Berekening van het rookgasdebiet in NEN-EN-ISO 16911

Transcriptie

1 ENERGY Berekening van het rookgasdebiet in NEN-EN-ISO Henrik Harnevie; Vattenfall Research and Development, Sweden David Graham; E.ON New Build & Technology, United Kingdom Frans Blank; DNV GL - Energy advisory, the Netherlands 20 november DNV GL e 20 Infodag november Regelgeving 2014 & Normalisatie Luchtemissies, Utrecht SAFER, SMARTER, GREENER

2 Samenvatting In de debietnorm NEN-EN-ISO is ook het berekenen van het rookgasdebiet opgenomen. Het door VGB, E.ON en Vattenfall gefinancierde validatie-onderzoek heeft hieraan ten grondslag gelegen. In deze presentatie wordt ingegaan op de berekeningsmethode, het validatieonderzoek en de eerste ervaringen met de jaarlijkse controle. Wanneer de berekeningsmethode als continue meetmethode wordt toegepast, moet deze jaarlijks worden gecontroleerd met de standaard referentiemethode. Er wordt ook een openbare Excel tool gemaakt, waarvan we het concept demonstreren. 2

3 Berekening van het rookgasdebiet in NEN-EN-ISO Inhoud Resultaten en waar zijn ze te vinden! Historie en achtergrond van het project Rookgasdebiet berekeningen gebaseerd op analyse Rookgasdebiet berekeningen gebaseerd op warmte input Resultaten validatie onderzoek Vastgestelde meetonzekerheid Thermodynamische berekeningen gebaseerd op warmte output De invloed van hoge water fracties in vaste brandstoffen Implementatie van berekeningen als continu meetsysteem Conclusies E.ON Elektriciteitscentrale; Maasvlakte Rotterdam 3

4 Resultaten en waar zijn ze te vinden! NEN-EN-ISO Stationary source emissions Manual and automatic determination of velocity and volume flow rate in ducts Part 1: Manual reference method in Annex E Calculation of flue gas volume flow rate from energy consumption VGB Validated methods for flue gas flow rate calculation with reference to EN at EN Water-tube boilers and auxiliary installations Part 15: Acceptance tests (Annex A) Bibliotheek van Celsus; Efeze Turkije CEMS 2014 Proceedings Continuous Flue Gas Flow Calculation in the New Standard EN ISO for volume flow rate in ducts 4

5 Historie en achtergrond van het project Bij vergelijking in de VGB European Working Group Emissions Monitoring constateerden we dat berekeningsformules voor rookgasdebiet verschillen tussen bedrijven en landen Bijvoorbeeld in Nederland hebben we officieel gepubliceerde berekeningsformules, welke afgeleid zijn van DIN1942 (DIN, 1979) In Zweden zijn er ongeveer 200 biomassa gestookte installaties die berekeningsmethoden gebruiken. Welke zijn opgenomen in het NOx belasting systeem In heel Europa zijn er verbrandingsinstallaties die het rookgasvolume berekenen Het is belangrijk dat nauwkeurige berekeningsmethoden beschikbaar zijn en wereldwijd kunnen worden toegepast. Houtsnippers verbranding 5

6 Rookgasdebiet berekeningen gebaseerd op analyse ; Uit de samenstelling: Stoichiometrisch V God = C H S O N Waarin: V God Flue gas volume (at K and kpa) m 3 /kg (per unit mass of fuel) G Flue Gas (combustion gas) o Stoichiometric d Dry (basis) C Carbon content of fuel (by mass) kg/kg H Hydrogen content of fuel (by mass) kg/kg N Nitrogen content of fuel (by mass) kg/kg S Sulphur content of fuel (by mass) kg/kg O Oxygen content of fuel (by mass) kg/kg Samenstelling is in veel gevallen niet bekend of analyses zijn onbetrouwbaar 6

7 Rookgasdebiet berekeningen gebaseerd op warmte input ; Uit de onderste verbrandingswaarde Vaste brandstoffen: V God = (1 - Ash - H2O ) (H (N) H2O ) m 3 /kg Ash Ash content of fuel (by mass) kg/kg H2O Water content of fuel (by mass) kg/kg Ash Ash content of fuel (by mass) kg/kg H (N) Net Calorific Value (as-received fuel) MJ/kg Vloeibare brandstoffen: V God = H (N) m 3 /kg Gasvormige brandstoffen: V God = H (N) m 3 /kg V God = H (N) (with H (N) in MJ/m 3 ) m 3 /m 3 Brandstof factor: S = V God / H (N) m 3 /MJ 7

8 Stoichiometric dry flue gas volume (Nm3/kg ) Stoichiometric dry flue gas volume (Nm3/kg ) Resultaten validatie onderzoek; gebaseerd op warmte input KEMA Dataset - Dry coal & biomass EN Stochio coal EN Stochio biomass EN formula 0,25437x-0,06018 Linear (Stochiometric calculation) Caloric value dry (MJ/kg) 8

9 Resultaten validatie onderzoek; gebaseerd op warmte input E.ON Hard Coal Database 10 8 VGod (m 3 /kg) Ex composition Ex NCV NCV (MJ/kg) 9

10 0,300 Brandstof factor voor alternatieve brandstoffen uit gemeten en berekende Onderste verbrandingswaarde (ECN Phyllis database) 0,280 0,260 0,240 0,220 FF analysis (bark) FF analysis (char from food industry) FF analysis (industrial sludge) FF analysis (brown coal) FF analysis (municipal waste) FF analysis (peat) FF analysis (recovered wood) FF analysis (straws and grass) FF analysis (untreated wood) FF milne (bark) FF milne (char from food industry) FF milne (industrial sludge) FF milne (brown coal) FF milne (municipal waste) FF milne (peat) FF milne (recovered wood) FF milne (straws and grass) FF milne (untreated wood) 0,

11 Vastgestelde meetonzekerheid Fuel factor; S Natural gas Fuel type Gas oil Fuel oil Hard coal m 3 /MJ at 0% O 2 dry K, kpa Relative Uncertainty, 95 % CI, (%)

12 Thermodynamische berekeningen gebaseerd op warmte output Bereken warmte output uit efficiëntie Vermenigvuldig warmte output met Brandstof factor Fuel Criterion (of flow rate) Gas 2.0 % Liquid 3.0 % Solid 7.5 % Flue gas flow Actual flow Stoichiometric flow (dry) V G [m 3 /s] V God [m 3 /s] = S x P th T [K] K P [kpa] kpa O 2, H 2 O 0% O 2, 0% H 2 O Voor uur of half-uur waarden Gebruik efficiëntie correcties Ketels presteren beter (efficiëntie > 90%) Fuel Input Power output m F [kg/s] P e [MW] P H (N) [MJ/kg] th [MW] = m F x H (N) = P e / h h [-] Net Calorific Value Process Heat release Gas Release S [m 3 /MJ] Thermal efficiency 12

13 De invloed van hoge water fracties in vaste brandstoffen V God = (1 - Ash - H2O ) (H (N) H2O ) m 3 /kg Tabel met relatieve onzekerheid van ±10 % in de water massa fractie: Fuel moisture (% mass fraction) Fuel factor, S, m 3 /MJ at 0 % O 2 dry Relative Uncertainty 95 % CI, (%) Erasmus brug 13

14 Implementatie van berekeningen als continu meetsysteem; Werkwijze NEN-EN-ISO Stationary source emissions Manual and automatic determination of velocity and volume flow rate in ducts Part 2: Automated measuring systems Berekening is toegestaan als een continue meettechniek wanneer NEN-EN-ISO Annex E wordt gebruikt. De berekeningen moeten worden geverifieerd met een QAL2 procedure en jaarlijks gecontroleerd met een AST procedure, beiden volgens NEN-EN Kalibratie volgens QAL2 is niet vereist. Het toegestane verschil tijdens de jaarlijkse toetsing is in de range van 5-10% QAL1 onzekerheid volgt de werkwijze uit Annex E QAL3 implementatie volgt uit brandstof en output metingen 14

15 Implementatie van berekeningen als continu meetsysteem; Vervolgonderzoek Een nieuw VGB Project is gestart in 2014: Compliance with new flue gas flow rate standards at power stations 2 Field trials for implementation and Quality Assurance Provide guidance on the choice of stack testing methods for use at coal and gas fired plant (new and existing) Public Excel tool to implement the Quality Assurance requirements Door: - E.ON New build & Technology, - Laborelec (GDF Suez), - Enel en - DNV GL - Energy advisory Veldtest bij gascentrale E.ON 15

16 Conclusies De rookgas berekening formules uit EN en nu NEN-EN-ISO zijn gevalideerd voor een grote range aan brandstoffen Direct uit de onderste verbrandingswaarde voor gas en olie: De constante Brandstof factor geeft een lage onzekerheid Voor vaste brandstoffen: Perfect voor ketels of met efficiëntie curves bij b bij elektriciteitsopwekking Ook voor mengsels zoals kolen en biomassa Gebruik de juiste Brandstof factor bij hoge water concentraties Nieuw VGB project brengt wereldwijde implementatie verder Goedkoop, betrouwbaar en relatief eenvoudig Obelisk van Theodosius 16

17 DANK U voor de aandacht Heeft u vragen? Frans.Blank@dnvgl.com Tel SAFER, SMARTER, GREENER 17