 = 1.68 kg luft / kg bark. Tabell 6.2.1 visar resultatet av luftmängden baserad på den stökiometriska beräkningen.

Ämne Molvikt (g)

Analys Våt (g)

Antal mol Syrebehov mol

C 12,0 223 18.6 18.6 H2 2,02 24 11.88 6.0 N2 28,0 152 5.4 --- O2 32,0 4 0.125 -0,125 S 32.1 0.0 0 0 A 7 Fukt 18,0 590 Totalt 1000 24,5 Tabell 6.2.1

Syrebehovet multiplicerad med råkväve som är blandningen mellan kväve, argon och koldioxid ger produkten (3.77 * 24.45) = 92.1768 + 24.45 = 116.6 mol/kg bränsle. Luftens molvolym medelvärde är 22.4 L / mol vid 0 °C och 1 bar. För att räkna om värdet till massa tar jag hjälp av densiteten för luft vid 0 °C och 1 bar. Det teoretiska luftmängden blir 116.6 * (22.4 / 1000) = 2.6 m³ luft / kg = 2.6 * 1.293 kg/m³ = 3.37 kg luft / kg bark.

Skillnaden är inte så stor mellan 1.68 kg luft / kg bark och 3.37 kg luft / kg bark.

Verkningsgraden för bark ändras endast med decimaler vid insättning av dessa värden var för sig. Bränsleflödet beräknades till 2,8 kg/s. Värmevärdet (fuktig), cpl samt referens

temperaturen var 6220 kj/kg, respektive 1.005 kJ / kgC samt 25 grader. Ångflödet beräknades till 20000 kg/3600s = 5.56 kg/s

hå = (244 C, 36 bar) ger 2802,4 kJ/kg mättad ånga

hmv = (140 C, 3.62 bar) ger 589,2 kj/kg mättad vatten

Värdena satts in i ekv. (1) och (2) och verkningsgraden vid barkeldning kunde beräknas till 74 %. Av den värme som utvecklas vid förbränningen (ca) 17,5 MW går ca 13,0 MW in i

20 6.3.2 Den indirekta metoden

ηp = 1- (

Σ

P

f

) / 1 + (P

st

/ P

n

)

där

Σ

P

f betecknar summan förlusterna. De tre huvudförlusterna är rökgasförlust (frg), strålnings- och ledningsförluster (

P

st ) samt förlust via oförbrant i gasform (fco ) och fast form (ffr ).

P

st betecknar strålningsförlust medan

P

n symboliserar den nyttiga effekten som är

13000 kW.

l

ot

= (ΣO

2

+ 3,77 * ΣO

2

) 22,4*10^-3

l

o

=

lot (1+fuktkvoten) där fuktkvoten = 0,0257

g

ot

=

(ΣCO2 + ΣSO2 + ΣN2) 22,4*10^-3

g

o

=

got+ (lo -- lot ) + Σ(H2O) 22,4*10^-3

g

t

=

got + lot · (m − 1,0) där m = 0,21/(0,21 * O2-halt )

g =

go + lo · (m − 1,0)

Cp

= 1,42 kj/

m³ k Rökgaser(våt)

H

2

O

CO

2 N2 SO2 ppm 12,0 18,6 5.4 0 167 32,8 (fukt) 92,4 44,8 18,6 97,8 0 167 Totalt

Den teoretiska rökgasmängden (g

o

) beräknades till 3,67

m³ luft / kg

bränsle medan den

teoretiska luftmängden beräknades ( l

o

) till

2,6 m³ luft / kg

bränsle. Den våta

rökgasmängden kunde beräknas till 1,7 kg/kg bränsle.

Strålningsförlusten avlästes till

cirka 0,2 MW eller 200 kW i DIN 1942 diagram. Oförbränt i gasform avser främst koloxid CO medan i fastform avser fast rester såsom slagg.

Frg = 0,047 eller 4,7% fco = 0,000356 eller 0,04% ffr = 0,258 eller 25,8%

frg= qb . (

g

o

+ l

o

· (m − 1,0) )

cpg

(t

g

- 25) /

qb . Hi

fco = (qb

g

t

[co]

Hico ) / qb Hi där [CO] =167 ppm och Hico = 12634

21 Värdena sätts in i ekvation 4 och verkningsgraden för bark beräknad utifrån den indirekta metoden blev ca 70%.

Verkningsgraden för olja beräknades utifrån insamlade datamaterial mellan perioden 09/01 till 10/01 i år. Bränsle typ är eldningsolja 6 med en densitet på 940 kg/m3 C. För 1 m³ olja vid förbränning fås 12 ton/h ånga ut.Enligt denna approximation beräknades oljemängden under de första fyra timmarna till (ca) 1.825 m³ / h (1) och efter ytterligare fyra timmar ökade den till (ca) 2,325 m³ / h (2). Detta motsvarar 1715.5 kg olja / h i fall (1) och 2185.5 kg olja / h i fall (2). I snitt mattades 1950.5 kg olja / h.

Den totala luftmängden per kg olja beräknades till (ca) 12 m³ där primärluften svarade för hela 10 m³ medan sekundärluftens mängd var 2,13 m³. Sekundärluft mängden här beräknades på samma sätt som för bark. Däremot är primärluft mängden här uppskattad eftersom det saknas en mätare som mäter luftmängden som skickas in via oljebrännaren.

Det krävs alltså 7 gånger större mängd total luft tillförsel för att förbränna samma viktmängd (kg) bark jämfört med olja. Ju mer kol bränslet innehåller desto högre blir värmevärdet. Oljan har (ca) 7 gånger högre värmevärde och (ca) 7 gånger mer kol än bark.Den nyttiga effekten, alltså P = må * (hå - hmv) = 14561 kJ/s = 14.5 MW

Ångmassflöde, må = 24900 kg / 3600 s = 6.92 kg/s

hå = (244 C, 36 bar) ger 2802,4 kJ/kg mättad ånga

hmv = (165 C, 7 bar ) ger 697.2 kJ/kg mättad vatten

Bränsleflödet beräknades till 0.42 kg/s i snitt mellan kl 01:00 – 10:00. Det effektiva värmevärdet på oljan är 41400 KJ/kg och referens temperaturen på 25 grader.

22 7 Resultat och diskussion

Förbränningsprocessen har i viss mån antytt tillfredsställande resultat. Det beror bland annat på barkkvalitet, som i sin tur beror på årstider och lagring. Resultatet från examensarbete visade att verkningsgraden för bark beräknad utifrån den direkta repektive indirekta metoden var 74 % respektive 70 % medan för olja var det 83 %. Anledningen till att verkningsgraden för bark blev lägre än för olja tros vara dels på grund av oförbränt material i askan och dels på grund av förångningsenergi som tas från förbränningsprocessen för att torka barken. När det enbart gäller verkningsgraden vid barkeldning framgår det i de beräkningarna för förluster hur mycket oförbränt i fast form som går förlorad. Inmatningssystemet kan vara orsaken varför det blir så mycket slagg. Bränslet förmodligen inte blandas ordentligt med luften eller det är för stort mellanrum mellan snedrostens stavar att en del bark helt enkelt faller igenom.

Undersökningen har visat vilka faktorer som spelar stor roll under förbränningsprocessen och därmed bestämning av verkningsgraden. Från det att barken pressas och matas in till det att luft tillförs och värme bildas är några av de viktigaste delarna i processen som

observerades.Förbränningsprocessen kan förbättras genom att vidta förbränningsstekniska åtgärder men också genom att byta ut den nuvarande rosten mot en fliudiserad bädd.

När det gäller rost utbyte så skulle det innebära en ekonomisk investering och frågan är om Mondi är beredd att göra det. I en fluidiserad bädd svävar bränslet i förbränningrummet, tack vare luften som genomströmmas underifrån. Till skillnad från en rostpanna cirkulerar bränslet hela tiden tills det brinner upp. Rostpanna har alltså mycket oförbränt material jämfört med fluidiserad bädd, vilket medför förbränningsförlust.

Idag klara den befintliga barkpressen upp till 41 % torr halt men detta skulle kunna förbättras till 45-50 %. Barkpressen är ett sätt att höja torr halten på bark innan eldning. En höjning skulle definitivt påverka verkningsgraden positivt. Höga fukthalter medför stora förluster om inte rökgaskondensering används bland annat. Med rökgaskondensering menas att man låta rökgaserna kondersera till under vattenångans daggpunkt för att på det visset vinna tillbaka energin i rökgasen.

Undertrycket i pannan var också en faktor som fick min uppmärksamhet. Vid ett tillfälle låg det på minus 180 grader Celcius. Av säkerhetsskäl ska undertrycket vara så, enligt

operatörerna. Skulle undertrycket kunna hållas lågt då skulle luftmängden blir mindre och därmed ett bättre värde på syre överskottet. Jag observerade vid samma tillfälle att

23 I tabell 7.1 barkförsök respektive 7.1 oljeförsök framgår driftdata som ingick in

undersökningen.

7.1 Mättning

Parameter 09:20 – 10:20 10:20 – 11:20 Medelvärde Utgående ånga (ton/h) 19,2 - 20,7 20,7 - 19,2 20,0

Primärluft (M3/h) 7 831 - 7 935 7 935 - 6 500 7 550 Sekundärluft (M3/h) 5 535 - 5 278 5 278 - 4 412 5 126 Rökgas temperatur före

ekonomiser (°C)

320 - 340 340 - 345 336

Rökgas temperatur efter ekonomiser (°C)

140 - 150 150 - 150 148

Matarvatten temperatur före ekonomiser (°C)

120 - 120 120 - 120 120

Matarvatten temperatur efter ekonomiser (°C)

140 - 140 140 - 140 140

Primärluft temperatur före vvx (°C)

40 - 40 40 - 40 40

Luftöverskott (%) 3.4 - 3.4 3.4 - 4.0 3.6 Tryck på utgående ånga (bar) 36 - 36 36 - 36 36 Mängden bark (kg) 9 750 10 500 10 125

Ppm (Parts per million) 167 167 167

24 Parameter 01:00 – 05:00 05:00 – 10:00 Medelvärde

Utgående ånga (ton/h) 15.9 – 27.9 27.9 – 27.9 24.9 oljemassflöde (kg/s) 0.325 – 0.452 0.452 – 0.469 0.424 Primärluft (M3/h) 2134 - 2126 2126 - 2160 2137 Sekundärluft (M3/h) 4116 - 4066 4066 - 4255 4126 Rökgas temperatur före

ekonomiser (°C)

121 – 124 124 – 125 124

Rökgas temperatur efter ekonomiser (°C) 340 – 380 380 - 380 370 Matarvatten temperatur före ekonomiser (°C) 148 – 153 153 – 155 152 Matarvatten temperatur efter (°C) 165 – 165 165 – 165 165

Primärluft temperatur före vvx (°C)

26 – 26 26 – 26 26

Luftöverskott (%) 12.9 – 10.3 10.3 – 10.8 11.1 Tryck på utgående ånga

(bar)

36 – 36 36 – 36 36

25 Figur 7.1 Trender barkförsök

26 Figur 7.1 Trender Oljeprovet

27 8 Slutsats

Av resultatet bildas en uppfattning om hur verkningsgraden kan förbättras. Förutom tillämpning av förbränningsteknik på ett smart sätt så skulle man kunna höja torr halten på barken via barkpress och- eller bytta ut rostpanna till en fluidiserad bäddpanna. Det senare är förmodligen en dyrbar lösning men kanske värd att fundera på. Det är mycket energi som går förlorad i barkpanna främst på grund av det oförbränt material. En fluidiseradbädd skulle kunna vara en lösning på just detta typ av problem.

Verkningsgrads bestämning visade att olja ger mellan 10 till 14 % högre verkningsgrad jämfört med bark. Det blir mycket oförbränt material i askan som då påverkar

verkningsgraden. Det är också sant att vid oljeeldning släpps mycket mer Nox ut än vid barkeldning, vilket leder till stora summor i utsläpp avgiften.

Låga utsläpp i samband med energiproduktion skall löna sig. Genom att energieffektivisera anläggningen sparas pengar och verkningsgraden kan höjas.

28 9. Referenser Bioenergiportalen: http://www.bioenergiportalen.se/?p=2051&m=1260 The babcock&wilcoxcompany: http://images.google.com/images?q=images%20bfb%20top%20supported%20site%3Awww. babcock.com&um=1&ie=UTF-8&sa=N&hl=sv&tab=wi Energihandbok: http://energihandbok.se/x/a/i/10454/Eldningsolja-4.html

Mondi Dynäs AB: www.mondigroup.com

ÅF Energi & Miljöfakta:

http://www.energiochmiljo.se/abonnemang.asp?cat=a&type=E&chapter=15&subchapter=3& page=2

Andersson, Kjell: Specialbok, X – 720, sulfatmassatillverkningens ekonomi, 1986

Alvarez, Henrik: Energiteknik del 1, Studentlitteratur, Lund, 2003

Alvarez, Henrik: Energiteknik del 2, Studentlitteratur, Lund, 2003

Bylund, Ella: Mondi Dynäs, 2009

Bylund, Per-Ola: Mondi Dynäs, 2009

Halén, Markus: Mondi Dynäs, 2009

Skogsindustrins utbildning: Ved, Flis och Bark 1994

Sundblom, H (2004) Värmeforsk:

http://www.askprogrammet.com/rapporter/Sammanfattning/Sam848.pdf

Walther, M & Wigren D : Biobränsle http://exergy.se/goran/cng/alten/proj/b/b.html

Wester, Lars: Ångpannor, 1991

Wester, Lars: Tabeller och Diagram 2003

Wester, Lars: Förbrännings- och rökgasreningsteknik, Västerås, 2006