Karakterisering en monitoring van vervuilingsgedrag in de ketel bij biomassa meestoken Mariusz Cieplik, Fred Verhoeff (ECN) en Arkadiusz Dyjakon (TUD) Biomassa Meestook Symposium, Amsterdam, 27 mei 2010
Achtergrond: biomassa assen in ketels (1) • Biomassa brandstoffen bevatten as met afwijkende eigenschappen ten opzichte van kolenas: – sterk variërende asgehalte (0,1- 40 massa %), – chemische samenstelling – veel alkali (K,Na) zouten • Aanwezigheid van zouten kan leiden tot problemen: – vorming van (laagsmeltende) asafzettingen in de ketel – versnelde corrosie van stoombuizen – vorming van zeer fijne assen (aerosolen) • Gevolg: afname van rendement en beschikbaarheid )Monitoring van ketelvervuiling bij biomassa meestoken is zeer belangrijk
Achtergrond: biomassa assen in ketels (2) • Bestaande technieken voor karakterisering en monitoring van asgedrag zijn toegespitst op kolen • Relatief weinig ervaring met biomassa • Proeven in elektriciteitscentrales zijn zeer duur en niet zonder risico’s • Gedrag biomassa onder condities van toekomstige ketels (UltraSuperCritical stoomcondities en oxyfuel verbranding) nog grotendeels onbekend )Behoefte aan nieuwe, goedkope en betrouwbare as(smelt)gedrag karakterisering/monitoringsmethodes
Doelstelling voor onderzoeksgebied ketelvervuiling • Ontwikkelen en toepassen van as(smelt)gedrag karakterisering- en monitoringsmethodes Lab-schaal experimenten
Ontwerp richtlijnen
Validatie
Vol-schaal meetcampagnes
Evaluatie / interpretatie
Operator handleidingen Brandstof specificaties
Validatie
Modellering (thermodynamica, CFD)
Voorspellende en monitoring tools
Labschaal asgedragkarakterisering : LCS LCS – Lab-scale Combustion Simulator high
oxygen high
temperature Temperature [°C]
1200 1400 1600 Realistische nabootsing van een 1000 0
20
90 poederkool elektriciteitscentrale, 0,1 Burner area 0,2 maar op één gram per uur schaal: 0,3
Distance [m]
• temperatuur 0,4
• opwarmingssnelheid brandstof 0,5
gas + particles
0,6 • rookgassamenstelling 0,7
• verblijftijd 0,8 oxygen high
210 Residence time [ms]
gas
high temperature
1300
Furnace exit • ook voor oxyfuel verbranding 0,9 1
Sampling location
Labschaal asgedragkarakterisering: HDP HDP – Horizontale DepositieProbe
Labschaal asgedragkarakterisering: HDP HDP – Horizontale DepositieProbe • Voor karakteriseren van asafzettingen: – chemische samenstelling en fysieke vorm (morfologie) – invloed op warmteflux
• Ontwikkeld in samenwerking met Hukseflux in het project
“Boiler Fouling”, verder ontwikkeld in Co-firing Consortium
• Voor kortstondige (initiële) corrosietesten • Toepassing binnen EOS/LT projecten: – vijf verschillende stookcondities, inclusief oxyfuel – drie verschillende stoomcondities, inclusief USC – 10+ biomassa/kolen/mengsels – 100+ testen
Labschaal asgedragkarakterisering: data 0,06
Duidelijke verschillen:
Deposition rate 0,05
Specific Fouling Factor
- kolen sec vs meestoken
0,04
- effect T
0,03
- hoog vs laag zwavel
0,02
- effect deposiet opbouwsnelheid
0,01
- effect deposiet warmteoverdracht
[g/m2*s] C1/BM6/750/1000
C1-BM6/750/0
C1-BM6/660/0
C1-BM6/590/1000
C1-BM6/590/0
C1/750/1000
[K*m2/W*g fuel ash] C1-BM6/660/1000
kolen
C1/750/0
C1/660/1000
C1/660/0
C1/590/1000
C1/590/0
0
kolen+stro
Volschaal ketelvervuilingsdiagnostiek: MDP MDP – Mobiele Diagnostische Probe Toepassing binnen EOS-LT: • Boiler fouling en USC project • Borssele 12 ketel (EPZ) • Amer 9 ketel (Essent-RWE)
Volschaal diagnostiek resultaatvoorbeeld Location
Temp. radar
Flux radar
Flux behaviour
Photo
M e an flu x on probe Substr ate B10 12 .02.0 8 1 6:30 - 18:30
F LUX 3
TEMP 3
200
126
180 160
F u l x kW/ m 2
140
5 36 143
595
TEMP 4
TEMP 2
535
FLUX4
120 100 80
FLUX 2
109
60 40
20
587
2
: 36 18 :57
8
3: 1 18 :4
4
:2 8 :4
18 :1
18
0
4:2
6
00 :0
45 :3 17 :
18 :
8
2 31 :1 17 :
24
16 :4 17 :
: 00
: 36
02 : 17 :
16 :48
16 :33
16 :1
9: 1 2
0
131
Ti me sca le
F LUX 1
TEMP 1
M ean f u l x pr obe
Li near ( Mean f u l xpr ob e)
Mea n flux on probe Substrate D4 13 .02.0 8 8 :30 -1 1:0 0
20 0
F LUX 3 TEM P 3
18 0
16 0
728 14 0
7 66
TEM P 4 7 19
TEM P 2
F LUX4
69 56
F u l x kW/ m 2
69
12 0
10 0
FLUX
8 0
6 0
71
4 0
2 0
7 48
8 6:4 11 :1
2:2 4 11 :0
8:0 0 10 :4
3:3 6 10 :3
:48
:12 10 : 19
4 0:2
6:0
10 : 04
9 :5
6
9 :3
1:3 9 :2
9 :0
7:1
2
8 2:4 8:5
F LUX 1
0
0
TEM P 1
Ti me scal e Mea nf l uxo np ro be
Line ar ( Me an fl ux on pr obe)
Karakterisering van asafzetting (Amer 9 2008 meetcampagne): • één meetlocatie (superheater) én constante stookcondities • 35 % biomassa/kolen mengsel (direct meestoken) • onder huidige (590°C) én USC (750°C) stoomcondities • duidelijke verschillen in morfologie/samenstelling/eigenschappen asafzetting
Lab- vs. volschaal resultaatvoorbeeld
50 45 Lab-scale
40
Full-scale
Lab- vs. volschaal asafzetting: • 35 % biomassa/kolen blend • uit Amer 9 2008 meetcampagne • onder USC condities (660°C)
% w/w d.a.b.
35 30 25 20 15 10 5 0 SiO2
Al2O3
Fe2O3
Na2O
K2O
CaO
MgO
TiO2
P2O5
MnO
Ketelvervuiling monitoringtools • HogeTemperatuur Non-Invasief StoomDoorstroomMeter – om gevoelig en nauwkeurig stoomdebiet te meten – onderdeel van een nieuw, volschaal integrale ketelvervuilingsmonitoringsysteem (in ontwikkeling) – getest op labschaal en klaar voor volschaal testen – simpel “clamp on” ontwerp
Conclusies • Ketelvervuiling is én blijft aandachtspunt bij biomassa meestoken • De koppeling van lab- en volschaal blijkt succesvol • Het ontwikkeld gereedschap: – biedt de operators van huidige ketels zeer kosteneffectief inzichten in biomassa vervuilinggedrag – levert cruciale data ook voor verdere ontwikkeling van nieuwe keteltechnologieën Met hartelijke dank aan Justin Stokx en Fred Hooijmaijers (Essent), Kees-Jan van den Bos (Hukseflux), Piet Versluis (EPZ), Wiebren de Jong (TUD) en ECN meetteam (Jana Kalivodová, Tomasz Zagórski, Peter Heere, Dennis Slort)
Bedankt voor uw aandacht! Voor meer info: Mariusz Cieplik
[email protected] tel +31 (0) 224 56 4700
