Voorbereiding BioWKK: 1000uurtest

ECN-E--06-044

Voorbereiding BioWKK: 1000uurtest Duurtest met integrale biomassa vergassingsinstallatie F. Verhoeff L.P.L.M. Rabou S.V.B. van Paasen MTD R. Emmen (Technisch Bureau Dahlman B.V.) R.A. Buwalda (HABO B.V.) H. Klein Teeselink (HoSt)

December 2006

Verantwoording Dit is het eindrapport van het project “Voorbereiding BioWKK: 1000uurtest”, SenterNovem projectnummer 2020-03-11-14-005. ECN projectnummer 7.5252. Dit project is mogelijk gemaakt door ondersteuning van het programma DEN, dat wordt uitgevoerd door SenterNovem en door sponsering van Essent.

Abstract In this paper an overview is given of the results of a duration test with the Integral Biomass Gasification Unit at ECN, the Energy research Centre of the Netherlands. The gasification unit consists of a 500 kW CFB gasifier with product gas cooler, an “Olga” tar removal system, a GASREIP wet gas cleaning system, a gas engine/generator set with grid connection and a gas burner/hot-water boiler unit. The gas burner combusts either the excess of product gas during gas engine operation or the total product gas flow when the gas engine is not in operation. The aim of the duration test is to get insight into the performance and reliability of all the components of an integral biomass gasification unit. Further, the test is the first duration test on a 500kW scale with the Olga tar removal system. During the test an accurate registration was made of the functioning of the installation. At relevant locations in the installation pressures, temperatures, quantities and gas compositions were measured. The measured values were recorded and stored every five minutes. Thus, a complete set of data was generated, showing the actual process values during the total period. The results show, that the different parts of the system operated reliably. The proper functioning of the most innovative part of the installation, the Olga tar removal system, was demonstrated convincingly. The gas engine operated trouble free on this virtually clean product gas. With this test, valuable information on performance and reliability of a Biomass Gasification Unit is generated. From the test the following conclusions (amongst others) were drawn: • The CFB gasifier (operated on sawdust) produced a product gas with a heating value of around 5.6 and 6.5 MJ/m3n. Average quantity of the most important combustible components: CH4= 4.5%, CO = 17.5% and H2 = 7%. • The gasifier experienced some agglomeration, which could be controlled by adding fresh sand to the bed. • The heat transfer in the product gas cooler was stable over time. No fouling of the cooler was detected. Inspections afterwards showed that the cooler was clean. • The removal of a number of bends and expansion joints in the small diameter interconnecting piping reduced the number of outages due to char accumulation by 60%. • The Olga system for tar removal functioned very well over time. The tars, present in the product gas, were removed for over 99.5%, giving a tar dew point of the product gas of 0 ºC. Upon entering the gas engine, the product gas had a temperature of approximately 15 ºC. • No negative effects of the cleaned product gas on the gas engine, the gas burner or the boiler unit were found. The gas engine operated trouble free and neither fouling, nor deterioration of the heat transfer in the boiler was detected. • When firing product gas, the flue gas emissions of both the boiler and the gas engine were comparable with the emissions measured during natural gas firing. • The energy balance shows that during stable operating periods the gasifier has a cold gas efficiency of appr. 65%. If the calorific value of the tars were taken into account, the cold gas efficiency would increase to 71%. • The electrical efficiency of the 45 kWe gas engine during the test was on average 31%. In summary it can be stated that the performance of the installation during the test was very good. The test proved that the different components in the system operate very reliably over a longer period of time. 2

ECN-E--06-044

Inhoud Lijst van tabellen

5

Lijst van figuren

5

Samenvatting

7

1.

Inleiding 1.1 Probleemstelling 1.2 Doel van het onderzoek 1.3 Deelnemende partijen

8 8 8 8

2.

De Pilot installatie

9

3.

Uitgangspunten voor de test 3.1 Uitgangspunten met betrekking tot de Pilot Plant 3.2 Emissie eisen 3.3 Ploegendienst 3.4 Bedrijfsconfiguraties 3.5 Brandstof

11 11 11 11 12 12

4.

Verloop van de duurtest 4.1 Inleiding 4.2 Bedrijfsuren 4.3 Overzicht van het verloop 4.4 Analyse van de bedrijfsonderbrekingen 4.5 Conclusie met betrekking tot het verloop van de duurtest

13 13 13 15 18 19

5.

Metingen tijdens de duurtest 5.1 Brandstoffen 5.2 Meetresultaten 5.2.1 Toelichting bij de figuren 5.2.2 Procestemperaturen en drukken 5.2.3 Bivkin 5.2.4 Productgaskoeler 5.2.5 Cycloon 5.2.6 Olga 5.2.7 Gasreip 5.2.8 Gasmotor 5.2.9 Gasbrander en warmwater ketel 5.2.10 Conclusie mbt meetresultaten

21 21 21 22 22 24 26 27 28 29 30 31 33

6.

Massa en energiebalansen 6.1 Inleiding 6.2 Massabalans 6.3 Energiebalans 6.4 Conclusie massa en energiebalans

35 35 35 40 41

7.

Inspecties na afloop van de test 7.1 Inleiding 7.2 Bivkin, koeler, cycloon 7.3 Olga 7.4 Gasreip 7.5 Gasmotor 7.6 Brander en ketel 7.7 Conclusie n.a.v. de inspecties

42 42 42 43 43 44 44 45

8.

Voorontwerp commercieel vervolg

46

ECN-E--06-044

3

8.1 8.2

Voorontwerp van een stand-alone BIOWKK Voorontwerp van een vergasser met gasreiniging voor bijstoken in een bestaande WKK

46 47

9.

Conclusies

48

10.

Slotwoord

50

11.

Gebruikte symbolen en afkortingen

51

Bijlage A A.1 A.2 A.3 A.4 A.5

Beschrijving van de testopstelling Inleiding BIVKIN vergasser Productgaskoelers Stofafvangst Productgasreiniging A.5.1 OLGA A.5.2 GASREIP Gasmotor Branderinstallatie Heetwaterketel Meet- en regelsystemen

53 53 53 56 57 58 58 59 61 62 63 64

Bijlage B

Noodzakelijke aanpassingen aan het systeem

66

Bijlage C C.1 C.2 C.3 C.4

Operationele testen voorafgaand aan de duurtest Operationele test in november 2004 Vervolgtesten met de Bivkin installatie Aanvullend lab-schaal onderzoek in de WOB Ombouw Bivkin installatie; performance testen

67 67 67 68 69

A.6 A.7 A.8 A.9

4

ECN-E--06-044

Lijst van tabellen Tabel 3.1 Tabel 5.1 Tabel 5.2 Tabel 5.3 Tabel 6.1 Tabel 6.2 Tabel 6.3

Emissie eisen voor witte lijst brandstoffen bij ECN Gemiddelde analyse van de gebruikte brandstoffen Productgassamenstelling op verschillende punten in het systeem Emissies van de gasmotor, bedreven op productgas en op aardgas Samenstelling brandstof en bij de voedingsschroef afgezogen stof Gemiddeld debiet ingaande stromen in Bivkin vergasser Debiet ingaande stromen op 1 februari 2006 voor de belangrijkste elementen in kg/uur Tabel 6.4 Debiet ingaande stromen op 28 februari 2006 voor de belangrijkste elementen in kg/uur Tabel 6.5 Gemiddelde samenstelling productgas uit vergasser Tabel 6.6 Gemiddeld debiet uitgaande stromen bij Bivkin vergasser Tabel 6.7 Debiet uitgaande stromen op 1 februari 2006 voor de belangrijkste elementen in kg/uur Tabel 6.8 Debiet uitgaande stromen op 28 februari 2006 voor de belangrijkste elementen in kg/uur Tabel 6.9 Debiet lucht en brandstof naar de ketel en gemeten en berekende concentraties O2 en CO2 in droog rookgas Tabel 6.10 Energiebalans over de vergasser, beperkt tot stookwaarde van ingaande en uitgaande stromen

11 21 30 31 36 36 37 37 38 38 39 39 40 41

Lijst van figuren Figuur 2.1 Figuur 4.1 Figuur 4.2 Figuur 4.3 Figuur 4.4 Figuur 4.5 Figuur 5.1 Figuur 5.2 Figuur 5.3 Figuur 5.4 Figuur 5.5 Figuur 5.6 Figuur 5.7 Figuur 5.8 Figuur 5.9 Figuur 5.10 Figuur 5.11 Figuur 5.12 Figuur 5.13 Figuur 5.14 Figuur 7.1 Figuur 7.2 Figuur 7.3

Integrale testopstelling voor biomassa vergassing 9 Overzicht bedrijfstijden van diverse deelsystemen 13 Verloop van de test in de periode 15 -01-2006, 06:00 tot 29-01-2006, 5:55 16 Verloop van de test in de periode 29-01-2006, 06:00 tot 12-02-2006, 5:55 16 Verloop van de test in de periode 12-02-2006, 06:00 tot 26-02-2006, 5:55 17 Verloop van de test in de periode 26-02-2006, 06:00 tot 12-03-2006, 05:55 17 Opslag van houtpellets in de Romneyloods 21 Diverse procestemperaturen tijdens de duurtest 22 Drukval over verschillende onderdelen van het proces tijdens de duurtest 23 Procesgegevens van Bivkin tijdens de duurtest 24 Totale hoeveelheid zand, tijdens bedrijf aan Bivkin toe- en afgevoerd 25 Samenstelling van het in Bivkin geproduceerde productgas over de tijd 25 Berekende verbrandingswaarde van het productgas 26 Belangrijkste proceswaarden van de productgaskoeler over de tijd 27 Productgastemperaturen rond de cycloon tijdens de duurtest 27 Productgastemperaturen rond de Olga collector 28 In- en uitlaat temperaturen van het productgas in de absorber en van de lucht in de stripper tijdens de duurtest 29 Gasreip temperaturen tijdens de duurtest 30 Procesgegevens met betrekking tot de brander en de ketel 32 Emissies uit de schoorsteen van de ketel gedurende de test 33 Agglomeraten zoals die in de riser van Bivkin zijn aangetroffen 42 Roosterplaat na de duurtest met 1 lucht nozzle afgebroken 43 Deel van de voedingschroef na afloop van de duurtest, aangegroeid met brandstof 43

ECN-E--06-044

5

Figuur 7.4 Detail van de branderkop na de duurtest Figuur 7.5 Lichte vervuiling van de vlampijpen in de ketel

44 44

Figuur A.1 Integrale testopstelling voor biomassa vergassing Figuur A.2 Foto van BIVKIN vergassingsinstallatie van ECN Figuur A.3 Schema van BIVKIN vergassingsinstallatie Figuur A.4 Crusher in de brandstoftoevoer Figuur A.5 Schema productgaskoelers Figuur A.6 Foto van productgas koeler en luchttoevoer Figuur A.7 Foto van de cycloon Figuur A.8 Heetgasfilter Figuur A.9 Principeschema van het Olga teerverwijderingsysteem Figuur A.10 Schema van het water- en ammoniak verwijderingsysteem GASREIP Figuur A.11 Gasreip bezinktank Figuur A.12 Foto van de gasmotor Figuur A.13 Flowschema van het gastoevoer systeem naar de gasmotor Figuur A.14 Foto van de brander in de heetwaterketel Figuur A.15 Heetwaterketel Figuur A.16 Schema ketelwatersysteem Figuur A.17 Foto van de luchtkoelers

53 54 54 55 56 57 57 58 59 60 60 61 62 62 63 64 64

6

ECN-E--06-044

Samenvatting In dit rapport wordt verslag gedaan van een duurtest met de integrale Biomassa vergassingsinstallatie van ECN, het Energieonderzoek Centrum Nederland. De vergassingsinstallatie bestaat uit een 500 kW CFB vergasser met productgas koeler, een OLGA teerverwijderingssyteem, een GASREIP natte gas reiniging, een gasmotor/generator set met netkoppeling en een brander/warmwater ketel. De brander in de warmwaterketel verbrandt het overschot aan productgas tijdens gasmotor bedrijf, of het volledige debiet aan productgas wanneer de gasmotor niet in bedrijf is. Doel van de duurtest is om inzicht te verkrijgen in de werking en de bedrijfszekerheid van alle onderdelen van een integrale vergassingsinstallatie. De test is tevens de eerste langdurige test op 500 kW schaal van het OLGA teerverwijdering systeem. Tijdens de duurtest is nauwkeurig bijgehouden hoe de installatie functioneerde. Op relevante plaatsen in het systeem zijn drukken, temperaturen, hoeveelheden en gassamenstellingen gemeten. De meetgegevens zijn opgeslagen en elke 5 minuten bewaard, waardoor een goed inzicht is verkregen in de werking van de installatie over de tijd. Het resultaat laat zien dat de verschillende onderdelen van het systeem betrouwbaar hebben gefunctioneerd. De goede werking van het meest innovatieve deel van de installatie, het Olga teerverwijdering systeem is overtuigend gedemonstreerd. De gasmotor functioneerde probleemloos op dit nagenoeg schone productgas. Middels deze test is waardevolle informatie verkregen over het gedrag en de bedrijfszekerheid van een integrale biomassa vergassingsinstallatie. Uit de metingen kunnen o.a. de volgende conclusies worden getrokken: • De CFB vergasser (werkend op houtzaagsel) produceert productgas met een stookwaarde tussen 5,6 en 6,5 MJ/m3n en produceert als belangrijkste brandbare componenten CH4 = 4,5%, CO = 17,5%, en H2 = 7%. • In de vergasser werd enige agglomeratie geconstateerd, wat kon worden beheerst door het toevoegen van vers zand aan het bed. • De warmteoverdracht in de productgas koeler is stabiel over de tijd. Geen vervuiling van de koeler is geconstateerd; inspecties achteraf toonden aan dat de koeler schoon was gebleven. • De verwijdering van een aantal bochten en expansiestukken uit verbindende leidingen verminderde het aantal stops ten gevolge van koolstofophoping in deze leidingen met 60%. • Het systeem voor teerverwijdering Olga heeft goed gefunctioneerd. De in het gas aanwezige teerverbindingen worden voor meer dan 99,5% verwijderd, waardoor het teer dauwpunt van het productgas rond 0ºC bedroeg. De temperatuur van het productgas bij de inlaat van de gasmotor was rond 15ºC. • De gasmotor ondervindt geen nadelige gevolgen van het gereinigde productgas en ook de gasbrander werkt goed. Er is geen meetbare vervuiling of enige teruggang in warmteoverdracht in de ketel geconstateerd. • De emissies uit de ketel en de gasmotor liggen op een niveau dat vergelijkbaar is met het niveau bij het gebruik van aardgas. • De energiebalans laat zien dat de vergasser tijdens langdurig bedrijf een koud gas rendement heeft van ongeveer 65%. Inclusief teer komt het koude gas rendement op 71% uit. • Het elektrisch rendement van de 45 kWe gasmotor is gemiddeld tijdens de test 31%. Samenvattend kan worden gesteld dat de duurtest goede resultaten heeft laten zien. Met de duurtest is aangetoond dat er met een integrale Biomassa vergassingsinstallatie gedurende langere tijd betrouwbaar bedrijf gevoerd kan worden.

ECN-E--06-044

7

1.

Inleiding

1.1

Probleemstelling

Een installatie waarin biomassa via vergassing wordt omgezet in elektriciteit is opgebouwd uit een groot aantal deelsystemen. Sommige deelsystemen zijn uitgebreid getest en commercieel beschikbaar (bijvoorbeeld de CFB vergasser). Andere systemen zijn alleen kortstondig op laboratoriumschaal beproefd. Dit heeft tot gevolg dat installatieleveranciers op dit moment nog geen beschikbaarheidgaranties kunnen afgeven. Het geven daarvan is echter cruciaal voor een commerciële installatie. Zonder een dergelijke garantie komt een eerste project op commerciële schaal niet van de grond.

1.2

Doel van het onderzoek

Doel van het project is om door middel van een duurtest inzicht te verkrijgen in de werking en bedrijfszekerheid over langere termijn van een complete integrale vergassingsinstallatie. Dit, om hiermee technische onzekerheden te verminderen en daarmee de rentabiliteit en de financierbaarheid van commerciële vervolgprojecten zoals BIOWKK te verbeteren. Door een duurtest uit te voeren met een compleet systeem wordt inzicht verkregen in de werking van alle deelsystemen gedurende langere tijd. Met deze kennis worden de verschillende systeemleveranciers in staat gesteld om beschikbaarheidgaranties af te geven, wat de kans op realisering van een eerste commerciële installatie aanzienlijk verhoogt.

1.3

Deelnemende partijen

Naast ECN hebben de volgende partijen aan de voorbereiding en de uitvoering van de duurtest deelgenomen: 1. Technisch Bureau Dahlman Dahlman is actief betrokken geweest bij de ontwikkeling van het productgas reinigingssysteem Olga. Verder heeft Dahlman gedurende de uitvoering van de duurtest een assistentoperator geleverd die de hoofdoperator van ECN kon ondersteunen met het bedrijven van de complete vergassingsinstallatie. 2. Essent Essent heeft de gasmotor geleverd. Oorspronkelijk zou Essent meewerken aan de voorbereiding en de uitvoering van de test, maar in de loop van het project heeft Essent besloten zijn bijdrage om te zetten in het gratis leveren van de gasmotor. 3. HABO B.V. De bijdrage van HABO B.V. bestaat uit de engineering en uitvoering van de modificaties van de gasstraat en de gasmotor die noodzakelijk zijn om de gasmotor op biomassa productgas te kunnen bedrijven. Voorts heeft HABO de gasmotor geplaatst en in bedrijf gesteld en tijdens de duurtest onderhoud en inspecties aan de motor uitgevoerd. 4. HoSt B.V. De CFB vergassingstechnologie is samen met de firma HoSt ontwikkeld. In het kader van dit project heeft HoSt een assistent-operator geleverd tijdens de uitvoering van de duurtest en heeft een bijdrage geleverd in de evaluatie van de test en het voorontwerp van een commercieel vervolg.

8

ECN-E--06-044

2.

De Pilot installatie

De duurtest is uitgevoerd met de al bij ECN aanwezige integrale Bivkin vergassingsinstallatie, die voor deze test geschikt is gemaakt voor duurbedrijf en is uitgebreid met een gasmotor/generator met netkoppeling. In Figuur 2.1staan de belangrijkste deelsystemen van de installatie schematisch weergegeven.

Cooler Electricity Gasengine Booster

Fuel bunker OLGA Tar removal

GASREIP Water + Ammonia Removal

Sealpot

Burner Feeding screw Circulating Fluid Bed Gasifier BIVKIN

Cyclone

Heat

Figuur 2.1 Integrale testopstelling voor biomassa vergassing De testopstelling bestaat uit de volgende deelsystemen: • De 500 kW Circulerende Wervelbed Vergassingsinstallatie. Deze vergasser is reeds sinds enige jaren bij ECN in bedrijf. De technologie hiervoor is in de loop der jaren samen met HoSt bij ECN ontwikkeld. HoSt heeft inmiddels een tweetal biomassa vergassers van dit type in binnen- en buitenland geleverd en de technologie heeft zich inmiddels bewezen. • Stookgaskoelers en een cycloon. In deze koelers en de cycloon wordt het stookgas afgekoeld tot beneden 400 ºC en wordt het stof uit het gas gehaald. De gaskoelers zijn van een nieuw type en de werking ervan zal met de duurtest worden bewezen. • Het OLGA teerverwijderingssysteem. In Olga wordt het gas verder afgekoeld en wordt de teer in het gas met wasolie uit het gas gewassen. Dit gebeurt op een temperatuurniveau dat boven het waterdauwpunt van het gas ligt, zodat de teer onvermengd beschikbaar komt en bovendien vervuiling van het condenswater met teer wordt voorkomen. De teer kan worden verbrand, vergast of als grondstof nuttig worden ingezet. Het Olga systeem was voor aanvang van de duurtest slechts zeer beperkt getest. De goede werking van het systeem zal daarom met de duurtest worden aangetoond. • Een systeem voor water- en ammoniak verwijdering (Gasreip). In dit systeem wordt het gas door middel van een quench verder in temperatuur verlaagd, waardoor het water dat in het gas zit condenseert. Daarna wordt met water de ammoniak uit het gas gewassen. Na deze behandeling is het gas geschikt voor toepassing in een gasmotor of een gasturbine. Met dit systeem was voorafgaand aan de duurtest al ongeveer 100 uur bedrijf gevoerd, zodat het gedrag hiervan over de tijd enigszins bekend was. • Een gasmotor. De gasmotor, die geschikt is gemaakt voor de verwerking van uit biomassa geproduceerd gas, drijft een generator aan waarmee elektriciteit wordt opgewerkt die via een

ECN-E--06-044

9

•

netkoppeling aan het elektriciteitsnet wordt geleverd. Het maximaal te leveren vermogen van de gasmotor bedraagt 45 kWe. De gasmotor is speciaal voor deze test bij ECN geïnstalleerd en aangepast. Er is nog geen ervaring met het bedrijven van deze motor op biomassa productgas. Het overschot aan gas wordt aan een brander toegevoerd, waarmee in een heet water ketel warm water wordt geproduceerd. Het hete water wordt aan de buitenlucht afgekoeld met behulp van koelers. De brander is al meerdere keren voor kortere tijd op productgas in bedrijf geweest, maar de goede werking van de brander gedurende lange tijd moet nog worden bewezen.

Een gedetailleerde beschrijving van de installatie wordt gegeven in Bijlage A.

10

ECN-E--06-044

3.

Uitgangspunten voor de test

3.1

Uitgangspunten met betrekking tot de Pilot Plant

Met betrekking tot de Pilot Plant is voor de duurtest van de volgende uitgangspunten uitgegaan: 1. De duurtest wordt uitgevoerd met de bij ECN aanwezige opstelling, uitgebreid met een gasmotor. 2. De installatie zal 24 uur per dag bemand moeten zijn. Permanent zijn een hoofdoperator en een assistent operator aanwezig om de installatie te bedienen. 3. Integratie van warmtestromen wordt niet toegepast en ook recyclestromen worden niet geïntegreerd. Dit om kosten te beperken. 4. De bestaande Pilot opstelling is over de jaren heen opgebouwd en is niet ontworpen voor langdurig continu bedrijf. Geaccepteerd wordt dat met name de lay-out van de productgasleidingen verre van optimaal is, waardoor er tijdens de test onderbrekingen kunnen optreden. 5. De elektriciteit die tijdens de proef geproduceerd wordt, wordt aan het net van ECN geleverd. 6. De warmte die er tijdens de proef geproduceerd wordt is niet nuttig ingezet, maar naar de buitenlucht afgevoerd (Warmtebenutting is bekende technologie die niet meer gedemonstreerd hoeft te worden). 7. Door de relatief kleine schaal van de opstelling, de lange leidingen en door het niet integreren van warmtestromen is het systeemrendement laag en niet representatief voor een industriële installatie.

3.2

Emissie eisen

Voor de integrale Biomassa vergassingsinstallatie Bivkin gelden tijdens continubedrijf, bij gebruik van “witte lijst brandstoffen”, bij ECN de volgende emissie-eisen: Tabel 3.1 Emissie eisen voor witte lijst brandstoffen bij ECN 200 NOx mg/mn3 SO2 mg/mn3 200 Stof mg/mn3 20 Concentraties gelden bij 11 vol% O2 in rookgas. De installatie zal zodanig moeten worden bedreven dat aan deze eisen wordt voldaan.

3.3

Ploegendienst

Vanwege de duur van de testen is de installatie in ploegendienst bedreven. Omdat er slechts drie Operators beschikbaar zijn die voldoende vertrouwd zijn met de installatie om als hoofdoperator op te kunnen treden, is gekozen voor een drie ploegendienst. Dit houdt in 2 shifts van 12 uur per etmaal. 1 shift heeft vrij. De ploegen wisselden elke drie dagen van shift (drie dagen dagdienst, anderhalve dag vrij, drie dagen nachtdienst, anderhalve dag vrij, enzovoort).

ECN-E--06-044

11

3.4

Bedrijfsconfiguraties

De installatie is zo uitgevoerd dat bepaalde deelsystemen in bedrijf kunnen zijn terwijl andere delen niet in bedrijf zijn. Hierdoor kunnen zich verschillende bedrijfsconfiguraties voordoen: 1. Fakkelbedrijf Hierbij is alleen de vergasser in bedrijf en wordt het geproduceerde gas direct afgefakkeld. Deze configuratie treedt op als er problemen zijn met bijvoorbeeld de brander en is ongewenst met het oog op emissies en geuroverlast 2. Branderbedrijf zonder gas reiniging In dit geval wordt de gas reiniging grotendeels uitgeschakeld en zijn alleen de vergasser, de koeler, de stof afvangst en de brander in bedrijf. Deze bedrijfssituatie treedt op als er een storing is in de gasreiniging. De vergasser kan dan doordraaien, terwijl de storing in het reinigingssysteem verholpen kan worden. 3. Branderbedrijf met gas reiniging Deze situatie treedt op als de gasmotor niet beschikbaar is. Al het productgas wordt dan gereinigd en daarna in de ketel verbrand. 4. Gasmotorbedrijf Tijdens gasmotorbedrijf zijn alle deelsystemen operationeel en worden er elektriciteit aan het ECN net geleverd en warmte geproduceerd. Tijdens gasmotorbedrijf gaat ongeveer de helft van het productgas naar de gasmotor, de andere helft gaat naar de brander. De brander wordt tijdens gasmotorbedrijf bedreven met een zuurstofpercentage in het rookgas van ruim 10 %, zodat bij uitval van de gasmotor al het productgas naar de brander gestuurd kan worden, zonder dat er een groot luchttekort in de brander optreedt. Doordat de installatie onder verschillende configuraties bedreven kan worden, zal van de verschillende deelsystemen de bedrijfstijd tijdens de duurtest niet gelijk zijn. Hierdoor kan de vergasser bijvoorbeeld 800 uur in bedrijf zijn, terwijl de gasmotor tot dan toe b.v. 600 uur in bedrijf is. De bedrijfstijd van de verschillende deelsystemen zal daarom afzonderlijk worden geregistreerd.

3.5

Brandstof

De test wordt uitgevoerd met een “witte lijst” brandstof als voeding. Een witte lijst of ‘schone’ brandstof is gekozen vanwege eerdergenoemde emissie eisen. Gekozen is voor een witte houtpellet. Omdat de ervaring leert dat bij vergassing van houtpellets in Bivkin er char ophoping kan optreden, wat soms agglomeratie veroorzaakt, is ter vergroting van de bedrijfszekerheid besloten om in het brandstoftoevoersysteem van Bivkin een hamermolen met zeef te installeren waarin de pellets tot kleiner dan 1 mm “zaagsel” vermalen worden. Gekozen is voor pellets in plaats van zaagsel als ingekochte brandstof, omdat pellets veel betere handling eigenschappen hebben dan zaagsel. Door on-line te malen worden de voordelen van de eenvoudiger handling van pellets en goede vergassingseigenschappen van zaagsel gecombineerd.

12

ECN-E--06-044

4.

Verloop van de duurtest

4.1

Inleiding

Na de nodige modificaties en voorbereidende testen (zie Bijlage B en Bijlage C) is op 15 januari 2006 gestart met de duurtest. Eerst is de vergasser in verbrandingsmode bedreven, zodat de vergasser, de koeler, de leidingen, de brander en de ketel werden voorverwarmd. Daarna is op 16 januari op vergassing overgeschakeld en zijn Olga en Gasreip bij geschakeld. Op 18 januari is de gasmotor voor het eerst in bedrijf gesteld. Vanaf dat moment was de integrale biomassa vergassingsinstallatie volledig in bedrijf. Gezien het karakter van de installatie (een onderzoeksfaciliteit die in de loop der jaren is gebouwd en die oorspronkelijk niet bedoeld was voor langdurig bedrijf) werd er op voorhand van uit gegaan dat er de nodige onderbrekingen in de bedrijfsvoering zouden optreden. Een van de belangrijkste doelen van de duurtest is dan ook het analyseren van deze onderbrekingen en het beoordelen of de oorzaak van de onderbreking een fundamenteel dan wel een incidenteel karakter heeft. Tijdens de duurtest zijn de belangrijkste meetwaarden elke seconde opgeslagen in het Wizcon data acquisitie systeem om veranderingen in detail te kunnen volgen en elke 5 minuten om trends te kunnen volgen. Daarnaast is elke twee uur een ronde gelopen langs de hele installatie, waarbij aanvullende gegevens zijn genoteerd op een checklist. Op een aparte lijst zijn gegevens bijgehouden over monsters die voor latere analyse zijn genomen uit productgas en uit de Olga en Gasreip systemen. Verder is een logboek bijgehouden, met opmerkingen over de bedrijfsvoering en toelichting op gebeurtenissen. Op basis van al deze gegevens is het verloop van de duurtest uitgewerkt. In dit hoofdstuk worden de resultaten besproken.

4.2

Bedrijfsuren

In Figuur 4.1 is een overzicht gegeven van de bedrijfsuren van de diverse deelsystemen van de integrale vergassingsinstallatie. totaal uren Vergassing 720 uur Verbr: 171 uur

Vergasser

891

Koelers

890

Cycloon

890

Olga

672

NH3 verwijdering

669

Brander/ketel

719 Productgas: 521 Aardgas: 132

Gasmotor

653

Doorlooptijd test

1275 100

Figuur 4.1

200

300

400

500

600

700

800

900 Bedrijfsuren

1000

1100

1200

1300

Overzicht bedrijfstijden van diverse deelsystemen

ECN-E--06-044

13

Uit deze figuur blijkt dat de doorlooptijd van de test, inclusief alle stops en onderbrekingen 1275 uur heeft geduurd. Twee grote stops, waarbij de ploegendienst onderbroken werd, hebben bij elkaar 320 uur geduurd. De redenen voor deze twee stops waren: • De leverancier van witte pellets was door zijn voorraad heen, waardoor de pelletaanvoer stagneerde. De periode dat er geen brandstof was, is benut voor het verplaatsen van de cycloon, om de productgasleiding tussen de cycloon en Olga korter te maken. Dit om het aantal verstoppingen in dit stuk leiding te verminderen. (stoptijd 198 uur) • Een kapotte oliepomp waarin een oude, gebroken keramische pakking was terecht gekomen. Hierdoor moest de pomp worden vervangen. (stoptijd 122 uur) De Bivkin vergasser is in totaal 891 uur in bedrijf geweest: 720 uur in vergassingsmode en 171 uur in verbrandingsmode. Het bovenstaande betekent dat, afgezien van de 2 grote stops, Bivkin slechts 1275-320-891 = 64 uur uit bedrijf geweest is voor het verrichten van werkzaamheden. Zodra Bivkin in bedrijf is, zijn ook de koeler en de cycloon in bedrijf. Bivkin is enkele malen heel kort via de fakkel bedreven. De koeler en de cycloon hebben daarom (afgerond) 1 uur korter bedrijf gevoerd dan Bivkin. Bij de brander is alleen de bedrijfstijd geteld waarin Bivkin in vergassingsmode bedreven wordt. Tijdens verbrandingsbedrijf van Bivkin is de brander alleen aan geweest in perioden kort voor of na overschakelen van verbranding naar vergassing of andersom. Tijdens vergassingsbedrijf van Bivkin is de brander 719 uur in bedrijf geweest. De brander en de ketel (de brander kan niet zonder de ketel bedreven worden) hebben dan ook probleemloos gefunctioneerd. Ook Olga en Gasreip zijn alleen in bedrijf als Bivkin productgas levert. Olga heeft 672 draaiuren gemaakt, Gasreip 669 uur (Gasreip was bij vergissing na de stop vanwege de kapotte pomp niet aangezet). Vergelijkt men dit met het 720 uur vergassingsbedrijf van Bivkin, dan ziet men dat er ongeveer 50 uur verloren is gegaan, hoofdzakelijk gedurende perioden voorafgaand aan een stop of gedurende het in bedrijf gaan na een stop. Eenmaal is Olga wat langer uit bedrijf geweest, terwijl Bivkin op vergassingsbedrijf doordraaide. Toen was tijdens het verwisselen van een oliefilter per ongeluk het oliepeil in de collector te hoog geworden. Het achterhalen van de oorzaak kostte een paar uur. De gasmotor is 653 uur in bedrijf geweest, waarvan 521 op Productgas en 132 op aardgas. Vergelijkt men de 672 uur dat Olga schoon gas heeft geproduceerd met de 521 draaiuren op Productgas, dan zijn er 151 uur verloren gegaan. Dit verlies aan draaiuren kan grotendeels uit twee oorzaken verklaard worden: 1. De gasmotor is pas 50 uur na de start van de duurtest in bedrijf is gesteld en 2. De gasmotor werd pas bij geschakeld als Olga en Gasreip al enige tijd stabiel in bedrijf waren. Daarnaast zijn er draaiuren tijdelijk ingezet ten behoeve van testen met een microgasturbine, (ECN projectnummer 7.5261). Tijdens deze microGT-testen werd de gasmotor overgeschakeld op aardgas of uitgezet. Verder zijn er draaiuren van de gasmotor verloren gegaan door inspecties van kleppen, zuigers en motorolie. De draaiuren van de motor op aardgas zijn hoofdzakelijk gemaakt na bedrijfsstops, voordat de motor op productgas werd overgeschakeld.

14

ECN-E--06-044

4.3

Overzicht van het verloop

Het verloop van de duurtest is weergegeven in Figuur 4.2 t/m Figuur 4.4. In deze figuren staat er over een periode van telkens 14 dagen aangegeven welke onderdelen er in bedrijf zijn en welke niet. Onderscheid wordt er gemaakt tussen: • BIVKIN in verbrandingsmode: voordat de vergassingsinstallatie in bedrijf genomen kan worden moeten de diverse deelsystemen op temperatuur gebracht worden. Dit gebeurt met rookgas dat in BIVKIN in verbrandingsmode wordt geproduceerd. Met het rookgas wordt BIVKIN, de productgaskoelers, het leidingwerk, de cycloon, de brander en de ketel op temperatuur gebracht. Dit voorkomt condensatie van teren in deze onderdelen. (Opmerking: onderdelen en leidingen die niet middels heet rookgas voorverwarmd kunnen worden, worden als regel met trace heating op temperatuur gebracht) Als BIVKIN in bedrijf is (op verbranding of vergassing) zijn ook de koeler, de cycloon en de ketel in bedrijf. Mocht BIVKIN in bedrijf zijn terwijl de koeler, de cycloon of de brander niet beschikbaar is, dan wordt het productgas via de fakkel afgevoerd. Van deze bedrijfsmode kan echter maar heel beperkt gebruik gemaakt worden, gezien de overlast die de fakkel voor de omgeving veroorzaakt. BIVKIN wordt ook in verbrandingsmode bedreven als leidingen schoongebrand moeten worden. • BIVKIN in vergassingsmode: als alle onderdelen op temperatuur zijn wordt er op vergassing overgeschakeld door de luchthoeveelheid op de riser te verlagen en de brandstofhoeveelheid te vergroten. Als BIVKIN in vergassingsmode in bedrijf is en de rest uit bedrijf is, wordt het geproduceerde gas ongereinigd, direct in de ketel verbrand. • OLGA in bedrijf: alle componenten in OLGA zijn in bedrijf en het productgas doorstroomt het systeem. Teren worden afgevangen en ook de ESP tussen de collector en de stripper is in bedrijf. GASREIP wordt doorstroomd, maar staat niet bij. Het gas wordt in de brander verbrand. • GASREIP in bedrijf: ook GASREIP staat bij: water in het productgas condenseert uit en de NH3 absorber/stripper werkt. Het gereinigde gas wordt in de brander verbrand. • Gasmotor op aardgas: de gasmotor kan onafhankelijk van het voorliggende vergassingssysteem op aardgas in bedrijf genomen en aan het net gekoppeld worden. Als de gasmotor op aardgas in bedrijf is, is de motor beschikbaar voor productgas, maar is het voorliggende systeem nog niet klaar om schoon productgas te leveren. • Gasmotor op productgas: alle systemen zijn dan in bedrijf, het productgas wordt gereinigd en wordt in de gasmotor verbrand. De opgewekte elektriciteit wordt aan het net geleverd. Het restant van het gas dat niet naar de gasmotor gaat, wordt in de brander verbrand. De figuren zijn samengesteld uit Wizcon data die elke 5 minuten zijn opgeslagen en geven een compleet beeld van het verloop van de test. In de figuren is tevens voor de belangrijkste gebeurtenissen aangegeven wat de oorzaak is geweest van een bedrijfsonderbreking. Uit de figuren Figuur 4.2 t/m Figuur 4.4 komt het volgende naar voren: • Het opstarten van de installatie is voorspoedig verlopen. Alle onderdelen zijn snel in bedrijf gekomen. De gasmotor is 18 januari door HABO in bedrijf gesteld. Hoewel de motor tot dat moment nog nooit op productgas had gedraaid, was de inbedrijfstelling zeer voorspoedig.

ECN-E--06-044

15

15-01-2006 Opwarmen, gasmotor bij, storingen door: leidingweerstand, lekke pakking bivkin, oliecirc. OLGA

gasmotor productgas gasmotor aardgas

Gasreip in bedrijf OLGA in bedrijf Bivkin vergassing Bivkin verbranding

Figuur 4.2

Verloop van de test in de periode 15 -01-2006, 06:00 tot 29-01-2006, 5:55 29-01-2006 Storingen door leidingweerstand, lekke pakking Bivkin, circulatie Bivkin, aanvoer nieuwe pellets

gasmotor productgas gasmotor aardgas

Gasreip in bedrijf OLGA in bedrijf Bivkin vergassing Bivkin verbranding

Figuur 4.3

16

Verloop van de test in de periode 29-01-2006, 06:00 tot 12-02-2006, 5:55

ECN-E--06-044

12-02-2006

Cycloon verplaatst en leidingen korter, leidingweerstand, Keramiek in Pomp

gasmotor productgas gasmotor aardgas

Gasreip in bedrijf OLGA in bedrijf Bivkin vergassing Bivkin verbranding

Figuur 4.4

Verloop van de test in de periode 12-02-2006, 06:00 tot 26-02-2006, 5:55 26-02-2006 Testen GT, leidingweerstand, HABO, vermogensregeling, ESP inspectie, einde test

gasmotor productgas gasmotor aardgas

Gasreip in bedrijf OLGA in bedrijf Bivkin vergassing Bivkin verbranding

Figuur 4.5 Verloop van de test in de periode 26-02-2006, 06:00 tot 12-03-2006, 05:55 •

In totaal hebben zich 2 lange en 51 kortstondige bedrijfsonderbrekingen voorgedaan tijdens de duurtest. De meeste onderbrekingen werden veroorzaakt door een oplopende leidingweerstand tussen de cycloon en de Olga collector. In dit stuk leiding verzamelt zich een mengsel van stof en teer, dat langzaam het stuk leiding blokkeert. De druk in de vergasser loopt daardoor langzaam op, totdat de grenswaarde van 100 mbar overdruk in de vergasser wordt bereikt (dit is 120 mbar drukval over het hele systeem dankzij de booster die 20 mbar levert). Op dat moment wordt de installatie uit bedrijf genomen en het leidingstuk gereinigd. Oorzaak van deze verstoppingen ligt voor een groot deel in de lay-out van de productgasleiding. Doordat in deze testopstelling Bivkin en Olga erg ver uit elkaar staan moet er met een leiding met een relatief kleine binnendiameter en heel veel bochten een grote afstand worden overbrugd. Het stuk leiding vóór de cycloon bleef schoon omdat er voldoende grove as

ECN-E--06-044

17

•

• •

•

•

•

door de leiding gaat die de leiding schoon schuurt. Na de cycloon blijft er alleen nog fijn stof in de leiding over. Dat veroorzaakt verstoppingen in bochten en overgangstukken. Twee keer is er een flenspakking in Bivkin kapot gegaan. Hierdoor lekte productgas naar buiten, zodat de installatie uit bedrijf moest worden genomen en de pakking vervangen kon worden. Oorzaak van de lekke pakkingen is veroudering van de pakking over de jaren (de pakkingen zaten er al vanaf 1996). Op 27 januari is de installatie enige tijd uit bedrijf genomen vanwege circulatieproblemen in het collector wasoliecircuit. Door een aangepaste bedrijfsvoering konden deze circulatieproblemen worden opgelost. Op 5 februari was de voorraad witte brandstofpellets op en kon niet op tijd een nieuwe voorraad worden afgeleverd. De enige pellets die op dat moment leverbaar waren, waren bruine pellets. Besloten werd om daarmee verder te gaan. Al snel bleken deze bruine pellets agglomeratie in Bivkin te veroorzaken: de zandcirculatie werd onderbroken door grote brokken in de sealpot. Na verwijdering van deze brokken is opnieuw geprobeerd bruine pellets te vergassen, maar er traden dermate veel storingen op dat op 7 februari besloten is om niet door te gaan met bruine pellets. Een andere leverancier kon witte pellets uit Duitsland leveren, maar de levertijd bedroeg een week. Deze wachttijd is benut voor het verplaatsen van de cycloon. Door de cycloon te verplaatsen kon de leiding tussen de cycloon en Olga aanzienlijk korter worden en kon een groot aantal bochten worden vermeden. Deze modificatie heeft duidelijk effect gehad: het aantal onderbrekingen tgv een verhoogde leidingweerstand is na de ombouw aanzienlijk minder dan voor de ombouw. Het probleem was echter nog niet helemaal verholpen. Voor de ombouw moest het leidingstuk gemiddeld elke 40 uur gereinigd worden, na de ombouw was dit gemiddeld na 100 uur. In het commerciële ontwerp zal aan het ontwerp van dit stuk leiding de nodige aandacht moeten worden besteed. Kort nadat de installatie na de verplaatsing van de cycloon weer in bedrijf genomen was, liep een pomp in het wasoliecircuit van Olga vast, veroorzaakt door een vreemd voorwerp die in de pomp terechtgekomen was. De pomp was zodanig beschadigd, dat hij vervangen moest worden. De levertijd voor de nieuwe pomp was 5 dagen. De gasmotor is een aantal keren uitgevallen. Twee oorzaken kunnen worden genoemd: de waterquench van Gasreip heeft enige tijd uitgestaan. Hierdoor werd er erg vochtig gas naar de gasmotor geleid. Door condensatie van dit vocht in leidingen e.d. viel de gasmotor uit. Een tweede oorzaak was de temperatuurgevoeligheid van de elektronica van de gasmotor. Bij een hoge, of lage temperatuur in de container raakte de vermogensregelaar van slag, met storingen als gevolg. Een aantal malen is de gasmotor bewust uit bedrijf genomen voor inspectie. Ook is tijdens proeven met een microgasturbine de gasmotor soms stilgezet. Op 10 maart is de installatie gepland uit bedrijf genomen.

4.4

Analyse van de bedrijfsonderbrekingen

De oorzaken van de bedrijfsonderbrekingen kunnen als volgt worden samengevat: Tgv Bivkin • Lekke flenspakkingen bij eerste cycloon. • Geen pelletaanvoer van leverancier. • Agglomeratie in sealpot en riser. Tgv Productgasleidingen • Stofophoping, met name in leiding tussen de cycloon en Olga. Tgv Olga • Circulatieprobleem in het wasolie circuit. • Vreemd voorwerp in oliepomp. • Inspectie van het Elektrostatisch filter.

18

ECN-E--06-044

Gasmotor uit bedrijf (geen stop van Bivkin) door • Temperatuurgevoelige elektronica. • Te nat productgas. • Motorinspecties en MicroGT testen. Geen onderbrekingen hebben zich voorgedaan ten gevolge van: • Productgaskoelers • Cycloon • Gasreip water- en NH3 verwijdering (op één korte stop na vanwege een losgesprongen waterslang) • Brander • Ketel/ketelwatercircuit Analyseert men de oorzaken van de bedrijfsonderbrekingen, dan ziet men dat een aantal daarvan in feite met het proces weinig van doen heeft (voorbeeld: er komt een vreemd voorwerp in een pomp, waardoor de pomp vast loopt). Dit zijn incidenten waar niet te veel aandacht aan besteed hoeft te worden. Er zijn echter drie meer fundamentele oorzaken te noemen: • Bivkin blijkt gevoelig voor agglomeratie. Zelfs op schone witte houtpellets kan agglomeratie alleen in de hand gehouden worden als er tijdig vers bedmateriaal aan het bed wordt toegevoerd. Bij bruine pellets trad er binnen 8 uur al zoveel agglomeratie op dat de installatie uit bedrijf genomen moest worden. Bij de bouw van een commerciële installatie zal daarom vooraf goed beoordeeld moeten worden of er bij de gekozen biomassa kans op agglomeratie is en zullen er maatregelen moeten worden getroffen om vers bedmateriaal in de riser en in de sealpot toe te kunnen voeren en om agglomeraten af te kunnen voeren. • Na verloop van tijd trad er een circulatieprobleem op in de olieloop van de collector van Olga. De duurtest heeft aangetoond dat met een goede bedrijfsvoering deze circulatieproblemen voorkomen kunnen worden. • Het stuk leiding tussen de cycloon en de Olga-collector inlaat, evenals de collector inlaat zelf, is gevoelig voor verstoppingen. In de cycloon is al het grove stof uit het gas verwijderd en het resterende fijne stof heeft de neiging om leidingen dicht te smeren. Een goede lay-out van deze leiding kan een hoop problemen voorkomen, maar er zal in het ontwerp van dit stuk leiding rekening gehouden moeten worden met periodieke reiniging (liefst on-line, anders off-line).

4.5

Conclusie met betrekking tot het verloop van de duurtest

Uit het aantal draaiuren per deelsysteem kan geconcludeerd worden dat de verschillende systemen betrouwbaar hebben gefunctioneerd. De koelers, de cycloon en de brander hebben probleemloos gefunctioneerd. De goede werking van Olga is overtuigend aangetoond. Kijkt men naar de aard van de onderbrekingen dan zijn er slechts drie procesgerelateerde oorzaken voor de onderbrekingen geweest, te weten: 1. verstopping van de leiding tussen de cycloon en de collector 2. agglomeratie in Bivkin 3. circulatieonderbreking in het Olga collector oliecircuit. De laatste oorzaak kan door een aangepaste bedrijfsvoering worden voorkomen. Agglomeratie in Bivkin kan worden voorkomen door een goede brandstof keuze en verversing van bedmateriaal. Een hardnekkig (lay-out) probleem was verstopping in de productgasleiding tussen de cycloon en Olga. Dit probleem wordt grotendeels veroorzaakt door de lay-out van dit stuk leiding. Bochten, vernauwingen en expansiestukken vormen obstakels waar zeer snel een verstopping kan ontstaat. In een commercieel ontwerp zal aan dit stuk leiding de nodige aandacht moeten worden besteed. ECN-E--06-044

19

Gezien het karakter van de installatie (een testopstelling van beperkte capaciteit met kleine leidingdiameters e.d., die oorspronkelijk niet gebouwd is voor langdurig bedrijf en waarbij de diverse deelsystemen ver van elkaar af staan) kan geconcludeerd worden dat de test zeer goed is verlopen.

20

ECN-E--06-044

5.

Metingen tijdens de duurtest

5.1

Brandstoffen

Als brandstof is gebruik gemaakt van twee typen witte houtpellets en 1 type bruine pellets (diameter 6 mm, lengte variërend rond 10 mm), die door een hamermolen in het voedingsysteem tot zaagsel < 1mm zijn verkleind. Een analyse van de pellets is gegeven in onderstaande Tabel 5.1. Tabel 5.1 Gemiddelde analyse van de gebruikte brandstoffen Brandstof: Houtpellets Type wit 1 bruin wit 2 periode 16/1-5/2 5/2-8/2 16/2-10/3

stookwaarde as (550) vocht vluchtig C H N O

Joule/g % % % % % % %

19600 0,3 7,3 83,2 50,9 6 0,02 44,5

2,4 10,4 77,3 48,9 6,2 1,19 43,2

20400 0,3 9,2 82,4 50,1 6,1 0,08 43,5

Een aantal specifieke analyses worden gegeven in hoofdstuk 6: Massa en Energiebalans. Met de bruine houtpellet is slechts zeer kort bedrijf gevoerd, omdat deze brandstof tot agglomeratie in Bivkin leidde. De brandstof werd in big bags aangevoerd en opgeslagen in de Romneyloods (zie Figuur 5.1).

Figuur 5.1

5.2

Opslag van houtpellets in de Romneyloods

Meetresultaten

In deze paragraaf wordt door middel van figuren inzicht gegeven in het verloop van diverse proceswaarden over de tijd.

ECN-E--06-044

21

5.2.1 Toelichting bij de figuren In de onderstaande figuren wordt de waarde van verschillende procesgrootheden gegeven over de tijd. De figuren zijn opgebouwd uit de meetwaarden, zoals die tijdens de looptijd van de duurtest elke 5 minuten in het Wizcon data acquisitiesysteem zijn opgeslagen. Om de leesbaarheid van de figuren te vergroten zijn over de perioden waarin de installatie buiten bedrijf was, of opnieuw werd opgestart, de meetwaarden verwijderd. Dit heeft tot gevolg dat op de horizontale as de bedrijfstijd staat weergegeven, waarbij de stoptijden zijn weggelaten. Hierdoor loopt als regel in de figuur de bedrijfstijd van 0 tot 670 uur (overeenkomend met de periode dat Olga in bedrijf was).

5.2.2 Procestemperaturen en drukken In Figuur 5.2 staat een overzicht van de belangrijkste procestemperaturen in het systeem: • De temperatuur in de riser van de vergasser, die overeenkomt met de temperatuur waarmee het productgas de vergasser verlaat en de temperatuur waarmee het gas de productgas koeler ingaat. • De gas temperatuur ter plaatse van de cycloon, die globaal overeenkomt met de uitlaattemperatuur van de productgas koeler en de inlaattemperatuur van Olga (of de inlaattemperatuur van het gas naar de brander, als Olga niet in bedrijf is). • De productgas temperatuur aan de uitlaat van de absorber van Olga, ofwel de inlaattemperatuur van de waterquench in Gasreip. • De productgas temperatuur na de NH3 verwijdering in Gasreip, die overeenkomt met de inlaattemperatuur van het gas bij de gasmotor en de brander. De figuur laat een stabiel temperatuurverloop zien over de tijd. Gedurende de hele periode zijn de belangrijkste temperaturen niet noemenswaardig bijgesteld en het gas is tot omgevingstemperatuur afgekoeld voordat het de gasmotor ingaat.

Figuur 5.2

Diverse procestemperaturen tijdens de duurtest

In Figuur 5.3 is de druk in het proces weergegeven over de tijd.

22

ECN-E--06-044

Figuur 5.3

Drukval over verschillende onderdelen van het proces tijdens de duurtest

Uit deze figuur komt het volgende naar voren: • Duidelijk is te zien dat de drukval over het totale proces periodiek oploopt. De drukval in het systeem loopt op tot rond 120 mbar, waarna de druk weer afneemt. Dit komt omdat Bivkin niet boven 100 mbar overdruk bedreven mag worden. De druk in Bivkin is, afgezien van de opvoerhoogte van de booster van 20 mbar, gelijk aan de totale weerstand in het gassysteem. Zodra de drukval van 120 mbar (en dus de overdruk van 100 mbar in Bivkin) wordt genaderd, wordt de installatie uit bedrijf genomen en wordt het vervuilde leidingdeel gereinigd. • De drukval over de “natte” gasreiniging (blauwe lijn) is constant. Dit betekent dat er geen vervuiling optreedt in de waterquench en de NH3 verwijdering. • Wel ziet men (met name na de ombouw) een toename in de drukval over Olga (rode lijn). Deze verhoging van de drukval wordt veroorzaakt door vervuiling van de gasinlaat. Deze inlaatconstructie werd dan ook gelijk met het leidingstuk periodiek schoongemaakt. • De toename van de drukval over het hele systeem is groter dan de toename over de collector inlaat. Het verschil (zie de grijze lijn in de grafiek) wordt veroorzaakt door verstopping van het stuk leiding tussen de cycloon en de collectorinlaat. In dit stuk leiding na de cycloon is het grootste deel van de vliegas uit de productgasstroom verwijderd en wat resteert aan stof is heel erg fijn. Dit fijne stof heeft de neiging om aan de wanden vast te plakken, bij voorkeur net na bochten en bij expansiestukken of vernauwingen in de leiding. • Na 430 bedrijfsuren is de cycloon verplaatst, waardoor het leidingstuk tussen de cycloon en de collectorinlaat veel korter is geworden en er minder bochten in de leiding zitten. Het effect is goed terug te vinden: voor de ombouw moest gemiddeld elke 40 uur de leiding gereinigd worden, na de ombouw elke 100 uur. Het probleem is dus duidelijk kleiner geworden, maar nog niet opgelost. Om de beschikbaarheid van de installatie te vergroten dient het ontwerp van dit leidingstuk en de inlaat van Olga verbeterd te worden.

ECN-E--06-044

23

5.2.3 Bivkin In Figuur 5.4 worden de belangrijkste procesgegevens van Bivkin gegeven. Hierin is te zien dat zowel de temperatuur als de luchthoeveelheden naar de riser en de sealpot nagenoeg constant gehouden zijn gedurende de test. De druk in Bivkin varieert door de eerder beschreven vervuiling in de productgasleiding. Temp Druk Pressure Air Lucht riser riser

Lucht sealpot

Figuur 5.4

Air sealpot

Procesgegevens van Bivkin tijdens de duurtest

Tijdens de duurtest is er elk uur bedmateriaal uit Bivkin afgetapt en vers zand toegevoerd. Dit om te voorkomen dat er agglomeratie optreedt. In figuur 5-5 zijn de zand toe- en afvoer uit Bivkin weergegeven over de totale doorlooptijd van de tests, inclusief stops (hierin is niet opgenomen de vervanging van de gehele bedinhoud nadat agglomeratie was opgetreden en evenmin wat als agglomeraten is afgevoerd tijdens stops). Uit de figuur blijkt dat er tijdens de proef ongeveer 1550 liter zand is toegevoerd en 1300 kg is afgevoerd. Bij een stortgewicht van 1600 kg/m3 komt dit neer op 810 liter afgetapt zand. Het verschil zal door slijtage door de eerste cycloon zijn gegaan en als vliegas het systeem hebben verlaten. Een deel is met agglomeraten uit het bed verwijderd tijdens stops. Gedurende de laatste 300 bedrijfsuren is de toegevoerde zandhoeveelheid vergroot. Dit omdat EARS (het Early Agglomeration Recognition System, dat voor het eerst meeliep om vroegtijdig te waarschuwen voor agglomeratie in de vergasser) indicaties afgaf dat de vergasser op het punt stond agglomeraten te vormen. Door de zandtoevoer op te voeren kon voorkomen worden dat er gestopt moest worden om de agglomeraten te verwijderen.

24

ECN-E--06-044

1800

1600

hoeveelheid [L vullen, kg aftappen]

1400

1200

1000 Zand Toegevoerd Zand afgevoerd 800

600

400

200

0 0,00

200,00

400,00

600,00

800,00

1000,00

1200,00

1400,00

bedrijfstijd (uren)

Figuur 5.5

Totale hoeveelheid zand, tijdens bedrijf aan Bivkin toe- en afgevoerd

In Figuur 5.6 is de productgas samenstelling gedurende de test weergegeven.

Figuur 5.6

Samenstelling van het in Bivkin geproduceerde productgas over de tijd

In de figuur is te zien dat de productgas samenstelling weinig varieert over de tijd. De scherpe pieken naar beneden zijn artefacten, te wijten aan (o.a.) het wisselen van een filter voor de analyseapparatuur. Globaal bevat het stookgas 17 % CO, iets meer dan 15 % CO2, rond de 7 % H2 en rond de 4,5% CH4. (alles op volume basis droog gas). De rest is grotendeels stikstof. Er is weinig verschil tussen het gas van witte pellets 1 en witte pellets 2. Gezien de geringe verschillen in samenstelling was dit ook niet te verwachten).

ECN-E--06-044

25

Periodiek zijn ook andere componenten in het gas gemeten. Een uitgebreide samenstelling van het productgas op 1 en 28 februari 2006 wordt gegeven in Tabel 6.5. Aan de hand van de productgas samenstelling is de verbrandingswaarde van het productgas over de tijd berekend, zie Figuur 5.7.

Figuur 5.7

Berekende verbrandingswaarde van het productgas

Uit de figuur blijkt dat de verbrandingswaarde redelijk constant is over de tijd. De scherpe pieken naar beneden zijn o.a. veroorzaakt door het wisselen van filters voor de analyseapparatuur of door het wisselen van meetlocatie in het systeem.

5.2.4 Productgaskoeler In Figuur 5.8 zijn de belangrijkste proceswaarden van de productgas koeler over de tijd weergegeven. Uit de figuur blijkt dat er weinig variatie zit in de temperaturen over de tijd. Duidelijk is de invloed van de verplaatsing van de cycloon te zien. Doordat de productgasleiding door de cycloonverplaatsing veel korter werd, werden de warmteverliezen naar de omgeving veel kleiner. Om de productgastemperatuur op de gewenste waarde te houden moest dit in de koeler gecompenseerd worden door er meer lucht op te zetten. Ook is in de figuur de berekende warmteoverdrachtscoëfficient gegeven over de tijd. Hieruit blijkt duidelijk dat de koeler schoon blijft: er is geen enkele daling in de warmteoverdracht waarneembaar. In de periode na de verplaatsing van de cycloon was de warmteoverdracht zelfs iets hoger dan voor de verplaatsing, waarschijnlijk doordat de luchtsnelheid in de koeler hoger was door de grotere luchthoeveelheid in die periode. De berekende warmteoverdrachts- coëfficiënt in de koeler varieert tussen 20 en 30 W/m2/K.

26

ECN-E--06-044

Figuur 5.8

Belangrijkste proceswaarden van de productgaskoeler over de tijd

5.2.5 Cycloon In Figuur 5.9 staat de in- en uitlaat temperatuur van de cycloon weergegeven. Uit de figuur blijkt dat de temperatuur zowel voor als na de cycloonverplaatsing rond 400ºC is gehouden. Vergelijking tussen Figuur 5.8 en Figuur 5.9 laat zien dat er in het stuk leiding tussen de koeler en de cycloon voor de verplaatsing globaal 70ºC en na de verplaatsing 30ºC temperatuurdaling in de leiding optrad. De leidinglengte was dan ook ongeveer gehalveerd.

Figuur 5.9 Productgastemperaturen rond de cycloon tijdens de duurtest

ECN-E--06-044

27

5.2.6 Olga De proceswaarden met betrekking tot Olga worden opgedeeld in 2 stukken: proceswaarden bij/van de collector en waarden bij/van de absorber/stripper.

Collector en ESP In Figuur 5.10 staan de procestemperaturen van het productgas in de collector: de inlaat temperatuur, de uitlaat temperatuur en een temperatuur halverwege de collector. Uit de grafiek blijkt dat na een stop het geruime tijd duurt voordat de temperatuur in de collector stabiel is.

Figuur 5.10

Productgastemperaturen rond de Olga collector

Als het productgas de Olga collector verlaat zijn de zware teren in Olga afgevangen en opgenomen in de wasolie. Een deel van de teren is echter op het stof dat nog in het productgas zit gecondenseerd en verlaat als aerosolen de collector. Deze aerosolen worden afgevangen in het ESP. Na het ESP is gemeten hoeveel stof en teer aerosolen er zich nog in het gas bevinden. Dit is minder dan 5 mg/mn3(droog) en het gas is dan ook schoon genoeg om aan de absorber/stripper loop toe te voeren.

Absorber/stripper Zodra het productgas het ESP heeft verlaten wordt het onderin de absorber van Olga geleid. Daarin wordt het in contact gebracht met een thermische olie zodat de lichte teren in deze olie oplossen. De olie wordt vervolgens in temperatuur verhoogd en aan de stripper toegevoerd. In de stripper dampen de lichte teren uit, waarna ze met de luchtstroom mee afgevoerd worden naar de brander. In Figuur 5.11 zijn de temperaturen gegeven van productgas in de absorber en van lucht in de stripper .

28

ECN-E--06-044

Figuur 5.11 In- en uitlaat temperaturen van het productgas in de absorber en van de lucht in de stripper tijdens de duurtest De absorber werkt op een temperatuurniveau van rond de 65 ºC, de stripper rond de 180 ºC. Deze temperaturen variëren weinig over de tijd.

5.2.7 Gasreip Gasreip bestaat uit twee delen: een waterquench, waarin door waterinjectie het productgas verder in temperatuur wordt verlaagd en het water in het gas condenseert, en een absorber/stripperloop, waarin NH3 uit het productgas wordt verwijderd. In Figuur 5.12 staan de quench in - en uitlaat temperaturen van het productgas. In de quench daalt de temperatuur van ongeveer 55ºC naar 10 tot 20 ºC, dus van boven het waterdauwpunt van het gas tot dicht bij de temperatuur van het koelwater. Het condenswater wordt uit de bezinktank van Gasreip periodiek afgetapt. Dit condenswater mag niet op het riool van ECN worden geloosd. Het valt echter niet in de (dure) categorie olie/watermengsels, zodat het als afvalwater naar een verwerkingsbedrijf kan worden afgevoerd. In de absorber wordt water van 10 tot 20 ºC geïnjecteerd, waarin de ammoniak oplost. Via een warmtewisselaar in het watercircuit wordt de watertemperatuur verhoogd naar 30 à 45 ºC (zie Figuur 5.12), waarna het water aan de stripper wordt toegevoerd. Daar dampt de NH3 uit, zodat die met de lucht mee naar de brander wordt geleid, waar de ammoniak verbrandt. In eerdergenoemde warmtewisselaar wordt het water weer afgekoeld naar 10 tot 20 ºC, waarna het weer aan de absorber wordt toegevoerd.

ECN-E--06-044

29

80 70

Temperature [°C]

60 50 40 30 20 10 0 0

100

200

300

400

500

600

700

Operational time [hours]

Tpg quench in TI101

Tpg quench out TI102

Tpg NH3 washer out TI909

Tw stripper TT912

Figuur 5.12 Gasreip temperaturen tijdens de duurtest

5.2.8 Gasmotor Het gereinigde gas wordt voor een deel aan de gasmotor toegevoerd. Het restant gaat naar de ketel. In Tabel 5.2 wordt een indicatie gegeven van de samenstelling van het gas op verschillende punten in het systeem. Tabel 5.2

Productgassamenstelling op verschillende punten in het systeem

Reductie: 99,5%

Geschikt voor gasmotor

Het gas dat naar de gasmotor en de ketel gaat heeft gemiddeld een samenstelling zoals gegeven in de tabel onder “voor booster”. Uit de tabel is te zien dat het meeste water uit het gas is verdwenen en dat bijna 99,5 % van de teren uit het gas is afgevoerd. Het teerdauwpunt van dit gas is rond nul ºC en daarmee laag genoeg om problemen in de gasmotor te voorkomen. Dat blijkt

30

ECN-E--06-044

ook uit de werking van de gasmotor. De gasmotor functioneert prima op het gas. Uit periodieke inspecties bleek dat de bougies, kleppen en zuigers goed schoon bleven en de motorolie van goede kwaliteit. Tijdens bedrijf leverde de gasmotor gemiddeld 39 kWe aan het elektriciteitsnet van ECN. Gedurende de test is er op productgas 20.000 kWh geleverd en tijdens aardgasbedrijf 5000 kWh. De emissies van de gasmotor zijn incidenteel gemeten door de gasanalyse apparatuur (die normaal de rookgassamenstelling meet in de schoorsteen van de ketel) om te zetten naar de motoruitlaat. Er kunnen daarom geen figuren met emissies over de tijd worden samengesteld. In onderstaande Tabel 5.3 staan de gemeten emissiewaarden van de gasmoter, bedreven op productgas en op aardgas. Tabel 5.3 O2 CxHy CO NOx

Emissies van de gasmotor, bedreven op productgas en op aardgas Productgas Aardgas vol% 3-4 8 ppm 375 - 475 > 1000 ppm 1200 - 1600 500 ppm 80 - 120 40

Van belang is met name het resterende zuurstofpercentage: bij aardgas bedraagt die rond 8 %, bij productgas 3 à 4 %. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat de verbrandingswaarde van het productgas veel lager is dan van aardgas en er dus veel “ballast gas” in het gas zit. Hierdoor wordt de verlaging van de verbrandingstemperatuur verzorgd door het productgas zelf, terwijl die bij aardgas verzorgd wordt door luchtovermaat. Het verschil in zuurstofpercentage zorgt er voor dat het motorrendement op productgas geheel vergelijkbaar is met het motorrendement op aardgas, namelijk 30%. Uit de tabel blijkt een NOx percentage in de uitlaat van de gasmotor van 80 - 120 ppm, overeenkomend met 86 - 130 mg/mn3 bij 11% O2. Daarmee wordt ruim voldaan aan de emissie-eisen zoals geformuleerd in Error! Reference source not found..

5.2.9 Gasbrander en warmwater ketel Het productgas dat niet naar de gasmotor wordt gevoerd, gaat naar de gasbrander in de ketel. In Figuur 5.13 zijn de belangrijkste procesgegevens samengevat.

ECN-E--06-044

31

Figuur 5.13 Procesgegevens met betrekking tot de brander en de ketel De figuur laat het volgende zien: • De luchttemperatuur voor de brander varieert tussen 200 en 270 ºC. De luchttemperatuur is in de eerste periode lager dan in de tweede periode. Dit komt door de verplaatsing van de cycloon, waardoor de warmteverliezen zijn verkleind. De temperatuur varieert, omdat het een gemiddelde temperatuur is van meerdere luchtstromen: koelerlucht, bypasslucht, Olga stripperlucht en Gasreip stripperlucht. De koeler- en bypass lucht temperatuur kan worden ingesteld. Daarom is de luchttemperatuur afhankelijk van verschillende procescondities. Dit verklaart de variaties in luchttemperatuur over de tijd. • De productgastemperatuur (Tpg) voor de brander is ongeveer gelijk aan de Gasreip uitlaattemperatuur. Deze temperatuur, 20 à 30 ºC, is redelijk constant over de tijd. De pieken die te zien zijn worden veroorzaakt doordat de brander ook in bedrijf is als Olga/Gasreip niet in bedrijf is. Het gas komt dan rechtstreeks uit de koeler en is dus nog warm. • De rookgastemperatuur varieert over de tijd, maar er is geen stijgende trend in de temperatuur waarneembaar, waaruit geconcludeerd kan worden dat de ketel niet snel vervuilt. • De drukval van het productgas over de brander is zeer laag en constant: er treedt geen vervuiling op in de brander. De drukval is zo laag omdat de brander is ontworpen om de volle gasstroom met een temperatuur van 350 ºC te kunnen verwerken. Omdat tijdens de proef ongeveer de helft van het gas naar de brander gaat en de andere helft naar de gasmotor, en omdat de productgastemperatuur als regel tijdens de proef niet hoger was dan 30 ºC, is de drukval over de brander laag. • Het zuurstofpercentage in de uitlaat van de ketel varieert: meestal is het O2 percentage ongeveer 10 %, soms is het 2 à 4 %. De luchthoeveelheid naar de brander is zo ingeregeld, dat bij uit bedrijf zijnde gasmotor (dus als al het productgas naar de brander gaat) het zuurstofpercentage rond 3 % bedraagt. Als de gasmotor wordt bijgenomen wordt de luchthoeveelheid niet bijgeregeld maar constant gehouden, waardoor het zuurstofpercentage stijgt naar 10%. Dit om luchtondermaat te voorkomen mocht de gasmotor onverwacht uitvallen (de luchthoeveelheid moet met de hand bijgeregeld worden). De schoorsteen emissies worden gegeven in Figuur 5.14. De gegevens zijn zoals gemeten, dus niet gecorrigeerd naar een vast zuurstofpercentage.

32

ECN-E--06-044

Andere pellets

Figuur 5.14 Emissies uit de schoorsteen van de ketel gedurende de test Uit deze figuur blijkt: • De CxHy emissies variëren: na een stop is de emissie rond 90 ppmv(dry), na uren stabiliseert de emissie op een laag niveau (minder dan 10 ppmv). De stabilisatietijd is lang, 50 uur na een stop is de emissie nog niet stabiel, maar nog steeds dalend. Om goed inzicht te krijgen in CxHy emissies zijn dus langdurige proeven noodzakelijk. • De CO emissie is verwaarloosbaar (De meting geeft een negatief getal: -4 ppm, dit zal een kalibratie foutje zijn binnen de foutmarge van de meting). Kortstondige pieken ontstaan tijdens het in bedrijf nemen van de brander na een stop. • De NOx emissie tijdens het eerste deel van de test is duidelijk lager dan die tijdens het tweede deel van de test: 50 versus 75 ppmv(dry) gemiddeld. Dit kan verklaard worden uit het hogere stikstofgehalte van de pellets tijdens het tweede deel van de test (zie Tabel 5.1). Beide NOx waarden zijn echter laag voor houtverbranding en vergelijkbaar met de emissies die optreden bij de verbranding van aardgas.

5.2.10 Conclusie mbt meetresultaten Uit bovenstaande presentatie van de meetresultaten blijkt, dat de metingen succesvol zijn verlopen en er een uitgebreide datafile met meetgegevens beschikbaar is. Ondanks onderbrekingen in de bedrijfsvoering is voldoende lang stabiel bedrijf gevoerd om betrouwbare data te genereren. Over de hele periode zijn fluctuaties in de diverse proceswaarden minimaal. Verder kan geconcludeerd worden: • Door toevoer van vers bedmateriaal aan Bivkin kan agglomeratie voorkomen worden. • De warmteoverdracht in de productgas koeler is stabiel over de tijd; de productgas koeler blijft dus schoon. • Afgezien van drukverhogingen in het systeem ten gevolge van verstoppingen in de leiding tussen de cycloon en de Olga collectorinlaat en in de collectorinlaat zelf treedt er nergens vervuiling op. Proceswaarden wijzigen niet over de tijd. • Het condenswater uit Gasreip mag niet in het riool van ECN worden geloosd. Het valt echter niet in de categorie olie/watermengsels, maar kan als afvalwater worden afgevoerd. Dit beperkt de afvoerkosten. • De gasmotor ondervindt geen nadelige gevolgen van dit gas en ook de gasbrander werkt goed. Er is geen meetbare vervuiling in de ketel.

ECN-E--06-044

33

•

34

De emissies uit de ketel en de gasmotor liggen op een niveau dat vergelijkbaar is met het niveau bij het gebruik van aardgas.

ECN-E--06-044

6.

Massa en energiebalansen

6.1

Inleiding

Tijdens de 1000 uur test zijn gegevens verzameld die nodig zijn om een massa- en energiebalans op te maken over de vergasser, ketel en gasmotor. Voor twee perioden van elk ongeveer 24 uur zijn de gegevens uitgewerkt. Dit hoofdstuk geeft de resultaten. Er zijn twee dagen geselecteerd, 1 februari en 28 februari 2006, waarop de installatie stabiel in bedrijf was. Het begin en eind van de gekozen perioden valt samen met het wisselen van het asvat bij de cycloon. Er is zoveel mogelijk gebruik gemaakt van gegevens uit de perioden zelf. Voor de samenstelling van de brandstof, het stof dat is afgezogen bij de voedingsschroef, stof en as uit de cycloon en afgetapt zand zijn gegevens gebruikt van monsters die genomen zijn tijdens of kort voor of na de perioden waarover de balans is opgemaakt. Voor het gehalte aan stikstof en hogere koolwaterstoffen in het productgas zijn ook gegevens gebruikt uit omliggende perioden, omdat de apparatuur niet continu beschikbaar was of was aangesloten op een punt waar benzeen en tolueen deels door OLGA verwijderd waren. Voor het gehalte aan teer is het gemiddelde van monsters over een langere periode gebruikt, omdat de resultaten soms sterk wisselen.

6.2

Massabalans

Ingaande stromen vergasser Brandstof en lucht zijn de belangrijkste ingaande stromen. Bij de voedingsschroef wordt stikstof als schutgas gebruikt. Een deel daarvan kan ook in de vergasser terechtkomen. Verder wordt zand toegevoerd ter compensatie van verlies door aftappen en afvoer in de vorm van stof in productgas.

Het gemiddelde debiet aan brandstof is bepaald uit de afname van het gewicht in de voorraadbunker tussen tijdstippen waarop de bunker is bijgevuld. Een deel van dat debiet komt niet terecht in de vergasser, maar wordt als stof afgevoerd met lucht die bij de voedingsschroef wordt afgezogen. De correctie is bepaald uit de hoeveelheid stof die in drie weken door een filter is afgescheiden uit de afgezogen lucht. Uit de analyses blijkt, dat het stof 1% minder vocht bevat dan de brandstof, maar dat er verder geen wezenlijk verschil is in samenstelling (zie Tabel 6.1). Voor de balans is de samenstelling (op het vochtpercentage na) gelijk genomen. De hoeveelheid lucht naar de vergasser wordt geregeld met twee massflowcontrollers. Er wordt perslucht gebruikt, die in principe zo ver gedroogd is, dat de resterende hoeveelheid vocht verwaarloosd mag worden.

ECN-E--06-044

35

Tabel 6.1 Samenstelling brandstof en bij de voedingsschroef afgezogen stof Vocht As C H O [% ar] [% dr] [% dr] [% dr] [% dr] Brandstof 300106 21 uur 7,97 0,33 50,15 6,05 42,78 Brandstof 010206 19 uur 6,64 0,30 49,55 5,93 46,23 Gebruikt in balans 7,31 0,32 49,85 5,99 44,51 Stof zak 230106 6,62 0,51 49,98 6,13 42,65 Stof zak 010206 6,88 0,47 49,47 6,41 43,29 Gebruikt in balans 6,75 0,32 49,85 5,99 44,51

N [% dr] 0,00 0,03 0,02 0,12 0,07 0,02

Som [% dr] 99,31 102,04 100,68 99,39 99,71 100,68

Brandstof 260206 23 uur Brandstof 060306 8 uur Gebruikt in balans Stof zak 010306 Gebruikt in balans

0,09 0,06 0,08 0,09 0,08

100,61 99,40 100,02 100,37 100,02

8,45 9,93 9,19 6,61 6,61

0,28 0,30 0,29 0,36 0,29

50,19 49,98 50,09 49,32 50,09

6,32 5,88 6,10 6,41 6,10

43,73 43,18 43,46 44,19 43,46

Om te voorkomen dat productgas via de schroef van de brandstofvoeding uit de vergasser kan lekken, wordt N2 als schutgas gebruikt. De toevoer van 3,56 Nm3/uur N2 op de schroef tussen de opening naar de vergasser en de brandstoftoevoersluis moet daar zoveel overdruk veroorzaken, dat er geen productgas weglekt. Als de overdruk te hoog wordt, kan N2 de vergasser inlekken. Uit een korte test, waarbij argon in plaats van N2 is gebruikt, bleek de argonconcentratie in productgas niet te veranderen. Als alle extra argon in het productgas terecht was gekomen, zou de concentratie gestegen zijn van 0,6% tot 2,8%. De hoeveelheid N2 op de brandstofvoedingsschroef is daarom niet verwerkt in de balans. Om er voor te zorgen dat in de vergasser voldoende zand aanwezig is en het zand goed blijft circuleren, wordt regelmatig vers zand toegevoerd en gebruikt zand afgetapt. Het volume vers zand is bepaald uit het aantal maatbekers zand dat is toegevoerd. Dat volume is vervolgens omgerekend naar het gewicht met een gemeten waarde van 1,6 kg/liter. Tabel 6.2 geeft het debiet van alle ingaande stromen. Tabel 6.3 en Tabel 6.4 geven het debiet voor de belangrijkste elementen tijdens de twee perioden waarover de balansen zijn opgemaakt. De som over de elementen wijkt in Tabel 6.3 iets af van de in Tabel 6.2 gegeven getallen, omdat de analyse van de samenstelling niet exact op 100% uitkomt. De verhouding tussen de via lucht toegevoerde hoeveelheid O2 en de hoeveelheid die nodig zou zijn voor volledige verbranding van de netto toegevoerde brandstof, aangeduid als ER (Equivalence Ratio), was 0,273 op 1 februari en 0,263 op 28 februari. Tabel 6.2 Gemiddeld debiet ingaande stromen in Bivkin vergasser 1 februari 2006 Lengte periode uren: minuten 22:48 Debiet brandstof kg/uur 87,48 Afgezogen stof kg/uur 2,67 Netto brandstof kg/uur 84,81 Zand kg/uur 2,53 Debiet lucht mn3/uur 97,47

36

28 februari 2006 23:10 90,85 2,66 88,19 5,59 97,43

ECN-E--06-044

Tabel 6.3

Brandstof Afgezogen stof Lucht 1 Zand Totaal

1

C 40,42 1,24 (-) 0,02

H 5,58 0,17 (-) -

39,20

5,41

69,77

95,16

2,78

212,24

Aangenomen is, dat de gebruikte perslucht volkomen droog is. Argon is niet opgenomen in de balans.

Tabel 6.4

Debiet ingaande kg/uur C Brandstof 41,32 Afgezogen stof 1,24 (-) 0,02 Lucht 1 Zand

Totaal 1

Debiet ingaande stromen op 1 februari 2006 voor de belangrijkste elementen in kg/uur O N as/inert Som 41,83 0,01 0,26 88,02 1,27 (-) 0,01 (-) 2,69 (-) 29,21 95,15 124,38 2,53 2,53

40,10

stromen op 28 februari 2006 voor de belangrijkste elementen in

H 5,97 0,17 (-) -

O 43,26 1,23 (-) 29,20

N 0,06 95,10

as/inert 0,24 0,01 (-) 5,59

Som 90,85 2,65 (-) 124,32 5,59

5,80

71,23

95,16

5,82

218,11

Aangenomen is, dat de gebruikte perslucht volkomen droog is. Argon is niet opgenomen in de balans.

Uitgaande stromen vergasser De belangrijkste uitgaande stroom is productgas. Andere stromen zijn zand dat is afgetapt uit de vergasser, stof en as afgevangen door de cycloon, teer verwijderd door OLGA en condenswater dat vrijkomt uit GASREIP. Teer en water worden hier niet behandeld als afzonderlijke uitgaande stromen maar als componenten in het productgas.

Het debiet aan productgas is niet gemeten. Het is berekend uit het gemeten gehalte N2 in productgas onder de aanname, dat de hoeveelheid N2 in het productgas gelijk moet zijn aan de hoeveelheid N2 die met lucht is aangevoerd plus de helft van de stikstof in de brandstof. De rest van de stikstof in de brandstof komt vrij in de vorm van NH3 of andere stikstofverbindingen (pyridine, quinoline of isoquinoline). Omdat de brandstof nauwelijks stikstof bevat is het niet nodig exact te weten welk deel als N2 vrijkomt en kunnen NH3 en andere verbindingen verwaarloosd worden. Na de cycloon bevat het productgas nog een kleine hoeveelheid stof (gemeten is ongeveer 0,5 g/mn3; hier wordt gerekend met 1 g/mn3). Bij een concentratie van 1 g/mn3 gaat het om ongeveer 150 g/uur. De samenstelling daarvan is onbekend, maar waarschijnlijk is het grotendeels fijn verdeelde koolstof (roet). Omdat het gaat om een kleine stroom, is voor de balans de samenstelling gebruikt van stof dat de cycloon wel afvangt. Daarin zit 60% koolstof, 1% waterstof en 39% inert materiaal. De hoeveelheid teer in productgas en de samenstelling daarvan zijn bepaald met behulp van SPA-metingen. Omdat de resultaten voor de totale hoeveelheid tamelijk sterk wisselen, is voor beide dagen een gemiddelde gebruikt van metingen over een langere periode. Voor 1 februari is gerekend met 15 g/mn3, voor 28 februari met 18 g/mn3. Daarvan is ongeveer 75% afkomstig van geïdentificeerde verbindingen. Op basis daarvan is berekend, dat teer 93,1% koolstof bevat, 6,4% waterstof en 0,5% zuurstof. De hoeveelheid water in het productgas is niet rechtstreeks gemeten. Wel is bijgehouden hoeveel water uit het productgas door afkoeling in GASREIP is vrijgekomen en afgetapt. Tussen 27 januari en 4 februari was dat gemiddeld 18,7 liter/uur. Tussen 26 februari en 4 maart was dat gemiddeld 21,0 liter/uur. Verder is gerekend dat productgas na GASREIP verzadigd is met wa-

ECN-E--06-044

37

terdamp bij de gemeten temperatuur van 14°C op 1 februari en 16°C op 28 februari. Uit die gegevens is de oorspronkelijke hoeveelheid waterdamp in productgas berekend. Tabel 6.5 geeft de samenstelling van het productgas. Gegevens voor CH4, CO, CO2 en H2 zijn gemiddelden over de hele periode waarover de balans is gemaakt. Voor de andere componenten zijn de gegevens afkomstig van metingen gedurende enkele uren overdag. Tabel 6.5 Gemiddelde samenstelling productgas uit vergasser Component 1 februari 2006 CH4 vol% droog 4,68 CO vol% droog 17,69 CO2 vol% droog 15,55 vol% droog 7,25 H2 vol% droog 0,225 C2H2 vol% droog 1,927 C2H4 vol% droog 0,098 C2H6 vol% droog 0,351 C6H6 C7H8 vol% droog 0,045 vol% droog 51,59 N2 vol% droog 0,614 Ar 1

28 februari 2006 4,16 17,82 14,83 6,95 0,220 1,790 0,103 0,329 0,044 52,15 0,621

Som

vol% droog

100,03

99,01

H2O Teer

vol% nat g/mn3 droog

14,8 15

16,5 18

1

De concentratie argon is niet gemeten maar berekend uit de N2-concentratie.

As en stof uit de cycloon bevat volgens de analyses ongeveer 39% inert materiaal, 60% koolstof en 1% waterstof. Afgetapt zand bevat 98% inert materiaal. Aangenomen is, dat de resterende 2% koolstof is. Tabel 6.6 geeft het debiet aan uitgaande stromen. Tabel 6.7 en Tabel 6.8 geven het daaruit berekende debiet voor de belangrijkste elementen tijdens de twee perioden waarover de balansen zijn opgemaakt. Op 1 februari klopt de balans voor alle elementen bijna onwaarschijnlijk goed. Alleen voor inert materiaal (zand en as) is de ingaande hoeveelheid duidelijk groter dan de uitgaande. Op 28 februari klopt de balans iets minder goed, maar nog steeds binnen 2% tot 5%. Voor inert materiaal is opnieuw de ingaande hoeveelheid duidelijk groter dan de uitgaande. Tabel 6.6 Gemiddeld debiet uitgaande stromen bij Bivkin vergasser 1 februari 2006 3 Productgas (droog) mn /uur 147,6 Stof uit cycloon kg/uur 2,90 Stof in productgas kg/uur 0,15 Zand kg/uur 0,97

38

28 februari 2006 146,0 3,67 0,15 3,13

ECN-E--06-044

Tabel 6.7

Productgas (droog) Vocht Teer Stof (totaal) Zand

C 35,45 2,06 1,83 0,02

H 2,95 2,31 0,14 0,03 -

Totaal Uit/in

39,36 1,004

5,43 1,005

1

Debiet uitgaande stromen op 1 februari 2006 voor de belangrijkste elementen in kg/uur O N As/inert Som 51,43 95,16 184,99 18,31 20,62 0,01 2,21 1,19 3,05 0,95 0,97

69,77 1,001

95,16 11

2,14 0,77

211,84

Per definitie is de stikstof balans sluitend, omdat daaruit het debiet van productgas is bepaald.

Tabel 6.8

Debiet uitgaande stromen op 28 februari 2006 voor de belangrijkste elementen in kg/uur C H O N As/inert Som Productgas (droog) 33,87 2,70 49,50 95,13 181,20 Vocht 2,60 20,60 23,20 2,45 0,17 0,01 2,63 Teer Stof (totaal) 2,29 0,04 1,49 3,82 Zand 0,03 3,09 3,12

Totaal Uit/in

1

38,64 0,964

5,51 0,949

70,11 0,984

95,13 11

4,58 0,79

213,97

Per definitie is de stikstof balans sluitend, omdat daaruit het debiet van productgas is bepaald.

De verhouding tussen koolstof in gasvormige verbindingen en teer en koolstof in de netto toegevoerde brandstof geeft de koolstofconversie. Voor 1 februari is het resultaat 95,7% en voor 28 februari 90,6%. Voor de analyses van zowel de brandstof als van het gas is de nauwkeurigheid zodanig, dat verwacht mag worden dat de som van alle componenten binnen 2% uitkomt op 100%. Daar komt voor de gasanalyse nog de onzekerheid bij, dat gegevens voor een aantal componenten, waaronder N2, niet helemaal representatief zijn voor de hele periode. Kennelijk combineren de onzekerheden op 1 februari 2006 tot een resultaat met een hoge koolstofconversie en vrijwel sluitende balans voor alle belangrijke elementen. Het resultaat op 28 februari 2006 lijkt daardoor matig, maar valt in feite binnen de marges van onzekerheden. Het “tekort” aan inert materiaal in de uitgaande stromen is te verklaren door afzetting van stof in de leidingen, waardoor de drukval over de leidingen toeneemt. Toch past dat niet helemaal. Gezien het hoge gehalte aan koolstof in het stof zou dan ook 1 tot 2 kg/uur aan koolstof afgezet zijn. Daarmee zou de koolstofbalans op 28 februari kloppend kunnen worden, maar die op 1 februari een flink overschot krijgen. Een eenvoudiger verklaring is, dat voor het bepalen van het gewicht van het zand de maatbeker verder is gevuld dan bij het bijvullen van zand in de vergasser. Toepassing productgas Na reiniging en droging is het productgas verbrand in de ketel of gasmotor. Ter controle van de massabalans is de samenstelling van het rookgas van de ketel berekend en vergeleken met de gemeten samenstelling. Dat is gedaan voor de situatie waarin al het productgas naar de ketel ging en voor de situatie waarbij een deel van het productgas naar de gasmotor ging.

ECN-E--06-044

39

Om de samenstelling van het rookgas van de ketel te kunnen berekenen moet bekend zijn hoeveel lucht aan de ketel is toegevoerd en hoeveel andere brandstof. Een deel van die gegevens is slechts bij benadering bekend. Het hier gepresenteerde resultaat bevat dus onzekere factoren, zodat aan het resultaat niet teveel waarde moet worden toegekend. Tabel 6.9 geeft een overzicht van de gebruikte getallen voor toevoer van lucht en brandstof naar de ketel en een vergelijking tussen gemeten en berekende concentraties voor O2 en CO2. Tussen de twee perioden waarover de balans is opgemaakt is de productgasleiding van de vergasser naar de gas reiniging ingekort. Om dezelfde temperatuur aan de inlaat van de gas reiniging te krijgen was op 28 februari duidelijk meer lucht nodig in de product gaskoeler. Dat is gecompenseerd door iets minder lucht te gebruiken in de GASREIP stripper en vooral door de hoeveelheid lucht bij afzuiging van stof zo ver mogelijk te beperken. De resultaten van metingen en berekeningen komen voor 1 februari goed met elkaar overeen. Het resultaat tijdens bedrijf van de gasmotor zou nog beter worden, met een afwijking van 0,1% voor zowel O2 als CO2, als het verbruik van de gasmotor 3 Nm3/uur hoger zou zijn geweest dan de gasmeter aangaf. Op 28 februari zijn de gemeten waarden duidelijk hoger dan de berekende. Tabel 6.9

Debiet lucht en brandstof naar de ketel en gemeten en berekende concentraties O2 en CO2 in droog rookgas 1 februari 2006 28 februari 2006 1 Gasmotor Uit Aan Uit Aan Productgas naar ketel mn3/uur 147,6 78,8 146,0 67,0 3,68 3,68 Aardgas naar ketel mn3/uur 2 kg/uur 2 2 Oliedamp naar ketel Lucht naar ketel 31 31 Aansteekbrander mn3/uur 70 115 Productgaskoeler mn3/uur Afzuiging stof mn3/uur 140 100 80 80 Stripper OLGA mn3/uur 40 35 Stripper GASREIP mn3/uur 3 361 361 Totaal lucht naar ketel mn /uur

O2 berekend O2 gemeten CO2 berekend CO2 gemeten 1

vol% dr vol% dr vol% dr vol% dr

2,55 2,61 16,03 15,99

8,67 9,12 10,39 10,22

3,29 4,14 15,38 15,71

10,19 10,35 9,01 9,80

Meetgegevens samenstelling rookgas van 31 januari 2006. Geschatte hoeveelheid olie die verdampt in de OLGA stripper en met stripperlucht in de ketel komt. (In de praktijk zal deze olie m.b.v. een condensor uit de stripperlucht worden verwijderd, maar in de testopstelling is die niet aanwezig). 2

6.3

Energiebalans

De hier gepresenteerde energiebalans is beperkt tot de verbrandingswaarde van ingaande en uitgaande stromen. Alle warmte toevoer en afvoer is buiten beschouwing gelaten, omdat er te veel onbekende termen zijn. Tabel 6.10 geeft het resultaat voor de vergasser. Het koudgasrendement (de verhouding tussen de verbrandingswaarde van productgas en brandstof) lijkt duidelijk lager op 28 februari dan op 1 februari. Een verschil van ongeveer 1% is toe te schrijven aan de extra warmte die nodig is om de grotere hoeveelheid zand op te warmen die per uur is ververst. De rest komt overeen met de lagere koolstofconversie en ook voor waterstof en zuurstof lagere uitkomst van de massabalans op 28 februari.

40

ECN-E--06-044

Tabel 6.10

Energiebalans over de vergasser, beperkt tot stookwaarde van ingaande en uitgaande stromen 1 februari 2006 28 februari 2006 Brandstof (netto)* MJ/uur 1444 1456

Productgas exclusief teer Teer

MJ/uur MJ/uur

973 80

916 95

Koudgasrendement exclusief teer Idem inclusief teer

% %

67,4 72,9

62,9 69,4

* M.b.t. de stookwaarde (LHV) is in beide gevallen gerekend met 18.500 J/g

De energiebalans over de ketel is niet bepaald, omdat de warmteproductie niet is gemeten. Bij de gasmotor zijn alleen het debiet aan productgas gemeten en de elektriciteitsproductie. Op 1 februari is gemiddeld 69 mn3/uur gereinigd droog productgas toegevoerd met een verbrandingswaarde van 440 MJ/uur. Daarmee is een gemiddeld elektrisch vermogen opgewekt van 37 kW, wat neerkomt op een rendement van 30,3%. Op 28 februari is gemiddeld 79 mn3/uur gereinigd droog productgas toegevoerd met een verbrandingswaarde van 481 MJ/uur. Daarmee is een gemiddeld elektrisch vermogen opgewekt van 42,5 kW, wat neerkomt op een rendement van 31,8%. Het hogere vermogen op 28 februari zou weliswaar een iets hoger rendement op kunnen leveren, maar dat is niet genoeg om het verschil met 1 februari te verklaren. Waarschijnlijk speelt hier dezelfde beperkte nauwkeurigheid van analyses die de verschillen in de massabalans en de koolstofconversie veroorzaakt.

6.4

Conclusie massa en energiebalans

Resultaten van de massa- en energiebalans op 1 februari 2006 en 28 februari 2006 laten een nauwkeurigheid zien van ongeveer 2%. Dat komt overeen met de nauwkeurigheid die te verwachten is bij analyses van brandstof en gas. Op basis van de resultaten was het koudgasrendement van de vergasser tijdens langdurig bedrijf ongeveer 65%. Daarin is geen rekening gehouden met de verbrandingswaarde van teer, die eventueel als brandstof naar de vergasser zou kunnen worden toegevoerd. Inclusief teer komt het koudgasrendement op 71% uit. Het elektrische rendement van de gasmotor was gemiddeld 31%. Dat is ongeveer gelijk aan de waarde die de fabrikant op heeft gegeven voor bedrijf op aardgas en pekelgas waarvoor de gasmotor oorspronkelijk is geleverd. Er is dus geen sprake van verlies aan rendement door gebruik van laagcalorisch gas. Dit is te danken aan de lagere luchtovermaat die kon worden toegepast bij deze gasmotor met atmosferische aanzuiging van brandstof.

ECN-E--06-044

41

7.

Inspecties na afloop van de test

7.1

Inleiding

Na afloop van de duurtest zijn de componenten inwendig geïnspecteerd om te onderzoeken of er effecten waarneembaar zijn. In dit hoofdstuk wordt verslag gedaan.

7.2

Bivkin, koeler, cycloon

Bij het leeghalen van de Bivkin bleken er toch nog wat samengesmolten zanddelen in te zitten, al zag dit er niet speciaal uit.

Figuur 7.1

Agglomeraten zoals die in de riser van Bivkin zijn aangetroffen

De leiding van de sealpot naar de riser was mooi schoon, geen aangroei van agglomeraten bij de openingen. Wel bleek in de riser flink wat aangroei te zijn van agglomeraten, de riser heeft een grillige vorm gekregen aan de binnenzijde. Halfweg de riser is een aantal thermokoppels ook flink aangegroeid. Om dit goed te kunnen bekijken is de onderzijde van de riser gedemonteerd. Hierbij kwam naar voren dat een van de lucht nozzles lek was, het deksel van een luchtnozzle was verdwenen, zie foto, Figuur 7.2. Het is niet duidelijk of genoemde bevindingen tijdens de duurtest zijn ontstaan. Het is ook mogelijk dat ze voor aanvang van de duurtests waren ontstaan, want er was vooraf geen inspectie van dit deel uitgevoerd.

42

ECN-E--06-044

Figuur 7.2

Roosterplaat na de duurtest met 1 lucht nozzle afgebroken

Figuur 7.3

Deel van de voedingschroef na afloop van de duurtest, aangegroeid met brandstof

De brandstofschroef is flink aangegroeid met brandstof, wat ook al eerder is geconstateerd en dit zorgt af en toe voor een onrustig bedrijf van de reactor. In de koeler en de cycloon, voor zover bekeken, is niets ongewoons aangetroffen.

7.3

Olga

Bij het leeghalen van de collector is een slang gesprongen, waardoor de werkzaamheden stagneerden omdat eerst schoongemaakt moest worden. Na deze schoonmaakactie is er verder gegaan met het leeg halen van de collectorloop. Dit ging verder gemakkelijk, de filters zijn bewaard voor verdere analyse, samen met ongeveer 100 liter wasolie om later nog wat experimenten mee te kunnen doen. Nadat de wasolie afgetapt was is de koeler gedemonteerd om te kijken of er aangroei was van teer en stof, dit bleek niet zo te zijn. De pakking van de collector is met een camera geïnspecteerd via de gasinlaat en bleek erg schoon te zijn.

7.4

Gasreip

Bij het schoonmaken van Gasreip is ongeveer 15 ltr. teer afgetapt uit de bezinktank. Aan het oppervlak was een dunne drijflaag met teer waarneembaar, bij het leegzuigen van de bezinktank bleek er een aanzienlijke hoeveelheid teer naar de bodem gezakt, ongeveer 15 liter. Van de drijflaag en de teer onder in de tank zijn monsters genomen. Bij het leeg pompen van de scrubber en de wasser bleek vooral de wasser vervuild met olie. Wanneer deze vervuiling is opgetreden is niet te achterhalen.

ECN-E--06-044

43

7.5

Gasmotor

Tijdens de duurtest en na afloop van de test is de motorolie vervangen en geanalyseerd. Uit de analyses blijkt dat na telkens 250 uur de motorolie nog in zeer goede conditie is, vergelijkbaar met motorolie van een motor die op aardgas heeft gelopen. Wel moet opgemerkt worden dat de motorolie telkens na slechts (grofweg) 250 draaiuren ververst is. Dit is een korte draaitijd, waardoor effecten nog klein zullen zijn. Tijdens de inspecties zijn de bougies gecontroleerd en zijn met een endoscoop de kleppen en zuigers onderzocht. Hierbij is niets afwijkends gevonden. Uit de resultaten wordt voorzichtig de conclusie getrokken dat onder de testomstandigheden het onderhoudsregime van de motor op productgas hetzelfde kan zijn als dat van een aardgasgestookte gasmotor.

7.6

Brander en ketel

De branderkeel bleek gedeeltelijk dicht gegroeid te zijn, wat de geringe druk toename verklaart gedurende de laatste uren van de test, toen Olga niet meer in bedrijf was en er ongereinigd gas naar de brander ging. Verder is te zien dat zich wat teer en stof afgezet hebben in de productgasleiding naar de brander toe. De vuurhaard van de ketel zag er mooi schoon uit, maar in de warmtewisselaar is enige aangroei op de wanden van de pijpen te zien.

Figuur 7.4

Detail van de branderkop na de duurtest

Figuur 7.5

Lichte vervuiling van de vlampijpen in de ketel

44

ECN-E--06-044

7.7

Conclusie n.a.v. de inspecties

Samengevat kan worden gesteld dat er nergens verontrustende zaken zijn aangetroffen, behalve in de vergasser. Wat de invloed van de kapotte luchtnozzle is geweest op het vergassingsproces en het optreden van agglomeratie is niet te achterhalen, maar gunstig is het niet. De grillige vorm van de riser door erosie van de bemetseling en aangroei van bedmateriaal is zodanig dat dit gerepareerd zal moeten worden voordat een volgende proef uitgevoerd kan worden. Wanneer deze grillige vorm is ontstaan is niet te achterhalen. Het kan zijn, dat deze grillige vorm al aanwezig was voordat de duurtest startte, want dit is niet gecontroleerd.

ECN-E--06-044

45

8.

Voorontwerp commercieel vervolg

Met de ervaring opgedaan tijdens de duurtest kan bekeken worden hoe een commerciële installatie ontworpen zou moeten worden. Hierbij kan onderscheid gemaakt worden tussen een “stand alone” BIOWKK-installatie waarmee warmte en kracht worden geleverd (via een gasmotor of een stoomturbine) en een installatie waarmee biomassa wordt bijgestookt in een bestaande WKK.

8.1

Voorontwerp van een stand-alone BIOWKK

Gezien de resultaten van de duurtest behoeft het ontwerp van een BIOWKK, zoals beschreven in Bijlage A, nauwelijks bijstelling. Qua lay-out van de installatie is er veel te verbeteren. Belangrijk zijn korte, ruim bemeten productgasleidingen tussen de cycloon en Olga, met mogelijkheden om dit stuk leiding periodiek te reinigen, bv met schrapers of een kogelregen installatie. Bochten, expansiestukken, vernauwingen enz. moeten in dit stuk leiding zo veel mogelijk vermeden worden. Indien er een werkend systeem voor stofverwijdering beschikbaar zou zijn, dat al het stof op een temperatuur van 400 ºC uit de productgasstroom zou kunnen verwijderen, zou dat verstoppingen in de leidingen voor Olga kunnen voorkomen. Daarnaast zou het de werking van Olga ten goede komen en zou de constructie van Olga vereenvoudigd kunnen worden. Helaas is gebleken dat het heetgasfilter, dat voor dit doel in het systeem was geplaatst, niet geschikt was om onder productgascondities te werken. Onderzocht zal moeten worden of andere filtertypen of uitvoeringsvormen wel toepasbaar zijn. Aan de vergasser zal periodiek vers zand moeten worden toegevoerd en verontreinigd bedmateriaal moeten worden afgevoerd. Deze maatregel is nodig om agglomeratie in de CFB-vergasser te voorkomen. In verband met het opstarten van de installatie zal er een voorwarmsysteem in de installatie aanwezig moeten zijn. Voordat de installatie in vergassingsmode bedreven kan worden moeten alle systemen en leidingen op temperatuur zijn. Het gasreinigingsysteem kan echter niet met warme lucht of rookgas doorstroomd worden, zodat er een fakkel c.q. een branderinstallatie in het systeem aanwezig moet zijn, waarin het geproduceerde (rook- of product)gas direct (zonder doorstroming van de gasreiniging) verbrand/afgevoerd kan worden. De belastingregeling van een commerciële installatie zal nog nader uitgewerkt moeten worden. In de testinstallatie neemt de gasmotor zoveel productgas af als de gasmotor vraagt. De rest van het gas gaat naar de brander. Als de kwaliteit van het gas verandert, trekt de gasmotor meer of juist iets minder gas, ter compensatie van de veranderende stookwaarde van het gas. Bij de testinstallatie kan dit, omdat de gasmotor maar een deel van het geproduceerde gas gebruikt. De rest van het gas gaat naar de brander en wat de gasmotor meer vraagt, krijgt de brander minder. De vergassingsinstallatie zelf staat op een vaste instelling. Bij een commerciële installatie zal een eventuele warmtevraag als regel gedekt worden door de koeling van de motor. Er is dan geen aparte ketel waarin warmte wordt opgewekt door verbranding van productgas. In dat geval zal een variatie in stookwaarde van het productgas leiden tot een verandering van het opgewekte elektrische vermogen.

46

ECN-E--06-044

Een CFB-vergassingsunit is slecht in belasting te variëren. Als regel zal een dergelijke installatie als basislast eenheid worden ingezet. Variaties in de vraag worden in dat geval opgevangen door een andere, snel regelbare productie eenheid.

8.2

Voorontwerp van een vergasser met gasreiniging voor bijstoken in een bestaande WKK

Het concept dat tijdens de duurtest gedemonstreerd is, is een stand-alone WKK unit, waarin elektriciteit middels een gasmotor en warmte middels een brander/ketelsysteem worden geleverd. Een vergasser met gasreiniging voor bijstoken in een bestaande WKK zal qua uitvoering hier niet veel van verschillen. Bij een vergasser voor biomassa bijstoken in een bestaande WKK kan het geproduceerd gas op twee manieren worden ingezet: 1. Als brandstof voor de bestaande gasmotor of gasturbine. 2. Als brandstof in de afgassenketel, indien die WKK installatie is uitgerust met een bijgestookte afgassenketel om de warmtevraag te ontkoppelen van de elektriciteitsvraag. In het eerste geval zal de gasstraat van de gasmotor of gasturbine aangepast moeten worden en de gasmotor/gasturbine opnieuw moet worden doorgerekend en aangepast voor het productgas. In het tweede geval zal de brander in de afgassenketel geschikt gemaakt moeten worden voor productgas (bv: aangepast leidingwerk, nieuwe gasnozzles). Als de bijstookbranders voor 100% op productgas omgebouwd moeten worden, zullen waarschijnlijk de branders vervangen moeten worden in verband met het veel grotere volume van het productgas in vergelijking met aardgas. In beide gevallen zal de uitvoering van de vergasser en de gasreiniging niet anders zijn dan die van een stand alone WKK installatie. Geconcludeerd kan worden dat de installatie waarmee de duurtest is uitgevoerd representatief is voor zowel een stand alone BIOWKK als voor een vergasser met gasreiniging voor bijstoken in een bestaande WKK. Er zijn dan ook in beide gevallen geen grote ontwerpwijzigingen voorzien.

ECN-E--06-044

47

9.

Conclusies

In dit hoofdstuk zijn de conclusies, zoals die per hoofdstuk zijn geformuleerd, samengevat. Conclusies met betrekking tot het verloop van de duurtest De vergasser is 891 uur in bedrijf geweest, de productgaskoeler en de cycloon 890 uur, Olga 672, Gasreip 669, de branderen ketel 719 en de gasmotor 653 uur. Uit het aantal draaiuren per deelsysteem kan geconcludeerd worden dat de verschillende systemen betrouwbaar hebben gefunctioneerd. De koelers, de cycloon en de brander hebben probleemloos gefunctioneerd. De goede werking van Olga is overtuigend aangetoond. Kijkt men naar de aard van de onderbrekingen dan zijn er slechts drie procesgerelateerde oorzaken voor de onderbrekingen geweest, te weten: 1. verstopping van de leiding tussen de cycloon en de collector agglomeratie in Bivkin 2. circulatieonderbreking in het Olga collector oliecircuit. 3.

De laatste oorzaak kan door een aangepaste bedrijfsvoering worden voorkomen. Agglomeratie in Bivkin kan worden voorkomen door een goede brandstof keuze en verversing van bedmateriaal. Een hardnekkig (lay-out) probleem was verstopping in de productgasleiding tussen de cycloon en Olga. Dit probleem wordt grotendeels veroorzaakt door de lay-out van dit stuk leiding. Bochten, vernauwingen en expansiestukken vormen obstakels waar zeer snel een verstopping kan ontstaat. In een commercieel ontwerp zal aan dit stuk leiding de nodige aandacht moeten worden besteed. Gezien het karakter van de installatie (een testopstelling van beperkte capaciteit met kleine leidingdiameters e.d., die oorspronkelijk niet gebouwd is voor langdurig bedrijf en waarbij de diverse deelsystemen ver van elkaar af staan) kan geconcludeerd worden dat de duurtest zeer goed is verlopen. Conclusies mbt meetresultaten Uit de meetresultaten blijkt, dat de metingen succesvol zijn verlopen en er een uitgebreide datafile met meetgegevens beschikbaar is. Ondanks onderbrekingen in de bedrijfsvoering is voldoende lang stabiel bedrijf gevoerd om betrouwbare data te genereren. Over de hele periode zijn fluctuaties in de diverse proceswaarden minimaal. De volgende conclusies kunnen worden getrokken: • Door toevoer van vers bedmateriaal aan Bivkin kan agglomeratie voorkomen worden. • De warmteoverdracht in de productgas koeler is stabiel over de tijd; de productgas koeler blijft dus schoon. • Afgezien van drukverhogingen in het systeem ten gevolge van verstoppingen in de leiding tussen de cycloon en de Olga collectorinlaat en in de collectorinlaat zelf treedt er nergens vervuiling op. Proceswaarden wijzigen niet over de tijd. • Het condenswater uit Gasreip mag niet in het riool van ECN worden geloosd. Het valt echter niet in de categorie olie/watermengsels, maar kan als afvalwater worden afgevoerd. Dit beperkt de afvoerkosten. • De gasmotor ondervindt geen nadelige gevolgen van dit gas en ook de gasbrander werkt goed. Er is geen meetbare vervuiling in de ketel. • De emissies uit de ketel en de gasmotor liggen op een niveau dat vergelijkbaar is met het niveau bij het gebruik van aardgas.

48

ECN-E--06-044

Conclusies massa en energiebalans Resultaten van de massa- en energiebalans op 1 februari 2006 en 28 februari 2006 laten een nauwkeurigheid zien van ongeveer 2%. Dat komt overeen met de nauwkeurigheid die te verwachten is bij analyses van brandstof en gas. Op basis van de resultaten was het koudgasrendement van de vergasser tijdens langdurig bedrijf ongeveer 65%. Daarin is geen rekening gehouden met de verbrandingswaarde van teer, die eventueel als brandstof naar de vergasser zou kunnen worden toegevoerd. Inclusief teer komt het koudgasrendement op 71% uit.

Het elektrische rendement van de gasmotor was gemiddeld 31%. Dat is gelijk aan de waarde die de fabrikant op heeft gegeven voor bedrijf op aardgas en pekelgas waarvoor de gasmotor oorspronkelijk is geleverd. Er is dus geen sprake van verlies aan rendement door gebruik van laagcalorisch gas. Dit is te danken aan de lagere luchtovermaat die kon worden toegepast bij deze gasmotor met atmosferische aanzuiging van brandstof. Conclusies n.a.v. inspecties na afloop van de duurtest Tijdens inspecties na afloop van de duurtest zijn er nergens verontrustende zaken aangetroffen, behalve in de vergasser. Wat de invloed van de kapotte luchtnozzle is geweest op het vergassingsproces en het optreden van agglomeratie is niet te achterhalen, maar gunstig is het niet. De grillige vorm van de riser door erosie van de bemetseling en aangroei van bedmateriaal is zodanig dat dit gerepareerd zal moeten worden voordat een volgende proef uitgevoerd kan worden. Wanneer deze grillige vorm is ontstaan is niet te achterhalen. Het kan zijn, dat deze grillige vorm al aanwezig was voordat de duurtest startte, want dit is niet gecontroleerd. Met de vergassingsinstallatie worden reeds vanaf 1996 bij ECN testen uitgevoerd.

ECN-E--06-044

49

10.

Slotwoord

Een cruciaal onderdeel van de integrale vergassingsinstallatie is het teerverwijderingssysteem Olga. Terwijl de duurtest werd voorbereid kreeg de leverancier van de Olga installatie, de firma Dahlman, de opdracht van het franse bedrijf Eneria voor de levering van een Olga voor een 4 MWth biomassa vergassingsunit met een 1,1 MWe gasmotor/generatorset. Alle bevindingen met Olga tijdens de duurtest konden nog worden geïncorporeerd in het Eneria ontwerp. Mede dankzij de ervaring opgedaan tijdens de duurtest kon de 4 MWth installatie in de zomer van 2006 succesvol in bedrijf worden gesteld. De installatie, welke is gebouwd in Moissannes, Frankrijk, geldt als een eerste demonstratie op industriële schaal van het Olgateerverwijderingsconcept.

50

ECN-E--06-044

11.

Gebruikte symbolen en afkortingen

°C ..............................................Graden Celcius Air riser O2F2 ...........................Luchthoeveelheid naar de riser Air sealpot O2F3.......................Luchthoeveelheid naar de sealpot Ar ..............................................Argon BIOWKK ..................................Biomassagestookte Warmte-Kracht-Koppeling Bivkin........................................Biomassa vergassings en karakteriserings installatie BRD ..........................................Brander C ................................................Koolstof CFB ...........................................Circulating Fluidised Bed Cool airflow O2F31 ..................Koelluchthoeveelheid door de productgaskoeler dP ..............................................Drukverschil dP productgas O3P51................Productgas zijdige drukval over de brander EARS ........................................Early Agglomeration Recognition System ECN...........................................Energieonderzoek Centrum Nederland ESP............................................Electrostatic Precipitator g.................................................gram Gasreip ......................................Systeem voor ammoniakverwijdering uit productgas GT .............................................Gasturbine H................................................Waterstof Inlet absorber TI921..................Productgastemperatuur bij de inlaat van de Olga absorber Inlet stripper TI415 ...................Temperatuur van de lucht bij de inlaat van de Olga stripper Inlet TI401.................................Productgastemperatuur bij de inlaat van de Olga collector K................................................Graden Kelvin kW.............................................KiloWatt thermisch kWe ...........................................KiloWatt elektrisch kWh...........................................KiloWattuur LCV...........................................Onderste verbrandingswaarde m ...............................................Meter mg .............................................Milligram microGT ....................................Microgasturbine MJ .............................................MegaJoule mm ............................................Millimeter mn3 .............................................Kubieke meter bij 0 °C en 1,013 bar absoluut N................................................Stikstof O................................................Zuurstof Olga...........................................Systeem voor teerverwijdering uit productgas Outlet absorber TI408 ...............Productgastemperatuur bij de uitlaat van de Olga absorber Outlet stripper TI414.................Temperatuur van de lucht bij de uitlaat van de Olga stripper Outlet TI405..............................Productgastemperatuur bij de uitlaat van de Olga collector ppm ...........................................Parts per million Pressure riser 6 m O3P13..........Druk in de riser op 6 m hoogte S ................................................Zwavel T ................................................Temperatuur T fluegas O2T52 .......................Rookgastemperatuur in de schoorsteen van de ketel Tair in O2T31............................Luchttemperatuur aan de intrede van de productgaskoeler Tair O2T51................................Luchttemperatuur bij de inlaat van de brander Tair out O2T36..........................Luchttemperatuur aan de uitlaat van de productgaskoeler Temperature riser 3 m O3T10...Temperatuur in de riser op 3 m hoogte TI402.........................................Temperatuur halverwege in de collector Tpg in ........................................Temperatuur productgas in

ECN-E--06-044

51

Tpg in O3T19 ............................Temperatuur van het productgas bij de inlaat van de productgaskoeler Tpg in TI01................................Productgastemperatuur aan de inlaat van de cycloon Tpg NH3 washer out TI909.......Temperatuur van het productgas bij de uitlaat van de NH3 wasser van Gasreip Tpg O3T51 ................................Productgastemperatuur bij de inlaat van de brander Tpg out ......................................Temperatuur productgas uit Tpg out O3T36 ..........................Temperatuur van het productgas in de uitlaat van de productgaskoeler Tpg out TI06..............................Productgastemperatuur aan de uitlaat van de cycloon Tpg quench in TI101 .................Temperatuur van het productgas bij de inlaat van de quench van Gasreip Tpg quench out TI102 ...............Temperatuur van het productgas bij de uitlaat van de quench van Gasreip Tw..............................................Wandtemperatuur Tw stripper TT912.....................Watertemperatuur in de stripper U ................................................Warmteoverdrachtscoefficient vol% ..........................................Volumeprocenten W ...............................................Watt WKK .........................................Warmte-Kracht-Koppeling

52

ECN-E--06-044

Bijlage A A.1

Beschrijving van de testopstelling

Inleiding

De duurtest is uitgevoerd met de reeds bij ECN aanwezige integrale BIVKIN vergassingsinstallatie, die voor deze test geschikt is gemaakt voor duurbedrijf en is uitgebreid met een gasmotor/generator met netkoppeling. De installatie bestaat uit de deelsystemen zoals in Figuur A.1 is weergegeven. In deze bijlage worden de verschillende systemen nader beschreven.

Cooler Electricity Gasengine Booster

Fuel bunker OLGA Tar removal

GASREIP Water + Ammonia Removal

Sealpot

Burner Feeding screw Circulating Fluid Bed Gasifier BIVKIN

Figuur A.1

A.2

Cyclone

Heat

Integrale testopstelling voor biomassa vergassing

BIVKIN vergasser

De biomassa wordt in een brandbaar productgas omgezet in de BIVKIN vergassingsinstallatie (BIomassa Vergassings- en Karakteriserings-INstallatie) die reeds sinds 1996 bij ECN staat opgesteld. BIVKIN is een atmosferisch bedreven circulerend wervelbed vergassingsinstallatie met een maximale thermische capaciteit van 500 kWth (bij ongeveer 100 kg/h brandstof voeding). De BIVKIN is ontworpen voor een productie van 200 mn3/h (nat) stookgas. Een foto van BIVKIN is gegeven in Figuur A.2, het principeschema is gegeven in Figuur A.3.

ECN-E--06-044

53

Figuur A.2

Foto van BIVKIN vergassingsinstallatie van ECN Flare valve

Second cyclone inactive

Riser Fuel bunker

Cyclone productgas to cooler

Sealpot Crusher air

Screw feeder

Ash removal Nitrogen air

Figuur A.3

Schema van BIVKIN vergassingsinstallatie

De BIVKIN bestaat uit meerdere voedingsbunkers, een riser met brandstof-, lucht-, zuurstof-, stikstof- en stoomtoevoer, een circulatiesysteem met cycloon en sealpot, een tweede cycloon voor het afvangen van as en een fakkel. Met BIVKIN zijn in het verleden testen uitgevoerd met o.a. wilg, beuk, meranti, sloophout, vers hout, bermgras, plaatmateriaal, sloophout/rioolslib, sloophout/papier-residuslib, stro, cacao- en zonnebloemschilfers en kippenmest. Er is dus al veel ervaring opgedaan met het vergassingsproces. Speciaal voor de duurtest is BIVKIN voorzien van een crusher (Figuur A.4) in het brandstoftoevoersysteem. Dit omdat tijdens de duurtest houtpellets als brandstof gebruikt worden vanwege

54

ECN-E--06-044

de constante kwaliteit en de goede opslag- en handling eigenschappen van houtpellets. Deze brandstofpellets zijn echter relatief groot, waardoor er agglomeratie in de vergasser kan optreden. Met behulp van de crusher worden de pellets verkleind tot zaagsel < 1mm, zodat de kans op agglomeratie wordt verkleind. Op deze manier worden de voordelen van de goede handling eigenschappen van pellets gecombineerd met de goede vergassingseigenschappen van zaagsel.

Houtpellets

Figuur A.4

Crusher in de brandstoftoevoer

De brandstof wordt met een schroefvoeder onder in het bed gebracht. Door drukverschillen tussen de voedingsbunker en het bed ontstaat er een lekgasstroom door de voedingschroef richting de bunker. Er wordt stikstof op de schroef gezet om te voorkomen dat productgas richting de bunker kan stromen. De lekgasstroom wordt in de roterende sluis onder de bunker afgezogen en geleid naar een speciaal voor deze test nieuw geplaatst stoffilter. Doordat de lekgasstroom in nauw contact komt met de biomassa ontstaat er geuroverlast aan de uitlaat van het filter. Om dit te voorkomen wordt het uittredende gas naar de brander afgezogen (zie Paragraaf A.3). Voorts is er speciaal voor de duurtest een asafvoer gemaakt, waarmee bedas onder uit de riser kan worden afgetapt. BIVKIN is oorspronkelijk zo ontworpen dat de tweede cycloon as afvangt, die via kleppen onder de cycloon uit de installatie wordt afgevoerd. Deze situatie is inmiddels gewijzigd. De tweede cycloon en de fakkel zijn nu niet meer actief: het productgas verlaat met de as de tweede cycloon aan de onderkant, waardoor de cycloonwerking verloren gaat. Alle as die met het productgas mee de eerste cycloon verlaat, gaat met de productgasstroom mee onder uit de tweede cycloon en gaat vervolgens door naar de koelers, waarin het stookgas wordt afgekoeld en lucht wordt opgewarmd. De fakkel wordt alleen nog sporadisch gebruikt als er verderop in het systeem een storing optreedt die zonder fakkel uitschakeling van de vergasser zou vereisen (bijvoorbeeld: de brander valt uit of een klep valt dicht waardoor de gasstroom geblokkeerd raakt). De vergasser wordt bedreven onder ‘standaard condities’. Dit houdt in een lineaire gas snelheid in de riser van 7 m/s en een vergasser temperatuur van 850°C. De luchtvoorverwarming wordt niet aangezet. Hierdoor wordt bij een hogere ER vergast en neemt de koolstofconversie toe. Dit geeft minder as (koolstof) en minder charophoping in de vergasser. Het niet voorwarmen van de vergassingslucht heeft een negatief effect op de verbrandingswaarde van het stookgas. De sealpot wordt gefluidiseerd met lucht. Er vindt geen recycling plaats van as of afgevangen teren.

ECN-E--06-044

55

A.3

Productgaskoelers

Het productgas wordt in productgaskoelers afgekoeld tot ongeveer 370°C. De koeler bestaat uit een productgasleiding met een dubbele wand. Tussen de twee wanden stroomt koude koellucht. De koellucht wordt door middel van een ventilator op druk gebracht en in meestroom met het productgas aan de koeler toegevoerd. De hete lucht die de koeler verlaat heeft een temperatuur die ongeveer 25˚C onder de productgastemperatuur ligt. Deze hete lucht wordt aan de brander toegevoerd, waar zij dienst doet als verbrandingslucht voor het stookgas. Een schema van de koelers is gegeven in Figuur A.5 . Second cyclone Bivkin

Testkamer

Productgas from BIVKIN

w

Testkamer

T T

T

w T

w t T

T

t

= Temperature productgas

T

= Temperature air

w

= walltemperature measurement = control valve

Air blowers Productgas to third cyclone

Figuur A.5

Heater Hot air to burner

Dust removal from fuel supply

Schema productgaskoelers

De in de figuur weergegeven testkamers zijn units waarmee op verschillende temperatuur niveaus testen met warmtewisselaars kunnen worden uitgevoerd. Deze units waren tijdens de duurtest niet in gebruik. Om zowel lucht- als productgaszijdig een goede eindtemperatuur aan de uitlaat van de koelers te bereiken met niet te hoge wandtemperaturen is tijdens de proef alle lucht aan het begin van de koeler, onder de tweede cycloon, ingebracht. De andere luchtkleppen stonden dicht. Om voldoende lucht beschikbaar te hebben voor de brander in de ketel is er een blower geplaatst waarmee lucht buiten de koelers om naar de brander wordt gebracht. Deze luchtstroom wordt elektrisch verwarmd, om te voorkomen dat de luchttemperatuur van de brander te laag wordt. De lucht wordt aangezogen bij de uitlaat van het stoffilter van het brandstoftoevoersysteem (zie paragraaf A.2: BIVKIN vergasser). De lucht die daar wordt afgezogen bevat onaangename geurcomponenten en door deze uitvoering worden deze geurcomponenten naar de brander gevoerd en daar verbrand. Op onderstaande foto (Figuur A.6) staat een deel van de koeler voordat er isolatie om de koeler is aangebracht.

56

ECN-E--06-044

Productgas koeler =======> Luchttoevoer===>

<===== BIVKIN

Figuur A.6

A.4

Foto van productgas koeler en luchttoevoer

Stofafvangst

Nadat het productgas is afgekoeld, gaat het gas naar een cycloon, waar de vliegas uit de gasstroom wordt verwijderd. De cycloon en de aan- en afvoerleidingen zijn voorzien van verwarming en isolatie om verder afkoelen van het productgas te voorkomen. De cycloon is een standaard cycloon met onder de cycloon een afsluiter en een asvat. Tijdens bedrijf staat de afsluiter open en valt de as rechtstreeks vanuit de cycloon in het asvat. Wordt een asvat verwisseld, dan wordt de afsluiter gesloten. Na verwisseling wordt de datum/tijd en het gewicht van het asvat genoteerd, zodat de geproduceerde ashoeveelheid berekend kan worden. Een foto van de cycloon is gegeven in Figuur A.7. Parallel aan de cycloon is er een heetgasfilter geplaatst, zie figuur A.8.

<===============Schoorsteen Cycloon, voordat ===============> isolatie is aangebracht <=========Productgasleiding

Figuur A.7

Foto van de cycloon

ECN-E--06-044

57

Figuur A.8

Heetgasfilter

Het heetgasfilter bestaat uit een huis waarin zich filterkaarsen bevinden. De vliegas in het gas verzamelt zich op de buitenkant van deze kaarsen en wordt periodiek verwijderd middels een purgeflow systeem. Het heetgasfilter laat in principe geen stof door (stofconcentratie in de uitlaat <25 mg/mn3). In eerste instantie was het de bedoeling om de duurtest met het heetgasfilter uit te voeren. Met dit filter was echter onder productgascondities nog bijna geen bedrijf gevoerd. Na voorbereidende testen werd duidelijk dat het heetgasfilter zeer snel verstopt ging zitten. Daarom is uiteindelijk besloten om het heetgasfilter niet te gebruiken en de stof met behulp van alleen een cycloon uit het gas te verwijderen en de fijnste stoffractie in collector van OLGA (zie paragraaf A.5.1) af te scheiden.

A.5

Productgasreiniging

Nadat het productgas is afgekoeld en van het meeste stof is ontdaan wordt het in de productgasreiniging ontdaan van teer, water en ammoniak. In deze paragraaf worden de daarvoor gebruikte systemen beschreven.

A.5.1 OLGA ECN heeft de OLGA technologie ontwikkeld, waarmee efficiënt teer uit productgas kan worden verwijderd. ECN werkt nauw samen met de firma Dahlman bij de opschaling vanaf laboratoriumschaal en de marktintroductie. OLGA bevat drie kolommen die collector, absorber en stripper worden genoemd. De collector en absorber verwijderen teer uit productgas, de stripper verwijdert teer uit de olie die in de absorber wordt gebruikt als wasvloeistof. Collector Na de cycloon wordt het gas via een leiding (voorzien van trace heating) naar de inlaat van de collector geleid, zie schema, figuur A.9.

58

ECN-E--06-044

COLLECTOR

ABSORBER

ESP

STRIPPER

60°C

Tar free product gas to GASREIP Flow meter

Cooler

Oil Filter

heater

Filter

Air to burner or gasifier

Cooler PRODUCT GAS From cyclone 370

Tar removal STRIPPER AIR

Figuur A.9

Heater

Principeschema van het Olga teerverwijderingsysteem

In de collector wordt het productgas met behulp van een wasolie gecontroleerd afgekoeld van 370ºC naar ongeveer 80ºC, waardoor de zware teren condenseren. Het productgas stroomt van beneden naar boven door de collector, de wasolie wordt rondgepompt en loopt in de collector in tegenstroom van boven naar beneden. In het oliecircuit zitten een pomp, een koeler waarin de wasolie wordt afgekoeld, een filter waarin het fijne stof uit de olie wordt afgescheiden en een flowmeter. De teren die in de collector worden afgevangen accumuleren in de collector. De geaccumuleerde teren worden periodiek uit de collector verwijderd en kunnen als (vloeibare) brandstof dienen voor de vergasser (Tijdens de duurtest is dit niet gedaan). ESP Na de collector is een nat “Electrostatic Precipitator” geplaatst waarmee stof en teer aerosolen uit het productgas worden afgevangen. De ESP is een standaard uitgevoerde “natte” ESP. De leidingen tussen de Collector en de ESP wordt met trace heating op temperatuur gehouden. Absorber/Stripper Na de ESP wordt het productgas (temperatuur +/- 70ºC) van onderaf aan de absorber toegevoerd. Deze absorber wordt in tegenstroom met een olie doorstroomd. De lichte teren die zich nog in het gas bevinden lossen in de olie op. In een heater wordt de olie in temperatuur verhoogd tot ongeveer 180ºC, waarna de hete olie door de stripper wordt geleid. In de stripper wordt de olie in contact gebracht met 180ºC lucht, zodat de lichte teren uit de olie verdampen en met de lucht mee naar de brander worden afgevoerd, waar ze verbranden. De olie wordt vervolgens in een koeler afgekoeld en weer aan de absorber toegevoerd. In de testinstallatie wordt de olie elektrisch verwarmd en met koelwater gekoeld, in de praktijk zal via een warmtewisselaar de hete olie de koude olie verwarmen en omgekeerd. Verder zal in de praktijk de stripperlucht niet naar een brander maar als primaire lucht naar de vergasser worden geleid.

A.5.2 GASREIP In het productgas na OLGA zitten nog ammoniak en water, die uit het gas verwijderd moeten worden. Dit gebeurt in “GASREIP”. Voor een schema van het GASREIP-systeem wordt verwezen naar Figuur A.10.

ECN-E--06-044

59

WATER REMOVAL

NH3 WASHER 15°C

NH3 STRIPPER

Booster

15°C

15°C

Clean product gas to Gasengine and burner

60°C 60°C

Cooler

Air + NH3 to burner or gasifier

heat exchanger

15 ºC PRODUCT GAS From Olga 60 ºC

60°C

60°C

15°C 25ºC

Water out

STRIPPER AIR

Figuur A.10

Heater

Schema van het water- en ammoniak verwijderingsysteem GASREIP

Ontwatering In de GASREIP quench-koeler (een kolom met een open pakking) wordt koud water (+/- 15ºC) in contact gebracht met het productgas, waardoor het gas afkoelt tot beneden het water dauwpunt. Hierdoor condenseert het water uit het gas en komt terecht in een bezinktank, zie figuur A11.

Figuur A.11 Gasreip bezinktank Met het water wordt ook een deel van de HCl en NH3 afgevangen. Uit de bezinktank wordt periodiek water afgetapt, dat als afvalwater kan worden afgevoerd. Ook het water dat aan de gasquench wordt toegevoerd wordt uit de bezinktank onttrokken. Middels een koeler wordt het aan de buitenlucht afgekoeld, zodat het koud genoeg is om aan de gasquench toe te voeren. NH3 verwijdering Na de gasquench wordt het productgas toegevoerd aan een NH3 wasser. Dit is in principe een kolom met een pakking. In de wasser wordt koud water in contact gebracht met het gas, waardoor de ammoniak in het productgas in het water oplost. Het met ammoniak bezwangerde water wordt in een warmtewisselaar opgewarmd en in een stripper in contact gebracht met lucht. Hierdoor verdampt de ammoniak. Het ammoniak/lucht mengel wordt in de brander als verbran60

ECN-E--06-044

dingslucht gebruikt. Het water wordt in de hierboven genoemde warmtewisselaar weer afgekoeld en opnieuw aan de NH3 wasser toegevoerd. Booster Na GASREIP wordt het gereinigde productgas door een booster in druk verhoogd. De booster wordt geregeld op een inlaatdruk van GASREIP van ongeveer 0 mbar.

In de leiding naar de ketel bevindt zich een reduceerventiel. Dit ventiel wordt ingesteld op de gewenste voordruk van 70 mbar voor de gasmotor. De gasmotor trekt zoveel stookgas als nodig is om het ingestelde vermogen, ongeveer 40 kWe, te leveren. De rest van het gas gaat via het reduceerventiel naar de brander.

A.6

Gasmotor

Ten behoeve van de duurtest is de vergassingsinstallatie aangevuld met een door Essent ter beschikking gestelde gasmotor. De gasmotor was oorspronkelijk ontworpen voor het converteren van ontwijkend gas uit pekelwater. De gasmotor is echter zo goed als niet voor dat doel gebruikt. Bij aflevering had de gasmotor met toebehoren bijna geen bedrijfsuren gemaakt en was in die zin nog “nieuw”, hoewel hij reeds in 1998 was gebouwd. De gasmotor is een 6 cilinder motor + generator met mastercontrol. Het is een motor met 1 kop per 2 cilinders en heeft een asrendement van > 30%, wat hoog is voor een dergelijke kleine motor. De motor is niet turbogeladen; hij heeft een vrije luchtaanzuiging met een compressieverhouding 12,5:1. Er zit geen rookgaskoeling en geen katalysator in de rookgasstroom naar de schoorsteen. Het geheel is ondergebracht in een geluid geïsoleerde 20 voet container. Een foto van de gasmotor is gegeven in Figuur A.12. Om de gasmotor zowel op aardgas als op productgas te laten lopen is het gastoevoersysteem volledig vernieuwd en uitgevoerd zoals weergegeven in figuur A.13. Daarnaast is er een nieuwe insert in de carburateur geplaatst om hem geschikt te maken voor productgas.

Figuur A.12 Foto van de gasmotor

ECN-E--06-044

61

Productgas To Burner

Container Flushline manometers Pressure controller Dewatering vessel

Pressure controller

Buffer vessel

Productgas

Filter

Gasvalves

0-pressure controller

Gas(volume)controller

Natural gas

Pressure controller

m

M

To ECN grit

Combustion air

Airfilter

Mixer

Main Fuel valve

Booster

Generator Gas engine

Productgas from GASREIP

Figuur A.13 Flowschema van het gastoevoer systeem naar de gasmotor Na de gasreiniging is ongeveer 150 mn3/uur aan droog, gereinigd stookgas op omgevingstemperatuur beschikbaar. De stookwaarde op LHV basis bedraagt rond 6,4 MJ/mn3. Dit geeft 270 kW beschikbare verbrandingswarmte. De gasmotor vraagt ongeveer 75 mn3/uur, de rest van het gas gaat naar de ketel. Met de gas hoeveelheid van 75 mn3/uur die naar de motor gaat wordt ongeveer 40 kWe aan het net geleverd.

A.7

Branderinstallatie

Het productgas dat niet aan de gasmotor wordt toegevoerd wordt naar een branderinstallatie geleid waarmee het in een heetwaterketel wordt verbrand. Een foto van de brander is gegeven in A.14.

Figuur A.14

Foto van de brander in de heetwaterketel

In het centrum van de brander bevindt zich de steunbrander. Deze aardgasgestookte steunbrander is altijd in bedrijf en zorgt er voor dat er altijd een ontstekingsbron aanwezig is. Lucht kan op drie niveaus in de brander gebracht worden: primaire lucht, secundaire lucht en tertiaire lucht. Door middel van kleppen in de luchttoevoer kan de luchtverdeling over de brander ingesteld worden. Door het getrapt toevoeren van de verbrandingslucht wordt bij de brandermond een reducerend milieu gecreëerd waardoor NOx vorming wordt tegengegaan.

62

ECN-E--06-044

Om het volledige productgas debiet te kunnen verbranden in de ketel is 300 mn3/h aan verbrandingslucht nodig. Hiervan is globaal 75 mn3/h afkomstig van de productgaskoeler, 80 mn3/h van de OLGA-stripper (verontreinigt met lichte teer), 40 mn3/h van de GASREIP-stripper (verontreinigt met NH3) en de rest (105 mn3/h) komt uit de bypass rond de productgaskoelers. In de bypass is een heater aangebracht waarmee de bypasslucht opgewarmd wordt naar 300 ºC. Dit om te lage luchttemperaturen in de brander (en daarmee teercondensatie in een te koud stuk productgas leiding in de brander als OLGA uit staat), te voorkomen. De brander moet al het productgas kunnen verbranden als de gasmotor uit staat en een gedeelte van het geproduceerde productgas als de gasmotor draait. Daarom krijgt de brander zoveel lucht toegevoerd dat bij toevoer van al het productgas naar de ketel de luchtovermaat 2% bedraagt. Wordt de gasmotor bijgenomen dan wordt de luchthoeveelheid niet bijgeregeld, maar hetzelfde gelaten. Hierdoor stijgt het zuurstofpercentage in het rookgas naar rond 10%. Deze werkwijze heeft het voordeel dat de gasmotor zonder gevolgen voor de rest van de installatie kan uitvallen.

A.8

Heetwaterketel

De brander is geplaatst voor de vuurgang van de vlampijpketel, zie figuur A.15. In de vuurgang vindt de verbranding plaats. Via een keerkast komen de rookgassen in de vlampijpen van de ketel, waar ze worden afgekoeld tot 200 ˚C. Ze verlaten het systeem via de schoorsteen naast het ketelhuis, te zien op de foto van de cycloon, Figuur A.7. De bij de verbranding vrijkomende warmte wordt in de ketel aan het water overgedragen, waardoor de watertemperatuur stijgt naar 95˚C. Het hete water wordt door middel van luchtkoelers aan de buitenlucht afgekoeld en opnieuw aan de ketel toegevoerd (gesloten watersysteem). Een ketelwater regelsysteem zorgt er middels het starten en stoppen van luchtkoelers voor dat de ketel op een constante temperatuur en druk wordt bedreven.

Figuur A.15 Heetwaterketel Een schema van het ketelwatersysteem wordt in Figuur A.16 weergegeven. Zoals uit het schema blijkt wordt de warmte niet nuttig gebruikt maar naar de buitenlucht afgevoerd. Nuttig gebruik van de warmte is niet overwogen omdat het een onderzoeksinstallatie is die gedurende het jaar maar beperkt in bedrijf is en warmtetoepassingen bekende technologieën zijn die niet meer gedemonstreerd behoeven te worden. Voor een foto van de luchtkoelers wordt verwezen naar figuur A.17. De ketel is d.m.v. een temperatuurbewaking tegen overdruk en te hoge temperaturen beveiligd.

ECN-E--06-044

63

95 ºC controlled by air coolers T

air coolers

Boiler Burner expansion vessel

Tin = 70 ºC pump

Figuur A.16 Schema ketelwatersysteem

Figuur A.17 Foto van de luchtkoelers

A.9

Meet- en regelsystemen

Verzameling meetgegevens In de vergasser, de koelers, OLGA en GASREIP en het brandersysteem worden op tientallen posities de temperatuur en de druk gemeten. Bij de vergasser wordt ook het gewicht van de voedingbunker gemeten en het debiet van lucht en N2 naar de vergasser, de sealpot en de voedingsschroef. Van het productgas worden de concentraties aan CxHy, CO, CO2, H2, N2 en O2 bepaald (op basis van droog gas). In de uitlaat van de ketel worden de concentraties O2, CO2, CO, CxHy, NO, NO2 en NOx gemeten.

Alle hierboven genoemde meetgegevens worden elke seconde automatisch opgeslagen. Van deze datareeks wordt elke 5 minuten een datareeks opgeslagen welke permanent wordt bewaard. Uit deze 5 minuten reeks zijn de grafieken, zoals in dit rapport gegeven, samengesteld. De overige componenten in het productgas (NH3, H2S, Teer, stof) worden bepaald via analyse achteraf. Het gehalte aan stof in het product- en rookgas wordt bepaald uit de gewichtstoename van een filter waar een bekende hoeveelheid gas doorheen is geleid. Voor teer wordt de SPA methode gebruikt. Dit houdt in dat een vast volume productgas door een adsorbeermiddel wordt geleid. De teersamenstelling en teerhoeveelheid wordt met behulp van een gaschromatograaf achteraf bepaald.

64

ECN-E--06-044

Regeling van de installatie De gegevens over temperatuur, druk, gewicht voedingsbunkers en belangrijke componenten in het stookgas zijn voor de operators van de vergasser direct zichtbaar of opvraagbaar op computerschermen. Voor een groot aantal parameters zijn grenswaarden in te stellen. Overschrijding van die grenswaarden leidt tot een waarschuwing op het computerscherm of (bij potentieel gevaar) tot direct afschakelen van de installatie of een deel daarvan. Voor het geval dat deze beveiliging niet of niet snel genoeg werkt, is de vergasser apart beveiligd tegen overdruk door middel van een breekplaat.

Op basis van de gegevens over druk en temperatuur beslist de operator van de vergasser of het debiet aan brandstof, lucht of N2 naar de vergasser moet worden veranderd, of dat bedmateriaal (zand) moet worden aangevuld. De vergasser werkt normaal dus met een handmatige regeling. Hetzelfde geldt voor de gasreiniging en de brander/ketel. De gasmotor wordt met de start/stopknop handmatig gestart, overgeschakeld van aardgas op productgas en gestopt. Het interne regelsysteem verzorgt automatisch de verdere opstart tot en met de synchronisatie en koppeling aan het net. BIVKIN heeft ook een automatische regeling voor bedrijf onder verbrandingscondities. Die is bedoeld om de vergasser onbemand in de verbrandingsmode op temperatuur te kunnen houden of om de installatie gedurende de nacht onbemand op te warmen. Branderregeling en beveiliging De brander is beveiligd door middel van een flamerod in de steunbrander. De steunbrander moet altijd in bedrijf zijn voordat productgas aan de brander kan worden toegevoerd. Ook moet er altijd voldoende lucht aan de brander worden toegevoerd om het gas te verbranden. De luchthoeveelheid wordt met de hand ingesteld.

De luchtstroom wordt ten behoeve van primaire, secondaire en tertiaire lucht in drieën gesplitst voordat hij naar de brander gaat. De verdeling van de lucht gebeurt door middel van handinstelbare kleppen in de luchtleidingen. De verdeling van de lucht over de brander wordt bepaald door middel van drukmetingen over de brander.

ECN-E--06-044

65

Bijlage B

Noodzakelijke aanpassingen aan het systeem

Om de installatie geschikt te maken voor langdurig bedrijf is ter voorbereiding van de duurtest een aantal modificaties doorgevoerd. De belangrijkste zijn: Bivkin: Bivkin is voorzien van een nieuw bedas afvoersysteem. De sealpot is gerepareerd, het besturing/beveiligingssysteem is bedrijfszekerder gemaakt en de bediening is verplaatst van de hal waarin de vergasser staat naar een afgescheiden ruimte naast de hal (het was vanwege geluid en stof niet verantwoord om de Operators 1000 uur in de Bivkin hal te laten werken). Ook is een hamermolen geïnstalleerd. Verder is een stoffilter geplaatst waarmee stof, dat uit het brandstoftoevoersysteem vrijkomt, wordt afgefilterd. Productgaskoelers De productgaskoelers zijn voorzien van een extra bypass, zodat lucht direct naar de naverbrander gevoerd kan worden. Hierdoor kunnen de productgaskoelers beter op de gewenste temperatuur worden ingesteld, terwijl er toch voldoende lucht naar de naverbrander gestuurd kan worden. In de bypass lucht is een elektrische heater geplaatst om te voorkomen dat de lucht in de naverbrander te koud wordt. Heetgasfilter Het heetgasfilter heeft nieuwe filterelementen gekregen. Ook het purgesysteem is omgebouwd op een mengsel van stikstof en methaan, zodat de stookwaarde van het productgas niet beïnvloed wordt door het regenereren van het heetgasfilter. Uiteindelijk is het heetgasfilter niet gebruikt tijdens de duurtest, omdat tijdens de in Bijlage C beschreven voorbereidende testen was gebleken dat het heetgasfilter in de huidige uitvoering niet goed online te reinigen was. Productgasbrander De brander is schoongemaakt en de ketel is rookgaszijdig gereinigd, zodat met een schone installatie begonnen kon worden (bij voorgaande testen was er vervuiling opgetreden). De ketelwater uitlaattemperatuur is in de beveiliging opgenomen. Olga, Gasreip Olga is voorafgaand aan de duurtest omgebouwd. Zo is o.a. de collector gewijzigd en is een andere pomp en een nieuw filter in de olie-loop geplaatst, zie voor details de rapportage van het project “Olga Optimaal”, ECN projectnummer 7.5264. Gasreip heeft een nieuwe sproeier en een nieuw filter gekregen en de platen warmtewisselaar is gereinigd. Gasmotor Er is een gebruikte gasmotor/generator achter de gasreiniging geplaatst waarmee elektriciteit geproduceerd wordt die aan het net geleverd wordt. De gasmotor is aangepast aan de bedrijfsomstandigheden met biomassa productgas. In de beschrijving van de installatie, zoals gegeven in bijlage A, zijn bovenstaande aanpassingen reeds verwerkt.

66

ECN-E--06-044

Bijlage C

Operationele testen voorafgaand aan de duurtest

Al in een vroeg stadium is onderkend dat de duurtest nooit “in een keer goed” uitgevoerd zou kunnen worden. Vandaar dat ter voorbereiding van de duurtest, een week was gepland voor het opsporen van de resterende onvolkomenheden in de installatie. Deze testrun is in november 2004 uitgevoerd.

C.1

Operationele test in november 2004

Als voorbereiding op de duurtest is er in november 2004 een operationele test met de installatie uitgevoerd. Uit deze operationele test kwam het volgende naar voren: Een groot deel van het integrale vergassingssysteem is klaar voor de duurtest. Met name de Bivkin vergasser (compleet), de koelers, de naverbrander en Gasreip zijn (na een paar kleine aanpassingen) klaar voor de start. Maar met het heetgasfilter en met Olga kan nog geen langdurig bedrijf gevoerd worden. Het heetgasfilter verstopte en was na enige tijd niet meer te reinigen. De verwachting is dat modificaties de problemen rond dit filter voor aanvang van de duurtest niet kunnen oplossen. Bij Olga is een modificatie van het oliecircuit rond de collector noodzakelijk. Gezien het resultaat van de inbedrijfstellingstest is besloten om het duurtestproject als volgt voort te zetten: • Olga zal worden gemodificeerd zodat de geconstateerde problemen worden opgelost. • Aanvullend zal Olga in het kader van “Olga Optimaal” al vóór aanvang van de duurtest geoptimaliseerd worden voor het afvangen en verwerken van grotere hoeveelheden stof in het productgas (oorspronkelijk zou dit na de duurtest plaatsvinden). • Als alternatief voor het heetgasfilter zal een “MirconseP Wringing Separator” worden getest. • Parallel aan bovenstaande acties is er (buiten het kader van de duurtest en voorlopig op WOB-schaal) een verkennend onderzoek uitgevoerd naar de verschijnselen die er optreden in het HeetGasFilter.

C.2

Vervolgtesten met de Bivkin installatie

De modificaties in het collectoroliesysteem zijn uitgevoerd in januari/februari 2005, zodat in maart 2005 een eerste vervolgtest uitgevoerd kon worden met het aanbieden van stofbeladen gas aan Olga in het kader van het project “Olga Optimaal”. Vóór Olga is ter verwijdering van stof een cycloon geplaatst waarmee ruwweg 90% van het stof wordt verwijderd. De rest van het stof (de fijnste fractie) gaat door naar de collector om daar in combinatie met teer uit het productgas te worden verwijderd. De test liet zien dat de inlaat van de collector vervuilde. Besloten werd om het inlaatstuk te verwijderen en in april 2005 zonder inlaatstuk opnieuw een test te doen. Het weglaten van het inlaatstuk had echter tot gevolg dat nu de collector zelf in de buurt van de inlaat vervuilde. Ook lieten de proeven zien dat er in de collector aerosolvorming optreedt als er stofbeladen gas in de collector wordt geleid. Om dit probleem op te lossen zullen deze aerosolen tussen de collector en de absorber uit het gas verwijderd moeten worden. Dit vergt een ombouw van de installatie. Na de testen in april is een betere inlaat ontworpen, is de collector schoon gespoeld en is er naast de cycloon een MicronseP stofafscheider geplaatst zie foto C1.

ECN-E--06-044

67

Tijdens een testrun in juni 2005 bleek dat de MicronseP onder productgas condities een stofvangst rendement had dat vergelijkbaar was met een gewone cycloon, en dat de MicronseP zeer snel verstopt ging zitten. Daarop is de MicronseP weer uit het systeem verwijderd.

Figuur C 1: Foto van de MicronseP tijdens montage Naar aanleiding van de teleurstellende resultaten van de vervolgtesten is in overleg met SenterNovem besloten dat er op labschaal aanvullend onderzoek noodzakelijk was om de problemen het hoofd te kunnen bieden.

C.3

Aanvullend lab-schaal onderzoek in de WOB

Om het duurgedrag van de belangrijkste component in OLGA, de collector, te valideren zijn er duurtesten met de OLGA collector op lab-schaal uitgevoerd. Er zijn drie proevenseries uitgevoerd: een 500 uurtest met een wasolie A en een 350 uurtest met een wasolie B, beide zonder stof in het gas (met voorgeschakeld heetgasfilter) en een 350 uurtest met wasolie B met stof in het gas (met voorgeschakelde cycloon, i.h.k.v. het project Olga Optimaal). Tijdens de eerste duurtest van 500 uur werden de zware teren zonder aerosolvorming in de collector met wasolie A als start vloeistof afgevangen. Daarbij bleek de biomassa teer de wasolie te vervuilen, wat tot complicaties rond het oliefilter leidde. Na 200 uur is het oliecircuit aangepast en kon de resterende 300 uur van de duurtest zonder problemen worden vervolgd. Om de problemen met vervuiling van wasolie te voorkomen is gezocht naar een alternatieve wasolie B. Met deze wasolie B is een tweede duurtest van 350 uur met de Olga collector uitgevoerd. Er bleek nu geen vervuiling van de wasolie B op te treden. De conclusie was dat bij gebruik van wasolie B als koelvloeistof teer beter wordt verwijderd dan bij gebruik van wasolie A. Na bovenstaande proeven met Olga op laboratoriumschaal met voorgeschakeld een heetgasfilter, is de lab-duurproef herhaald, maar nu niet met een heetgasfilter maar met een cycloon voor de collector, zodat de collector met stof beladen gas kreeg aangeboden. Uit deze duurtest van 350 uur kwam naar voren dat het systeem ook op gas met stof goed kan werken, maar dat ten gevolge van het stof in het gas aerosolvorming in de collector niet te voorkomen is. Tussen de collector en de absorber moet dus een aerosolvanger geplaatst worden. Voor een gedetailleerde rapportage wordt verwezen naar de rapportage van het project 7.5264: “Olga Optimaal”.

68

ECN-E--06-044

C.4

Ombouw Bivkin installatie; performance testen

Omdat uit de verschillende testen was gebleken dat er een aerosolvanger tussen de collector en de absorber van Olga geplaatst moest worden, is besloten om hiervoor in de Bivkin installatie het ESP (Electro Static Precipitator) te gebruiken dat reeds bij ECN aanwezig was. Door het verleggen van productgasleidingen kon dit ESP in het systeem tussen de collector en de absorber worden geschakeld. Half 2005 is het ESP tussen de collector en de absorber geplaatst en in oktober 2005 is een 24 uur test met de Bivkin pilot installatie uitgevoerd. Testconfiguratie: wasolie A in de collectorloop, het ESP tussen de collector en de absorber en een vernieuwde gasinlaat in de collector. Deze proef is goed verlopen, zodat in november een 50 uurtest is uitgevoerd met wasolie B in de collectorloop. Ook op Bivkin-schaal bleek wasolie B zeer goed te voldoen, zodat besloten is om de duurtest met wasolie B uit te voeren. Beide testen zijn in het kader van het project “Olga Optimaal” (7.5264) uitgevoerd en zullen in dat kader gerapporteerd worden. Uit beide testen is geconcludeerd dat de integrale Bivkin vergassingsinstallatie gereed was voor de duurtest. Daarmee kon in januari 2006 de duurtest daadwerkelijk starten.

ECN-E--06-044

69