UPTEC ES08 002
Examensarbete 20 p Februari 2008
Utredning av primärluftförvärmning till två avfallseldade pannor
Mattias Björkman
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten
Besöksadress:
Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress:
Box 536 751 21 Uppsala Telefon:
018 – 471 30 03 Telefax:
018 – 471 30 00 Hemsida:
http://www.teknat.uu.se/student
Abstract
Utredning av primärluftförvärmning till två avfallseldade pannor
Investigation of primary air preheating for two waste incineration boilers
Mattias Björkman
The purpose of this degree-project was to investigate the possibilities for primary air preheating into the two smallest waste incineration boilers of Halmstad Energy and Environment. The investigation is a pre-study which has the primary goal to evaluate technical and financial offers from companies that manufacture primary air preheater, and investigate if it is technically and financially profitable to do a purchase on primary air preheaters in the future.
In the pre-study it is proposed that it is most efficient to have individual primary air preheater, one for each incineration boiler and the primary air are also proposed to be preheated by hot water in the pre-study. Further in the pre-study it is proposed that the heat-exchanger should have plain tubes instead of finned tubes, to avoid getting dirty fast. The space in the boiler-room is limited, and therefore the major problem was to fit in the primary air preheaters into the boiler-room. By comparing the different offers from the companies, the result in the pre-study shows that the offer from the company C.A. – MÖRCK has the most optimal primary air preheater.
The results in the pre-study shows that it is technically possible to install primary air preheaters into the building, but the limited space in the boiler-room forced the distance between the tube-bundles in the primary air preheaters to be very small.
Pressure-measurements on the primary air fans show that it is possible to use the existing fans with the purposed primary air preheaters. This assumes that the air-damper is always in the normal operation position. If it is financially profitable to install primary air preheaters is difficult to answer because it is difficult to predict the lifetime on the boilers and what economical profits the primary air preheaters may cause.
ISSN: 1650-8300, UPTEC ES08 002 Examinator: Ulla Tengblad
Ämnesgranskare: Kjell Pernestål Handledare: Lars Jacobsson
Sammanfattning
Halmstads Energi och Miljö har i dagsläget ingen förvärmning av primärluften i sina två mindre avfallseldade pannor. Att inte ha tillgång till primärluftförvärmning innebär att då bränslets (avfallets) fukthalt är för hög så blir värmevärdet på bränslet för lågt, vilket leder till en låg förbränningstemperatur inne i förbränningsugnarna. En för låg förbränningstemperatur innebär att andelen oförbränt (koloxid) i rökgaserna ökar samt att andelen oförbränt avfall i askan ökar, vilket medför att förbrännings- och pannverkningsgraden sjunker. Med en installation av en primärluftförvärmare så kan man tillföra extra värme utifrån till förbränningen för att kompensera för det ångbildningsvärme som annars måste tas ur de varma rökgaserna inne i eldstaden. Detta leder således till en ökad kontroll/stabilitet i förbränningsprocessen då fukthalten på bränslet ökar.
Examensarbetet har varit en förstudie inför en eventuell upphandling av primärluftförvärmare till Panna 1 (P1) och Panna 2 (P2), för att visa om det är tekniskt samt ekonomiskt lönsamt att genomföra en upphandling. Detta genomfördes genom att först inventera anläggningen för att sedan kunna skapa en specifikation, som sedan lämnades ut till leverantörer. Då offerterna från tillverkare var inkomna så kunde de analyseras, utvärderas och jämföras. Förstudien har bekräftat att det finns behov av primärluftförvärmning till både P1 och P2, eftersom de år det fanns tillgång till primärluftförvärmning till båda pannorna så var andelen oförbränt avfall i bottenaskan lägre än idag. Även andelen oförbränt (CO) i rökgaser har via mätningar i denna förstudie visat sig ha de lägsta värdena vid specifika temperaturer i förbränningsugnen. Med en primärluftförvärmare skulle dessa specifika temperaturer bättre kunna kontrolleras och därmed kan förlusterna i oförbrända rökgaser minskas.
Förstudien har även visat att det är bättre med individuella primärluftförvärmare till varje panna efter primärluftfläktarna än en gemensam före primärluftfläktarna. Individuella primärluftförvärmare medför att man kan ha individuell primärluftförvärmning till varje panna för optimal förbränning samt att man slipper isolera primärluftfläktarna. Primärluften tas från bunkerhallen vilket innebär att den innehåller stora mängder partiklar som gör att en primärluftförvärmares tuber snabbt kommer att sättas igen om inte värmeväxlaren är av rätt typ. Förstudien har visat att värmeväxlare med släta tuber och parallell konfiguration är den mest effektiva lösningen för så liten igensättning som möjligt.
P1 och P2 är hetvattenpannor med ångdom, vilket innebär att det finns möjlighet att använda ånga eller hetvatten till förvärmning av primärluften. Offerter från leverantörer har visat att dimensioner på ång-luftförvärmare blev marginellt mindre och billigare än en hetvatten- primärluftförvärmare. En ång-primärluftförvärmare begränsas av pannornas klassificering vilket betyder att ånguttaget maximalt får vara 5 % av tillförd effekt och förstudiens undersökningar visar att vid för stora primärluftflöden så kan man inte nå önskade primärlufttemperaturer med en ång-primärluftförvärmare. Förstudien har även visat att en ång-primärluftförvärmare har en mer komplicerad inkoppling och reglerkrets än en hetvatten- primärluftförvärmare. Med dessa underlag så föreslås i förstudien att en hetvatten- primärluftförvärmare skulle vara mest lämplig.
De begränsade dimensionerna i anläggningen visade sig vara förstudiens största begränsning.
Därför var leverantörerna tvungen att anpassa dimensionerna på primärluftförvärmaren så att de skulle bli så kompakta som möjligt. Rengöringsmöjligheterna innebar också en begränsning vilket innebar att de heller inte kunde bli för kompakta. Offerterna jämfördes senare mot varandra och förstudiens resultat visar att C.A. MÖRCK AB:s primärluftförvärmare var den mest optimala med avseende på; storlek, investeringskostnader och tubkonfiguration. För att kunna få en uppfattning om hur den optimala
primärluftförvärmaren skulle passa in i anläggningen så ritades panna och primärluftförvärmare skalenligt i ett tredimensionellt program. Den tredimensionella ritningen visade att möjligheten till rengöring av tuberna skulle bli begränsat samt att bytet av tuberna endast kan ske genom att dra ut tuberna i sidled.
En installation av en primärluftförvärmare innebär nya förluster i primärluftkanalen. Därför utfördes även en inventering av primärluftfläktarnas kapacitet. Förstudien visar att de befintliga fläktarna skulle klara av en installation av en primärluftförvärmare om pannorna körs med normaldrift, vilket är då reglerspjället innan primärluftfläktarna är ca 60 % öppet.
Den totala investeringskostnaden för en primärluftförvärmare inklusive bypasskanal och spjäll till en panna, har beräknats till ca 650 kSEK (1 300 kSEK för båda pannorna), då installationskostnaderna är 50 % av de övriga komponenternas inköpspris.
Förord
Examensarbetet har utförts på Halmstads Energi och Miljös avfallsförbränningsanläggning i Kristinehed. Detta har inneburit att då problem eller frågeställningar uppstått under arbetets gång, har närheten till anläggningen möjliggjort snabba svar av kunniga personer i anläggningen. Även närheten till anläggningen har ökat min förståelse för hur anläggningen fungerar utöver det som berörts i detta examensarbete.
Examensarbetet utfördes på uppdrag av Halmstads Energi och Miljös avdelning ”Energi och Tjänster”. Examensarbetet omfattar 20 p och är det avslutande momentet i civilingenjörsutbildningen Energisystem. Handledare för examensarbetet har varit Lars Jacobsson, produktionschef på Halmstads Energi och Miljö. Ämnesgranskare för examensarbetet har varit Kjell Pernestål vid Institutionen för fysik och materialvetenskap, Uppsala Universitet. Examinator för examensarbetet har varit Ulla Tengblad vid Institutionen för kärn- och partikelfysik, Uppsala Universitet. Opponent på examensarbetet har varit Dan Johansson, civilingenjörsstudent inom Energisystem, Uppsala Universitet.
Tack till alla er som varit mig behjälplig under arbetets gång. Särskilt tack till:
Åke Albrechtsson, som spenderat flera timmar i arkivet för att leta ritningar åt mig.
Lars Jacobsson, för bra handledning.
Driftpersonal och Eddy Larsson, som försett mig med driftdata.
Kjell Pernestål, som väglett mig genom arbetets gång.
Fikagänget på avfall och återvinning, för trevliga fikastunder.
Halmstad, januari 2008 Mattias Björkman
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte och mål... 1
1.3 Metod ... 2
1.4 Avgränsningar ... 2
2 Fjärrvärme och avfallsförbränning i Halmstad ... 3
2.1 Fjärrvärme i Halmstad... 3
2.2 Avfallsförbränning i Halmstad kommun... 3
3 Teori... 4
3.1 Hushållsavfall... 4
3.2 Avfallsförbränning på roster ... 5
3.3 Förluster i förbränningsprocesser... 6
3.4 Primärluftförvärmarens betydelse i avfallsanläggningar ... 7
3.5 Primärluftförvärmarens uppbyggnad ... 8
3.6 Panneffekter ... 10
4 Dimensioneringsunderlag ... 12
4.1 Bränslen... 12
4.2 Panna 1 och Panna 2... 13
4.3 Vatten och ångkrets... 16
4.4 Primärluft ... 19
4.5 Primärluftfläktar ... 20
4.6 Primärluftförvärmarens placeringar ... 21
4.7 Tillförd effekt ... 22
4.8 Begränsningar... 23
4.9 Rekommendationer från avfallsanläggningar ... 26
4.10 Specifikation till leverantörer baserat på dimensioneringsunderlag och rekommendationer... 28
4.11 Möjliga placeringar av primärluftförvärmarenhet... 28
5 Offerter... 31
5.1 Primärluftförvärmare... 31
5.2 Jämförelser av dimensioner och priser mellan olika offerter... 36
6 Förslag på primärluftförvärmarenhet ... 38
6.1 Placering av föreslagen primärluftförvärmarenhet ... 39
7 Förändringar genom användning av primärluftförvärmare... 43
7.1 Primärlufttemperaturens påverkan på förbränningen... 43
7.2 Förändringar i vattenflöden... 43
7.3 Maximala tryckförluster i primärluftförvärmarenhet och bypasskanal... 45
7.4 Ombyggnationer... 46
7.5 Nya rördragningar till primärluftförvärmare... 46
7.6 Nya underhållsrutiner... 47
8 Resultat... 49
8.1 Investeringskostnader... 49
8.2 Känslighetsanalys... 50
8.3 Diskussion och slutsatser ... 51
8.3 Kompletteringar inför en upphandling av primärluftförvärmare ... 52
9 Referenser ... 53
Appendix ... 55
1 Inledning
Förbränning av avfall har blivit en viktig del av Sveriges energiförsörjning sedan införandet av deponiförbudet år 2002, vilket innebar att det är förbjudet att deponera brännbart avfall på soptippar. Avfallsförbränning innebär mindre utsläpp av miljöfarliga ämnen till jämfört med om avfallet istället skulle deponeras, samt att energi kan utvinnas ur avfallet i en avfallsförbränningsanläggning. Att förbränna avfall är en komplicerad process eftersom bränslets (avfallets) innehåll har en stor variation i sammansättning och fukthalt, vilket kan skapa problem i både förbränningsugn och reningsutrustning. Därför sker en ständig utveckling och optimering av förbränningsugnar och reningsutrustningar, för att kunna anpassas efter avfallets varierande innehåll och därmed minska förlusterna i förbränningen och utsläppen av miljöfarliga ämnen.
1.1 Bakgrund
Halmstads Energi och Miljö (HEM) har i dagsläget problem med störningar i förbränningen då fukthalten i bränslet (främst hushållsavfall) ökar i de två mindre avfallseldade pannorna (13,5 MW/avfallspanna). Den höga fukthalten i hushållsavfallet gör att värmevärdet blir för lågt i bränslet och man får därmed en för låg förbränningstemperatur inne i eldstaden. För att kompensera denna driftstörning så ökar man idag andelen industriavfall, men tillsätter även stödbränslen, exempelvis träavfall som har lägre fukthalt än industriavfall och hushållsavfall, vilket medför att det totala bränslets sammanlagda värmevärde ökar. Ökat värmevärde och minskad fukthalt medför en bättre förbränning, därmed minskar mängden oförbrända rökgaser och andelen oförbränt avfall i askan.
Att förvärma primärluften i en primärluftförvärmare är en annan metod för att öka kontrollen på förbränningen då fukthalten på hushållsavfallet stiger istället för att öka andelen industriavfall och stödbränslen. I en primärluftförvärmare värms primärluften upp av antingen ånga, hetvatten eller rökgaser i en värmeväxlare och blåses sedan in under bränslet i eldstaden. Förvärmning av primärluften innebär att man tillför värme i förbränningen för att kompensera för det ångbildningsvärme som annars måste tas ur de varma rökgaserna inne i eldstaden. Detta leder således till en ökad kontroll/stabilitet i förbränningsprocessen då fukthalten på bränslet ökar.
1.2 Syfte och mål
Syftet med examensarbetet är att göra en förstudie inför en kommande upphandling för en nyinstallation av två- alternativt en gemensam primärluftförvärmare till de två mindre avfallseldade pannorna. Med en installation av primärluftförvärmare har HEM möjligheten att få en önskad (optimal) temperatur i förbränningsugnarna oavsett om man ökar andelen hushållssopor i bränslesammansättningen eller fortsätter använda befintlig bränslesammansättning. En optimal temperatur i förbränningsugnen innebär en bättre utbränning av bränslet och en minskad mängd oförbränt avfall i askan samt en lägre andel oförbränt (CO) i rökgaserna. Då en primärluftförvärmare kan säkerhetsställa en minskning av andelen oförbränt i rökgaser och oförbränt avfall i askan, skulle det innebära att HEM kan göra både ekonomiska och miljömässiga vinster med en primärluftförvärmare.
Förstudien innehåller:
• Inventering av primärluftfläktarna
• Offerter från olika företag på primärluftförvärmare
• Förslag på lämplig typ av primärluftförvärmare
• Placering av föreslagen primärluftförvärmare
• Ombyggnationer och nya rördragningar
• Förändrade drift- och förbränningsegenskaper med primärluftförvärmning
• Investeringskostnader för primärluftförvärmare
1.3 Metod
Arbetet inleddes med en informationsinhämtning från anläggningen. I denna informationsinhämtning ingick att studera ritningar, driftdata samt att intervjua personer som jobbar inom anläggningen men även personer på andra företag och anläggningar. Vidare gjordes en litteraturstudie där relevant litteratur för projektet studerades. För att kunna få fram specifika dimensioner på primärluftförvärmare togs ett dimensioneringsunderlag fram.
Dimensioneringsunderlaget lämnades sedan till berörda tillverkare av primärluftförvärmare som sedan dimensionerade efter önskade specifikationer.
När offerterna var inkomna kunde förslag på primärluftförvärmare och placering fastställas, samt vilka nya rördragningar och ombyggnationer en primärluftförvärmare skulle innebära.
Mätningar på primärluftfläktarna gjordes också för att kunna se hur stort tryckfall de kunde klara av vid en installation av en primärluftförvärmare samt beräkningar/analyser av driftdata för att kunna undersök hur en primärluftförvärmare skulle påverka förbränningen.
1.4 Avgränsningar
I detta projekt berörs Panna 1 (P1) och Panna 2 (P2). För att begränsa detta arbete så kommer endast; primärluftkanalerna med tillhörande fläktar, bränsleförbrukning och sammansättning, driftdata, effekter i panna samt vattensystem (ånga, matar- och hetvatten) att studeras.
2 Fjärrvärme och avfallsförbränning i Halmstad
2.1 Fjärrvärme i Halmstad
År 1980 installerades de första fjärrvärmenäten i Halmstad kommun. Näten ägdes då och distribuerades av Energiverken i Halmstad AB som var kommunalägt. Huvuddelen av värmen till fjärrvärmenäten köptes då in av Halmstads Renhållningsbolag AB (som också var kommunalägt men ett annat bolag) från deras avfallsförbränningsanläggning som även utgjorde basen i fjärrvärmeproduktionen. Värme till fjärrvärmenäten producerades även i Halmstad Energi:s biobränsleeldade förbränningsanläggning samt via gasturbiner som använder naturgas som bränsle. Även spillvärme (överskottsvärme) från industrier (t.ex.
Pilkington) används för att komplettera med värme till fjärrvärmenäten. Den 1 november 2006 slogs Halmstad Energi och Renhållningsbolaget ihop, och bildade HEM (Halmstads Energi och Miljö). HEM äger idag avfallsförbränningsanläggningen, biobränsleeldade förbränningsanläggningen, fossileldade spets och reservanläggningar en mindre flispanna samt fjärrvärmenäten och är fortfarande 100 % kommunalägt (HEM, Internet).
2.2 Avfallsförbränning i Halmstad kommun
De första avfallsförbränningsanläggningarna (P1 och P2) i Halmstad kommun byggdes år 1971 på Kristinehed i det dåvarande tekniska kontorets regi. Avfallsanläggningen användes då som en ren destruktionsanläggning för hushållsavfall med förbränningsugnar utan energiåtervinning och inget krav på sortering av avfallet. All värme som producerades kyldes bort i kyltorn. Nya miljömål och ökad fokus på energifrågor ledde till att Renhållningsbolaget år 1984 kompletterade de två befintliga pannorna med hetvattenpannor. Därmed kunde energin i de heta rökgaserna omvandlas till hetvatten som sedan kunde värma Halmstad Energi:s fjärrvärmevatten (HEM, Internet).
Under 1990-talet ökade medvetenheten om de globala resurs- och miljörelaterade frågorna.
Detta ledde att man skulle utnyttja ännu mer av den energi som uppstår vid förbränningen av hushållsavfall. Därför togs beslutet om att bygga ytterligare en panna, Panna 3 (P3). P3 togs i drift år 2003 och är en ångpanna som producerar ånga för el-generering och den kondenserade ångan efter turbinen används till att värma fjärrvärmevattnet vilket skiljer sig från P1 och P2 som idag endast producerar hetvatten för fjärrvärme. År 2003 och 2004 skedde en ombyggnation av de två mindre avfallseldade pannorna för att de skulle klara de nya förbränningsdirektiven. Rökgasreningslinjer uppgraderades med ny rökgasreningsutrustning, nya rökgas- sekundärluftsfläktar, stödbrännare, och nytt miljömätningssystem (Avfallskraftvärmeverket).
Mindre än en tredjedel av avfallet som förbränns idag kommer från Halmstads egen kommun medan resterande del huvudsakligen kommer från övriga Halland (Avfallskraftvärmeverket).
Idag så står avfallsförbränningen med sina tre pannor för 80 % av fjärrvärmenätets totala hetvattenproduktion. Anläggningen har kapacitet och tillstånd att förbränna 200 000 ton sopor per år sammanlagt i de tre pannorna och den totala energiproduktionen från avfallsförbränningen uppgår till omkring runt 300 till 350 GWh värme samt 70 till 80 GWh el per år (Avfallskraftvärmeverket).
3 Teori
3.1 Hushållsavfall
Hushållsavfall även kallat sopor är restprodukter från mänsklig verksamhet som inte återanvänds. I vårt samhälle uppgår mängden hushållsavfall till 200 - 300 kg per person och år. Det termiska värmevärdet på hushållsavfallet beror av människornas levnadsvanor samt de klimatologiska förhållandena och vanligtvis ligger det effektiva värmevärdet på ca 10 MJ/kg. Sopornas värmevärde och fukthalt varierar stort under ett år; fukthalten är som högst på sommaren och som lägst på vintern d.v.s. värmevärdet är således som högst på vintern och som lägst på sommaren (Alvarez H., 2003).
Avfallets egenskaper varierar stort beroende på om avfallet härstammar från varuhus, kontor eller bostadsområden. Hushållsavfallet är generellt ett ”besvärligt” bränsle eftersom innehållet har en stor variation i sammansättning och innehållet består främst av papper, matrester, metaller (främst burkar), glas och plast. Tabell 3.1.1 visar ett exempel på innehållet i kommunalt hushållsavfall. Om pappersåtervinning ökar så minskar värmevärdet på hushållsavfallet och om glas och metall sorteras bort så ökar värmevärdet (Alvarez H., 2003).
Tabell 3.1.1: Exempel på sammansättning i kommunalt hushållsavfall. Data: Alvarez H., 2003.
Vikt %
Papper 50
Matrester 10
Trä. Halm, löv 10 Textiler, läder, gummi 8
Plast 6
Metall 5
Glas, keramik, lergods 5
Diverse 6
För att avfall ska kunna förbrännas effektivt utan tillsats av stödbränslen (tillsatsbränsle) krävs att vissa egenskaper uppfylls. Generellt så krävs att askhalten och fukthalten < 60 %, brännbar substans mellan 20 och 40 %, för att avfall ska brinna självständigt. Det effektiva värmevärdet bör dock minst vara 3300 kJ/kg (Alvarez H., 2003).
För att öka avfallets värmeinnehåll och därmed undvika svårigheter vid förbränningen så blandar man avfall med varierande ursprung. Men i de flesta avfallsanläggningar så tippas det osorterade avfallet i en bunker, för att sedan matas in i förbränningsugnen med en gripskopa.
Med detta sätt kan bara ytterst en liten del av det obrännbara materialet sorteras bort och det obrännbara materialet omvandlas till slagg (bottenaska) inne i eldstaden (Alvarez H., 2003).
3.2 Avfallsförbränning på roster
Att elda avfall på fast roster har visat sig vara praktiskt omöjligt därför att man är i behov att hålla bränsleskiktet i rörelse och därför används en rörlig roster för att avfallet inte ska sammanbakas. Avfall som förbränns i luft genomlöper tre olika faser (Wester L., 2007):
• Torkning
• Uppvärmning, förgasning och gasförbränning
• Förbränning av fast kol
Gripskopan tar avfallet (bränslet) från avfallsbunkern och släpper sedan ned avfallet in i en inmatningsficka. Innan avfallet når ugnens förbränningszon så passerar avfallet en torkzon, där avfallet delvis torkas (vatteninnehåll förångas) av värmestrålning från förbränningen.
Temperaturen på avfallet begränsas till 100 °C under detta förlopp eftersom all tillgänglig energi används till förångning av bränslets vatteninnehåll (Alvarez H., 2003).
När bränslet torkar så stiger temperaturen och flyktiga beståndsdelar avges. Lättflyktiga ämnen (H2 och CH4) avgasas först men antänds inte förrän de nått en temperatur på 500 – 700
°C. Tyngre kolvätena (tjäror) drivs ut sist men har en lägre antändningstemperatur än de lättflyktiga ämnena och antänds redan vid 400 °C eller lägre. Återstoden av fast kol antänds vid ca 500 °C. För att alla flyktiga beståndsdelar ska förbrännas så måste de förenas med syre vid en relativt hög temperatur. Sammanfattningsvis blir rostens första parti en torkzon, mellanpartiet blir en avgasningszon och slutpartiet blir en slutförbränningszon. Figur 3.2.1 visar rostens olika zoner (Wester L., 2007).
A. Torkzon B. Avgasningszon C. Slutförbränningszon
Figur 3.2.1: Rörlig sned roster med zonerna; A (torkzon), B (avgasningszon) och C (slutförbränningszon). Bild: Wester L., 2007.
När obrännbart och fuktigt material medföljer i ugnen så sänks förbränningstemperaturen. För att kompensera den låga förbränningstemperaturen så är det viktigt att man förvärmer primär- och sekundärluften eller blandar in högvärdigt material (högt värmevärde) i bränslet.
Eldstadsrummet bör vara tillräckligt högt så att bränslets långflammiga beståndsdelar skall hinna genomgå fullständig förbränning. Dessutom bör eldstaden ha en termisk tröghet som gör att rostens värmeackumuleringsförmåga skall förhindra att elden slocknar vid tillförsel av fuktigt bränsle. För att förbränningsgaserna ska vara garanterat luktfria så bör gaserna hålla en
2
temperatur på ca 900 °C därför att luktgränsen ligger mellan 600 - och 700 °C. Lagstiftning anser att rökgastemperaturer ska vara 850 °C i minst två sekunder efter sista inblåsningen av förbränningsluften (Jacobsson L. 2008). För att minska utsläpper av dioxiner bör temperaturen i eldstaden ligga över 1300 °C men förbränningstemperaturen får inte heller bli för hög eftersom termisk NOx bildas vid ca 1500 °C (Wester L., 2007).
Normalt så sker avfallsförbränning med ett stort luftöverskott på 50 till 60 % och förbränningsluften tillförs underifrån in i rosten och är uppdelad i olika zoner. I rostens övre zon kan förvärmd sekundärluft vara upp till ca 300 °C. Ugnar som har primärluftskyld roster kan inte hålla en lika hög temperatur som sekundärluften eftersom primärluften måste kunna säkerhetsställa roststavarnas kylning (Alvarez H., 2003).
Värmen från de heta rökgaserna tas upp av matarvattnet i pannans panntuber. För att sedan utnyttja resterande värme i rökgaserna efter pannan så är avfallsanläggningar generellt utrustade med en ekonomiser/avgaspanna samt en rökgaskondensering där rökgastemperaturen sänks ytterligare. Figur 3.2.2 visar en sopförbränningsanläggning där en traversburen gripskopa förser den rörliga lutande rosten med avfall och de heta rökgaserna från förbränningen värmer matarvattnet i panntuberna.
Figur 3.2.2: Sopförbränningsanläggning där en traversburen gripskopa förser den rörliga lutande rosten med avfall och de heta rökgaserna från förbränningen värmer matarvattnet i panntuberna. Bild: Vattenfall, 2003.
3.3 Förluster i förbränningsprocesser
Fullständig förbränning inträffar då bränslets alla brännbara beståndsdel förenar sig fullständigt med syre och bildar koldioxid (C + O2 → CO2). För att fullständig förbränning ska ske så krävs att (Alvarez H., 2003):
• Förbränningstemperaturen är tillräckligt hög
• Turbulens (optimal bränsle/luft-blandning)
• Tillräckligt lång uppehållstid i förbränningsrummet
Förlusterna i en förbränningsprocess kan delas upp i fyra följande förluster; rökgas-, ask- och strålningsförluster samt förluster i oförbrända rökgaser. En primärluftförvärmare påverkar endast; förluster i oförbrända rökgaser samt askförluster, vilka beskrivs nedan. De övriga
förlusterna beskrivs utförligare under kapitel 3.6 (Panneffekter) (Fransson K. och Larsson E., 1989).
Förluster i oförbrända rökgaser:
För att åstadkomma fullständig förbränning bör temperaturen i slutförbränningszonen (Zon C i Figur 3.2.1) vara 800 – 900 °C. De enda bränslen som har problem med att upprätthålla denna temperatur är avfallsbränslen och fuktiga träd- och torvbränslen. Om fukthalten på avfallsbränslet är för högt d.v.s. att värmevärdet blir för lågt i en förbränningsprocess så sjunker förbränningstemperaturen. Om förbränningstemperaturen sjunker och blir för låg (under ca 750 °C) så ökar andelen oförbränt i rökgaserna (Wester L., 2007).
En ökad andel oförbränt i rökgaser innebär att rökgaserna innehåller större mängd koloxid (CO) istället för CO2 men även en ökad andel; kolväten, tjäror och eventuella dioxiner (Wester L., 2007). Detta leder till rökgasförluster då energi går förlorad i rökgaserna när CO (C + ½O2 → CO) inte omvandlats fullständigt till CO2 och förbränningsverkningsgraden sjunker därmed. En godkänd förbränningsverkningsgrad för eldning av fasta bränslen på rost bör ligga mellan 95 – 99 %. CO-halter under 100 ppm har ingen praktisk inverkan på förbränningsverkningsgraden (Wester L., 2007).
Förluster i aska:
Vid avfallsförbränning uppkommer i regel de största förlusterna i askförlusterna.
Askförlusterna uppkommer delvis då förbränningstemperaturen sjunker för lågt så att de brännbara partiklarna från bränslet blir för kalla och slocknar och bildar sot. Vid eldning av avfall på rost så är det även vanligt att brännbara partiklar bakas in i askan eller faller genom rosten utan att förbrännas. Detta leder till att andelen oförbrända material i askan ökar vilket i sin tur leder till att pannverkningsgraden sjunker (Alvarez H., 2003 och Wester L., 2007).
3.4 Primärluftförvärmarens betydelse i avfallsanläggningar
Om primärluften istället förvärms innan den blåses in i eldstaden så kommer primärluften att förånga delar av avfallsbränslets vatteninnehåll. Detta betyder att det åtgår en mindre mängd energi (ångbildningsvärme) från de varma rökgaserna från eldstaden till torkning av avfallsbränslet men även minskad energi till uppvärmning av kall primärluft. En förvärmd primärluft leder således till att förbränningstemperaturen inne i eldstaden ökar i jämförelse med samma panna utan primärluftförvärmning och samma fukthalt på bränslet. Om fukthalten på avfallsbränslet istället ökar så kommer förbränningstemperaturen att vara relativt konstant med en panna med primärluftförvärmning. I jämförelse med samma panna utan primärluftförvärmning kommer förbränningstemperaturen istället att sjunka.
Om förvärmningen av primärluften sker med energi från pannans egna system (från t.ex.
hetvatten, ånga eller rökgaser) så kommer ingen energi gå förlorad i den sammanlagda processen. Detta beror på att den energi som överförs till primärluften leder till att förbränningstemperaturen inne i eldstaden ökar. En ökad förbränningstemperatur innebär att panntuberna kan ta upp en högre värmemängd i matarvattnet samt att de pannor som är utrustade med ekonomiser och rökgaskondensering kan ta upp den resterande ökade värmemängden som orsakats av primärluftförvärmaren. Detta betyder att den energi som går förlorad för uppvärmning av primärluften medför en lika stor energiökning i panntuberna, ekonomiser och rökgaskondensering, vilket leder till ett såkallat nollsummespel (förutsatt att det inte sker några förluster i primärluftförvärmarens värmeväxlare).
En förvärmning av primärluften leder till en ökad kontroll och säkerhetsställer en önskad förbränningstemperatur då värmevärdet på avfallsbränslet sjunker, vilket leder till en minskad halt av CO i rökgaserna och en minskad andel oförbränt avfall i askan d.v.s. en högre pann- och förbränningsverkningsgrad. En nackdel med primärluftförvärmning är då förbränningsugnens roster kyls av primärluften istället för matarvatten vilket betyder att vid för höga temperaturer på primärluften så kan det vara eventuellt nödvändigt att begränsa primärlufttemperaturen för att kunna säkerställa rostens kylning.
3.5 Primärluftförvärmarens uppbyggnad
Förvärmning av primärluft kan ske på flera olika sätt, där det vanligast är att förvärma primärluften i en värmeväxlare med hjälp av; varma rökgaser, hetvatten eller ånga. Figur 3.5.1 visar en luftförvärmare som värms av hetvatten eller ånga med bypasskanalen dragen ovanför luftförvärmaren. För avfallsförbränning är det vanligast med rörluftförvärmare (tubvärmeväxlare). Rörluftförvärmare för avfallsförbränning består oftast av raka släta tuber, ytförstorande tuber eller tuber med lameller (vanligast med tuber i rostfritt stål) i vilka det varma mediet strömmar och omspolas av den kalla primärluften som ska värmas upp. Den motsatta anordningen förekommer också men med hänsyn till försmutsning och rengörning så väljer man att låta primärluften strömma utanför tuberna (Alvarez H., 2003).
1. Luftförvärmare 2. By-pass ledning 3. Inspektionsluckor 4. Spjäll
Figur 3.5.1: Luftförvärmarbatteri som värms av hetvatten eller ånga och bypasskanalen dragen ovanför luftförvärmaren. Bild: C.A. MÖRCK AB, 2007.
3.5.1 Tubvärmeväxlare
I avfallsanläggningar används vanligtvis värmeväxlartypen tubvärmeväxlare som primärluftförvärmare. Tubvärmeväxlare består av ett eller flera paket tuber vilka är infästa i tubplattor i vardera ända. Inne i tuberna strömmar det ena mediet (oftast det varma och i denna rapport ånga eller hetvatten) vilket innebär att detta medium är oblandat. Det andra kalla mediet (primärluft i denna rapport) strömmar mellan tuberna och är då blandat eftersom det kan strömma fritt. Figur 3.5.1.1 visar medieflödena i en tubvärmeväxlare. För att öka värmeöverföringen kan man sätta fenor på tuberna eller flänsar (lameller) mellan tuberna, vilket gör att den värmeöverförande ytan blir större och man får en högre hastighet på mediet utanför tuberna och α-värdet (W/m2*K, värmeöverföringstalet via konvektion) ökar också samt tryckförlusten på tubernas utsida (Alvarez H., 2003).
1 2
2
3 3
4
Figur 3.5.1.1: Medieflöden i en tubvärmeväxlare med släta tuber. Bild: Sundén .B, 2006.
3.5.2 Igensättning och rengöring av primärluftförvärmare
I avfallsanläggningar tas generellt primärluften direkt från bunkerhallen för att kunna skapa ett undertryck, och därmed kan man minimera luktläckaget ut ur bunkerhallen. Luften inne i bunkerhallen innehåller partiklar vilket leder till att dessa partiklar fastnar i;
primärluftkanaler, primärluftfläktar, primärluftluftförvärmare och andra komponenter som tillhör primärluftkanalen. Detta innebär att rengöring av dessa komponenter måste ske då tryckförluster på primärluften blir för stor. Hur ofta en primärluftförvärmare måste rengöras beror på primärluftens innehåll av partiklar samt utformningen på värmeväxlaren.
En värmeväxlare med lameller eller ytförstorande tuber (fenor) (se vänstra och mittersta bilden i Figur 3.5.2.1) sätts i regel igen fortare än en värmeväxlare med släta tuber (se högra bilden i Figur 3.5.2.1). Detta beror på att lamellernas och fenornas yta är trängre än släta tuber vilket leder till att luftens partiklar fastnar lättare på tuber med fenor och lameller än på släta tuber. Att placera släta tuber i ett sicksackställt mönster kan innebära en snabbare igensättning (försmutsning) av tuberna i jämförelse med släta tuber som placeras parallellt eftersom sicksack ställda tuber ”bromsar” luften mer än parallella tuber och smutsen fastnar då lättare.
Figur 3.5.2.1: Till vänster visas en bild på en värmeväxlare med lameller, i mitten visas en bild på en tub med fenor och till höger visas en bild på en luftförvärmare med släta och sicksackställda tuber . Bild: Boiler Works, Apex Group och egen, 2007.
Vid rengöring av tuberna i en primärluftförvärmare så stängs generellt spjällen före och efter primärluftförvärmaren och primärluften går istället i en bypasskanal ”runt”
primärluftförvärmaren in till pannan. Rengöring kan ske på olika sätt, vanligast är att man
öppnar luckor på primärluftförvärmaren och rengör tuberna manuellt med en högtryckstvätt eller rensar mellan tuberna med ett smalt föremål och på så sätt får man bort beläggningar på och mellan tuber. Mekaniska och automastiska rengöringssystem finns också. Varför man leder primärluften i en bypasskanal vid rengöring beror på att man inte vill ha ett luftläckage ut ur primärluftförvärmaren samt att man inte vill befukta primärluften.
3.6 Panneffekter
En pannas olika effektflöden består av; tillförd effekt (PT), nyttig effekt (PN) och förluster (PF).
Effektflödenas förhållanden till varandra visas i Figur 3.6.1. (Fransson K. och Larsson E., 1989).
Figur 3.6.1: Förhållandet mellan tillförd och nyttig effekt samt förluster. Figur: Fransson K.
och Larsson E., 1989.
Tillförd effekt (PT):
Tillförd effekt i pannan sker via bränsle (PB), värmemedium (PZ) (vatten, ånga eller luft) och om finfördelning av bränsle förekommer så skall alla apparaternas elektriska effekter summeras till en gemensam effekt (PE). För att bestämma tillförd effekt via bränsle så måste bränsleflödet mätas vilket sker genom att väga fastbränslen (avfall i denna rapport) omedelbart före pannan (ingen buffertlagring) samt via bränsleprov (enligt kap. 2.1) bestäms bränslets effektiva värmevärde. För att kunna bestämma tillförd effekt i värmemedium så ska värmemediets; flöde och temperatur bestämmas. Tillförd effekt summeras i en gemensam tillförd effekt enligt ekvation (3.6.1). Utförliga kommentarer till ekvation (3.6.1) redovisas i Appendix 1 (Fransson K. och Larsson E., 1989).
E Z B
T P P P
P = + + (3.6.1)
Nyttig effekt (PN):
Pannans nyttiga effekt sker via mätning av; flöden, tryck och temperaturer på in- och utgående media på; ånga, matarvatten hetvatten och bottenblåst vatten. Mediernas; specifika entalpier (h) och densitet (ρ) bestäms ur tabellverk. Se ekvation (3.6.5) för beräkning av nyttig upptagen effekt där produkternas individuella massflöde multipliceras med dess entalpiökning och summeras i en gemensam nyttig effekt (PN). Utförliga kommentarer till ekvation (3.6.5) redovisas i Appendix 1.1 (Fransson K. och Larsson E., 1989).
N Hetvatten Ekonomiser Ekotuber Ånga
P = P + P
++ P
(3.6.5)Förluster (PF):
Förlusterna i en panna kan delas upp i följande; rökgas- (PRökF), ask- (PAskF) och strålningsförluster (PStrålF) samt förlust genom oförbrända rökgaser (PCOF) summeras i en
gemensam förlust (PF), se ekvation (3.6.6). Utförliga kommentarer till ekvation (3.6.6) redovisas i Appendix 1.2 (Fransson K. och Larsson E., 1989).
StrålF AskF
COF RökF
F P P P P
P = + + + (3.6.6)
3.6.1 Pannverkningsgrad
Pannverkningsgraden kan beräknas på tre olika sätt (Fransson K. och Larsson E., 1989).:
1. Direkt metod genom att bestämma den tillförda effekten (PT) till pannan och den av pannans avgivna nyttiga effekt (PN).
2. Indirekt metod genom att bestämma tillförd effekt (PT) till pannan och pannans förluster (PF).
3. Indirekt metod genom att bestämma pannans avgivna nyttiga effekt (PN) och pannans förluster (PF).
Om tillförd bränslemängd och effektiva värmevärdet på bränslet kan bestämmas tillräckligt noga så kan den direkta metoden vara den enklare. Vid avfallsförbränning är det däremot svårt att bestämma bränslets tillförda effektiva värmevärde eftersom fukthalten och sammansättning varierar stort. Därför används lämpligast den indirekta metoden där pannans avgivna nyttiga effekt samt pannans förluster bestäms (Fransson K. och Larsson E., 1989).
Den nyttiggjorda effekten och förluster bestäms enligt kap. 3.6. Mer detaljerade tillvägagångssätt och tolkningar för beräkningar av pannors verkningsgrad via den indirekta metoden hänvisas till rapporten ”Anvisningar för prestandaprov vid pannanläggningar”
(Fransson K. och Larsson E., 1989).
Verkningsgraden (η) med indirekt metod via pannans avgivna nyttiga effekt (PN) samt pannans förluster (PF) beräknas enligt ekvation (3.6.1.1). Tillförd effekt (PT) beräknas via ekvation (3.6.1.2) (Fransson K. och Larsson E., 1989).
Verkningsgraden (η) är:
F N
N
P P
P
= +
η (3.6.1.1)
Detta ger tillförd effekt (PT):
ηN
T
P = P (3.6.1.2)
4 Dimensioneringsunderlag 4.1 Bränslen
4.1.1 Sammansättning och förbrukning av bränsle
Det primära bränslet i P1 och P2 är brännbart hushållsavfall och lättare industriavfall. Innan avfallet tippas i avfallsbunkern så sorteras det grova avfallet bort antingen vid källan eller i anläggningen. Det grova avfallet krossas till mindre fragment för att sedan förbrännas. Den gemensamma avfallsbunkern till P1 och P2 har en kapacitet på 600 ton vilket räcker ungefär två- till tredagars drift med full kapacitet (5 ton/h och panna) i P1 och P2 samtidigt. Som sekundärt bränsle används trädbränslen och olja, så kallade stödbränslen. Dessa stödbränslen används då avfallet har lågt värmevärde dvs. hög fukt- och askhalt eller låg brännbar substans.
Olja används vid upp- och nedeldning samt torkeldning och sker via brännare inne i pannan.
Indikationer på om stödbränsle behövs tillsättas sker genom att driftpersonalen studerar om förbränningstemperaturen går ner inne i eldstaden. Riktlinjerna för hur bränslesammansättningen bör vara i P1 och P2:s bränsleficka (bunkerhall) visas i Figur 4.1.1.1.
Bränslesammansättning
70%
10%
20%
Industriavfall Träavfall Hushållsavfall
Figur 4.1.1.1: Riktlinjer för bränslesammansättning till P1 och P2. Data: Lövkvist B., 2007.
Bränslesammansättningen varierar dock ganska stort från de riktlinjer som finns beroende på vilken månad det är. Tabell 4.1.1.1 visar månadsvariationerna i P1 och P2:s bränslesammansättning, från januari till juni månad år 2007. I Tabell 4.1.1.1 kan man även se att i maj - juni ökar andelen stödbränslen (träavfall och industriavfall) för att kompensera för hushållsavfallets höga fukthalt.
Tabell 4.1.1.1: Tillfört bränsle till P1 och P2:s bunker, jan - jun 2007. Data: HEM, 2007.
Månad Industriavfall Träavfall Hushållsavfall Industriavfall Träavfall Hushållsavfall
jan 5 452 262 1 954 71,1 3,4 25,5
feb 4 950 367 1 277 75,1 5,6 19,4
mar 5 098 100 1 745 73,4 1,4 25,1
apr 3 427 3 2 215 60,7 0,1 39,2
maj 2 831 186 1 983 56,6 3,7 39,7
jun 786 288 912 39,6 14,5 45,9
Totalt 22 544 1 205 10 085 66,6 3,6 29,8
Avfall [Ton] Sammansättning [%]
4.1.2 Analyser av HEM:s avfallsbränslen
Med jämna mellanrum görs analyser av HEM:s hushållsavfall. Då får man bland annat reda på vilket värmevärde samt vilken fukthalt hushållsavfallet har, vilket ger en fingervisning hur man bör blanda de olika avfallen, eftersom t.ex. värmevärdet och fukthalten varierar stort beroende på vilken årstid det är samt härkomsten på hushållsavfallet. I Tabell 4.1.2.1 redovisas analyser av HEM:s hushållsavfall med olika härkomst och olika tidsperioder.
Tabell 4.1.2.1: Analyser av HEM:s hushållsavfall med olika härkomst och olika tidsperioder.
Data: Analysrapporter, Lidköping, 2006-2007.
Fukthalt Askhalt Eff. Värmevärde Prov Datum [%] [%] [MJ/kg]
A 06-01-17 49,6 14,2 8,4
B 06-01-17 56,6 6,6 8,0
C 06-05-16 32,0 16,6 15,9
D 06-05-19 14,9 13,9 14,7
E 07-02-09 51,2 4,7 12,6
Det finns dock inga analyser gjorda på HEM:s industriavfall och träavfall. Därför tas dessa värden från en rapport som regeringen gjort där industri- och träavfall analyserats. Dessa värden används sedan i kapitel 4.7.1, men ger även läsaren en uppfattning om hur t.ex. fukt- och askhalt samt värmevärde skiljer sig mellan; hushålls-, industri- och träavfall. Fukt- och askhalt samt värmevärde på industri- och träavfall redovisas i Tabell 4.1.2.2.
Tabell 4.1.2.2: Värden på industri- och träavfall. Data: Regeringen, 2002.
Fukthalt Askhalt Eff. Värmevärde
Bränsle [%] [%] [MJ/kg]
Industriavfall 16,6 16,8 11,9
Träavfall 24,0 3,3 14,0
4.2 Panna 1 och Panna 2
P1 och P2 består av två identiska ugnar och är klassificerade som hetvattenpannor med ångdom. De båda förbränningsugnarna använder energin i rökgaserna som återvinns i hetvattenpannorna, vardera med en maxeffekt på ca 13,5 MW (Axelsson L., 2007). Pannorna har vardera en kapacitet på ca 5 ton avfall per timme med ett varierande värmevärde som beror på avfallets sammansättning och härkomst, enligt Tabell 4.1.1.1 och Tabell 4.1.2.1.
Avfallet tillförs i ugnarna via en inmatartratt där en manuell traversburen gripskopa lyfter i avfallet in i trattarna. Via trattarna går sedan avfallet ner till inmatarna som i sin tur trycker in avfallet på rosterbädden där båda pannorna vardera är försedda med en rörlig lutande roster där rosten kyls av primärluften. Förbränningen sker vid en temperatur av ca 900 °C för att alla luktämnen ska försvinna samt för att allt brännbart material ska fullständigt förbrännas.
Förbränningen i P1 och P2 sker med ett luftöverskott på ca 40 %, där sekundärluften förvärms till ca 25° C och primärluften har ungefär samma temperatur som utomhustemperaturen men går aldrig under 0 °C.
Efter pannan leds rökgaserna genom elektrofiltret och efter elektrofiltret har rökgaserna en temperatur på ca 250 °C som sedan kyls ned till ca 140 °C i avgaspannan (ekonomisern) där
avgaspannorna tillsammans avger en effekt på ca 1,5 MW (inklusive 0,1 MW från pannornas ekotuber). Efter avgaspannan leds rökgaserna vidare genom textilfiltret och sedan till en kondensorskrubber (rökgaskondensering) där rökgaserna sprayas med vatten och kyls ned till ca 65 °C. I kondensorskrubbern återvinns energin i det kondenserade vattnet i rökgasen som i sin tur värmer fjärrvärmevattnet. Slutligen värms rökgaserna till minst 60 °C i en påvärmare innan den via rökgasfläktarna strömmar upp i skorstenen. Figur 4.2.1 visar P1 och P2 med tillhörande ekonomiser och rökgasrening.
Figur 4.2.1: P1 och P2 med tillhörande ekonomiser och rökgasrening. Bild: HEM och egen, 2007.
4.2.1 CO-halten i rökgaser
Variationen i CO-halten i P1 och P2:s rökgaser beror på flertalet orsaker och för att inte utsläppen av CO ska vara för stora så har riktlinjer för P1 och P2 tagits fram av Miljödomstolen (Miljödomstolen, 2000):
• ”Utsläppet av koloxid i renad rökgas får som riktvärde och timmedelvärde inte överstiga 100 mg/m3 nt, till 9 % koloxid eller 11 % syrehalt omräknad, gas. Om två omedelbart på varandra följande timmedelvärden överstiger 3 gånger denna halt skall pannan tas ur drift. Förbränning i pannan får därefter inte ske förrän sådana åtgärder vidtagits att riktvärdet kan innehållas”
• ”Förbränningstemperaturen i pannorna P1 och P2 skall vara lägst 850 °C efter sista tillsatsen av sekundärluft”
Ett larm finns även inlagt för att kunna påverka CO-toppar i ett tidigt stadium där larmet aktiveras om CO-halten överskrider 100 mg/Nm3 i mer än 5 minuter. Förekomsten av förhöjda halter av CO under 2006 i P1 och P2:s rökgaser har berott på flertalet orsaker. De orsaker som förhöjt CO-halten och som berör denna rapport är (Axelsson L., 2006):
• Hög rökgastemperatur efter pannan och i konvektionsdel
• Vid tillförsel av avfall med mycket lågt värmevärde
För att kunna få en uppfattning om vid vilken eldstadstemperatur man får de lägsta CO- halterna i P1 och P2:s rökgaser, så måste dessa parametrar mätas. Därför utfördes en mätserie i detta projekt på P1 och P2:s; eldstadstemperaturer och CO-halter i rökgaser efter ekonomiser, med befintliga mätare. Uppmätta värden sparades en gång i minuten från; 2008- 01-01, 00:01 till 2008-01-07, 13:00. Det varierande luftöverskottet i pannorna är dock inte analyserade, vilket bör inkluderas för noggrannare resultat, eftersom om O2 halten är för låg kommer CO-halten att öka oavsett förbränningstemperatur.
Resultatet av mätserien för båda pannorna visade att det inte gick att hitta något tydligt samband mellan eldstadstemperaturen och CO-halten i rökgaserna, eftersom mätdata från båda pannorna innehöll stora mängder brus. Bruset kan ha berott på; tidsförskjutning mellan temperatur- och CO-mätningarna, felaktiga eller felkalibrerade mätinstrument, igensättning av mätinstrument p.g.a. aska/partiklar eller stora mängder avfall som förbränts samtidigt vilket har inneburit ett O2-underskott i förbränningen som i sin tur leder till ökad andel CO i rökgaserna.
För att kunna få en liten fingervisning om vid vilken ”optimal” temperatur då CO-halten är som lägst i rökgaserna så togs 5 % av de lägsta CO-värdena fram. Sedan beräknades medeltemperaturen av de temperaturer som motsvarade de 5 % av de lägsta CO-halterna. För P1 så var de lägsta CO-halterna vid en medeltemperatur på ca 961 °C och för P2 så var de lägsta CO-halterna vid en medeltemperatur på ca 981 °C.
4.2.2 Andelen oförbränt avfall i slagg (botten aska)
Andelen oförbränt avfall i slaggen är begränsad och riktlinjer för P1 och P2 har framtagits av Miljödomstolen (Miljödomstolen, 2000):
• ”Halten oförbränt i slaggen från ugnarna får vid besiktning inte överskrida 5 viktprocent”
Andelen oförbränt avfall i askan varierar från år till år samt mellan de båda pannorna P1 och P2. Analyser för andelen oförbränt avfall i; slagg (bottenaska från våtutmatare), flygaska (aska i elektrofiltret) och pannaska (aska från panntuber) anges i viktsprocent TS för åren 2002 – 2006, och presenteras i Tabell 4.2.2.1 för P1 och i Tabell 4.2.2.2 för P2. I Tabell 4.2.2.1 för P1 och i Tabell 4.2.2.2 kan man se att andelen oförbränt avfall i flygaska och pannaska har generellt minskat varje år och andelen oförbränt i slagg varierat från år till år men ökat generellt de senaste åren. Anledningen till ökningen av oförbränt slagg analyseras senare i kapitel 7.1.
Tabell 4.2.2.1: Andelen oförbränt avfall i P1:s askor under åren 2002 till 2006. Data:
Axelsson L., 2002 till 2006.
År Parameter Slagg Flygaska Pannaska 2006 Oförbränt vikt-% TS 3,6 3,0 2,9 2005 Oförbränt vikt-% TS 6,6 0,7 4,9 2004 Oförbränt vikt-% TS 2,2 - - 2003 Oförbränt vikt-% TS 4,9 - - 2002 Oförbränt vikt-% TS 3,1 3,4 -
Tabell 4.2.2.2: Andelen oförbränt avfall i P2:s askor under åren 2002 till 2006. Data:
Axelsson L., 2002 till 2006.
År Parameter Slagg Flygaska Pannaska 2006 Oförbränt vikt-% TS 4,7 2,5 3,7 2005 Oförbränt vikt-% TS 5,9 2,8 4,4 2004 Oförbränt vikt-% TS 2,2 - - 2003 Oförbränt vikt-% TS 7,1 - - 2002 Oförbränt vikt-% TS 3,2 3,3 -
4.3 Vatten och ångkrets
4.3.1 Befintligt flödesschema över vatten- och ångkrets
Vattenkretsen vilken består av matarvatten, hetvatten och ångkrets är en sluten krets och vid eventuella läckage i tuber eller vid pannsotning så tillsätts nytt matarvatten i systemet från matarvattentanken via matarvattenpumparna, se Figur 4.3.1.1. Matarvattnet har en temperatur på ca 105 °C inne i matarvattentanken och förvärms med ånga från domen med en temperatur på ca 162 °C och ett tryck på ca 5,5 bar ö.t (Holmberg L., 2007). Matarvattnet har en temperatur på ca 130 °C och ett flöde på ca 300 m3/h innan den går in i pannan. Inne i pannans tuber värms matarvattnet upp av de heta rökgaserna. Matarvattnet övergår till hetvatten och trycks sedan upp till pannans topp och samlas inne pannans ångdom. Hetvattnet inne i ångdomen har en temperatur på ca 160 °C och ett övertryck på ca 5,5 bar (mättningstryck). Hetvattnet leds sedan från ångdomen ner till fjärrvärmeväxlaren, som i sin tur värmer upp fjärrvärmenätet. I fjärrvärmeväxlaren sänks temperaturen på hetvattnet till ca 120 °C och övergår igen till s.k. matarvatten. Innan det 120-gradiga matarvattnet pumpas in i pannan via cirkulationspumparna så förvärms matarvattnet via en shuntventil från hetvattenledningen.
1. Ingående matarvatten i pannan
2. Utgående hetvatten från ångdomen
3. Utgående ånga från ångdomen
4. Shuntventil
Figur 4.3.1.1: Schematisk bild över P1 och P2:s vatten- och ångsystem Bild: Egen, 2007.
1 2
3
4
4.3.2 Förslag på flödesschema över vatten- och ångkrets med hetvatten- primärluftförvärmare
Om primärluften ska förvärmas med hetvatten så kopplas förslagsvis inkommande hetvattenledning till primärluftförvärmaren in direkt på utgående hetvattenkrets efter domen och innan fjärrvärmeväxlaren, för att kunna få en så hög temperatur på hetvattnet som möjligt, se Figur 4.3.2.1. För att säkerställa önskat flöde till och från primärluftförvärmaren så eventuellt behövs en pump installeras på inkommande hetvattenledning till primärluftförvärmaren om trycket över fjärrvärmeväxlaren är lägre än trycket över primärluftförvärmaren. Ifall det finns risk för kavitation i pumpen så måste pumpen placeras efter primärluftförvärmaren.
Önskad uttemperatur på primärluften styrs via ett reglersystem som styr pumpens flöde på inkommande hetvatten till primärluftförvärmaren. Utgående hetvatten från primärluftförvärmaren kopplas direkt på matarvattenkretsen innan shuntregleringen. Vid behov av dränage av hetvattnet i primärluftförvärmarna så sker det med dräneringsventilen direkt efter primärluftförvärmaren.
1. Hetvattenpump till primärluftförvärmare 2. Primärluftförvärmare 3. Dränering till
primärluftförvärmare
Figur 4.3.2.1: Förslag på schematisk bild över P1 och P2:s vatten- och ångsystem med hetvatten-primärluftförvärmare. Bild: Egen, 2007.
1 2
3
4.3.3 Förslag på flödesschema över vatten- och ångkrets med ång-primärluftförvärmare Om primärluften ska förvärmas med ånga så kopplas förslagsvis inkommande ångledning till primärluftförvärmaren in direkt på utgående ångledning efter domen. Att koppla inkommande ångledningen till primärluftförvärmaren på detta sätt innebär att all ånga kan användas endast för primärluftförvärmning då den kondenserade ångan efter primärluftförvärmaren användas istället för ånga för matarvattenavgasning i matarvattentanken, se Figur 4.3.3.1. I primärluftförvärmaren kondenseras ångan och för att förhindra att ångan inte skall lämna primärluftförvärmaren utan att kondensera så installeras en kondensvattenavledare (ångfälla) direkt efter primärluftförvärmaren. Önskad uttemperatur på primärluften styrs via ett reglersystem som styr ventilen på inkommande ångledning till primärluftförvärmaren.
Efter kondensvattenavledaren leds den kondenserade ångan till matarvattentanken eller till matarvattenkretsen innan shuntregleringen. För att kunna säkerställa önskat kondensvattenflöde till matarvattentanken samt till matarvattenkretsen (innan cirkulationspumparna), så eventuellt behövs en pump installeras efter kondensvattenavledaren om tryckfallet över fjärrvärmeväxlaren är lägre än över primärluftförvärmaren eller ifall trycket är högre i matarvattentanken än i kondesvattenledningen. Ett reglersystem styr fördelningen av den kondenserade ångan där; nivå, tryck och temperatur inne i matarvattentanken styr vilket flöde som behövs till matarvattentanken. Vid behov av dränage av kondensvattenavledaren så sker det med en dräneringsventilen direkt efter kondensvattenavledaren.
1.
Primärluft- förvärmare 2. Kondens- vattenavledare (ångfälla) 3. Dränering av kondensvatten 4.
Kondensvatten- pump
5. Reglerventil för fördelning av kondensvatten 6. Reglerventil för inkommande ånga
Figur 4.3.3.1: Förslag på schematisk bild över P1 och P2:s vatten- och ångsystem med ång-
1 2 3 4
5
6
4.4 Primärluft
Huvuddelen av förbränningsluften (primärluften) sugs från bunkerhallen vilket skapar ett undertryck inne i bunkerhallen och därmed minskas risken för luktläckage ut ur bunkerhallen.
Båda pannorna har en gemensam primärluftkanal mellan bunkerhall och fläktrum med innermåtten H x B = 1200 x 1000 mm. I fläktrummet delar sig primärluftkanalen i två delar och förser de båda fläktarna (en för varje ugn) med primärluft. Efter fläktarna leds primärluften i varsin kanal med innermåtten H x B = 850 x 580 mm och yttermåtten H x B = 900 x 630 mm (isolerings- och plåttjocklek på ca 25 mm) till respektive förbränningsugn, se Figur 4.4.1 som visar en förminskad horisontal- och vertikalritning på P1 och P2:s primärluftkrets. I Appendix 2 redovisas kompletta byggritningar där P1 och P2:s primärluftkrets med tillhörande fläktar och anslutningar till pannorna finns inritade i horisontal och vertikal vy (HEM, 1970).
Primärluften tillförs under rosten olika zoner. Dessa zoner går att reglera individuellt vilket möjliggör önskat primärluftflöde till respektive zon för att kunna åstadkomma en optimal förbränning. Regleringen av flödet till respektive zon sker genom att först studera hur det brinner i förbränningsugnen via en kamera. Därmed kan man sedan avgöra hur flödet ska regleras till varje zon. Primärluften har även den viktiga funktionen att kyla rosten, vilket i sin tur förlänger dess livslängd. Primärluftflödet varierar och är ca 20 000 till 25 000 Nm3 per timme och panna vid normaldrift. Primärluftflödet i den gemensamma kanalen är ungefär 40 000 till 50 000 Nm3 per timme vid normaldrift. Primärlufttemperaturen är något högre än utomhustemperaturen och går aldrig under 0 °C (HEM, 2007).
1. Gemensam primärluft- kanal
2. Förgrening av gemensam primärluftkanal 3. Primärluftfläktar 4. Primärluftkanal efter fläkt
5. Primärluftkanalens inlopp i panna 1 6. Primärluftkanalens inlopp i panna 2
Figur 4.4.1: Förminskad ritning med vertikal- och horisontal vy över P1 och P2:s primärluftkanal med tillhörande primärluftfläktar. Bild: HEM, 1970.
4.5 Primärluftfläktar
Pannornas primärluftfläktar är identiska och är av typen radialfläkt vilket betyder att primärluftflödet in i fläkten sker axiellt medan flödet ut ur fläkten sker radiellt (vinkelrätt mot fläktens periferi och primärluftflöde in), se Figur 4.5.1 som visar P1:s primärluftfläkt och primärluftkanal. Fläktarna drivs av en elmotor (110 kW, 1480 r/m) som sitter utanför fläkten och driver fläkten via kilremmar. Fläktarnas varvtal är konstant och genom att reglera fläktens inloppsspjäll så kan man reglera fläktarnas primärluftflöde. Fläktarna har en maximal effekt på 90 kW, vid ett varvtal på 1400 r/m med det ursprungliga fläkthjulet (BACHO Fläktverkstäderna, 1970)
2 4
5
1
3 3
3
4 6
4
1
1 1
Vid uppgraderingen av P1 och P2 år 2004 så bytte man fläkthjulen i båda fläktarna till mindre fläkthjul (okänd typ och storlek). Bytet till mindre fläkthjul berodde på att tidigare användes primärluftfläktarna till både sekundär- och primärluft men 2004 installerades separata sekundärluftsfläktar vilket innebar att luftflödet skulle minska med ca 30 %, varav bytet till mindre fläkthjul. I Appendix 3 redovisas fläktarnas fläktdiagram för det ursprungliga fläkthjulet (Jacobsson L., 2008).
1. Primärluftflödeskanal in 2. Reglerinloppsspjäll 3. Primärluftfläkt
4. Kilremdrift från el-motor 5. Primärluftflödeskanal ut
Figur 4.5.1: Primärluftfläkt med primärluftkanal till P1. Bild: Egen, 2007.
4.6 Primärluftförvärmarens placeringar 4.6.1 Primärluftförvärmare efter fläkt
Att placera primärluftförvärmarna efter fläktarna innebär en primärluftförvärmare till varje panna. Detta medför även att förvärmningen av primärluften kan ske individuellt för varje panna, vilket är även HEM:s önskan (Jacobsson L., 2007). Att ha en förvärmare till varje linje gör att varje enskild primärluftförvärmare blir ungefär hälften så stor som en gemensam, eftersom primärluftflödet nästan är proportionellt mot storleken på primärluftförvärmarens tvärsnitt (Kaczmarek J., 2007).
4.6.2 Gemensam primärluftförvärmare före fläkt
Eftersom primärluftkanalen är gemensam för båda pannorna före fläktarna så finns möjligheten till en gemensam primärluftförvärmare till de båda pannorna. Att ha en primärluftförvärmare före fläktarna innebär att inkommande primärluft till fläktarna är uppvärmd vilket innebär att fläktarna kommer att bli upphettade av den varma primärluften.
För att inte värmeläckage ska uppstå ut ur fläktarna så måste fläktarna isoleras. Att placera primärluftförvärmaren före fläktarna kommer endast att ske om de individuella primärluftförvärmarna efter fläktarna inte får plats (Jacobsson L., 2007).
5
1 2 3
4
4.7 Tillförd effekt
Båda pannorna är klassificerade som hetvattenpannor, vilket innebär att om en ång- primärluftförvärmare ska användas så får ånguttaget från ångdomen maximalt vara 5 % av tillförd effekt i varje panna (Ingenjörsvetenskapsakademien, 1987). I dessa 5 % inräknas ånguttag som hör direkt till anläggningen t.ex. matarvattenavgasare och matarvattenförvärmare (det ångan används till idag i P1 och P2). Därför bestäms pannornas tillförda effekt i kapitel 4.7.1 och 4.7.2. Tillförd effekt i P1 och P2 beräknas med två olika och oberoende metoder vilket medför en högre tillförlitlighet i resultaten om resultaten visar sig vara någorlunda lika.
4.7.1 Beräknad tillförd effekt baserad på analyser av tillfört bränsle och tillfört värmemedium
Tillförd effekt i P1 och P2 baserat på analyser av tillfört bränsle och tillfört värmemedium, beräknas enligt ekvation (3.6.1). Resultatet visar att den tillförda effekten i P1 och P2 ökade under hela våren. Detta berodde på att hushållsavfallet hade ett högre värmevärde än industriavfallet (vilket generellt brukar vara tvärt om), och när andelen hushållsavfall ökade och andelen industriavfall minskade under våren, ledde det till en ökning av tillförd värmeeffekt i P1 och P2. Tillfört värmemedium var endast sekundärluft och var konstant under hela perioden, vilket inte påverkade förändringarna. I Tabell 4.7.1.1. redovisas månadsvis tillförd effekt baserad på analyser och tillfört värmemedium. Utförliga beräkningar redovisas i Appendix 4.
E Z B
T P P P
P = + + (3.6.1)
Tabell 4.7.1.1: Tillförd effekt (PT) baserad på analyser av tillfört bränsle och tillfört värmemedium från januari till juni i P1 och P2. Data: HEM, 2007.
Månad Tillförd effekt [MW]
jan 16,91
feb 16,91
mar 16,85
apr 16,96
maj 17,07
jun 17,45
4.7.2 Beräknad tillförd effekt baserad på indirekt metod med nyttiggjord effekt och förluster
Den nyttiga effekten (PN) fås via mätningar och summeras enligt ekvation (3.6.5). Förlusterna (PF); mäts, beräknas eller bestäms via schablon ur rapporten; ”Anvisningar för prestandaprov vid pannanläggningar” och summeras enligt ekvation (3.6.6). Observera att beräknad tillförd effekt baserad på indirekt metod med nyttigjord effekt och förluster, beräknades inte under samma period som tillförd effekt baserat på analyser av tillfört bränsle och tillfört värmemedium beräknades. Utförliga beräkningar och antaganden redovisas i Appendix 4.1.
Nyttig effekt (PN):
N Hetvatten Ekonomiser Ekotuber Ånga
