Prolemen 8.0 Het Ketelrendement Alemene inleidin: 8.1 Historie Toen oneveer 30 jaar eleden de eerste waterpijpketels oven de afvalverrandinsovens werden eouwd, estonden er no een speciaal voor dit doel ontwikkelde ketels. In die tijd werden de estaande ketelconcepten aanepast om oven afvalverrandinovens te worden eruikt. Omdat het doel van het ouwen van deze waterpijpketels oven ovens toen ook het produceren van stoom voor een turine eneratorset was, diende deze stoom droo, dus oververhit, te zijn. Om eneretische redenen en om te natte stoom aan het eind van de expansie in de turine te voorkomen, werd aan de stoom in oververhitters extra warmte toeevoed. Bij de eerste in AVI's toeepaste waterpijpketels heeft men een aantal prolemen niet voorzien. Een van deze prolemen is de, in dit oek elders eschreven, hoe temperatuur corrosie, die voornamelijk optreedt ten evole van Vanadium, Natrium en Zwavel in de rookassen. De oververhitters zijn zeer evoeli voor deze vorm van corrosie. Krinlooprendement Aan de ene kant estond de edachte al om in verand met het etere krinlooprendement de druk en temperatuur van de oververhitte stoom zo hoo moelijk op te voeren, zoals dit toen al ij centrale ketels eruikelijk was; aan de andere kant was het evaar van hoe temperatuur corrosie niet eheel onekend. Bij de meeste in die periode ontworpen waterpijpketels voor afvalverrandinsovens, lit de stoomdruk tussen 30 en de 50 ar en de oververhitte stoomtemperatuur tussen 360 ºC en de 420ºC. Hierij is het evaar voor hoe temperatuur corrosie redelijk eperkt. Bovendien was het krinloop rendement, ook wel het Rankine rendement enoemd, aanvaardaar in verelijkin met andere kolenestookte centrale ketels in die tijd. 8.1.1 De vereterin van het rendement De ontwikkelinen met etrekkin tot rendementsvereterin zijn niet stil lijven staan. Vooral ij de ketels van elektriciteitscentrales heen druk en temperatuur in de loop der jaren een forse stijin onderaan tot drukken van 230 ar en ijehorende oververhitte stoom temperaturen van 560 ºC. Het rendement van deze installaties vereterde hierdoor enorm. De inspanninen hiertoe zijn eenvoudi te verklaren. Door de steeds hoer wordende enerieprijzen, dus de prijzen van fossiele randstoffen en in epaalde periodes ook de schaarste hiervan, Paina 108
Enerieopwekkin Beschikaarheid werd in de loop van de jaren het rendement van de productieeenheden een steeds elanrijker factor ij het ontwerp. Het primaire doel ij elektriciteit centrales is immers enerieopwekkin teen een zo laa moelijke prijs. Bij de afvalverrandin lit dit wel wat anders. Daar is het primaire doel het verwerken van afval. De opewekte enerie kan weliswaar de uiteindelijke verwerkinsprijs per ton afval unsti eïnvloeden, maar dat heeft er ij de eldende enerieprijzen nooit toe eleid dat er sprake kon zijn van een positieve alans. Daar komt no ij dat in die tijd de elektriciteit productie edrijven een afhoudend eleid voerden ten aanzien van die cateorie edrijven, die we teenwoordi ook wel 'zelfopwekkers' noemen. Hieronder worden uiteraard ook AVI's erekend. De interesse voor enerie opwekkin uit afval ij zowel afvalverranders als ij elektriciteit productie edrijven was dus niet er root. Dit kwam omdat ij de afvalverrandin de enerieoprenst uiteindelijk een relatief klein deel uitmaakte van de verwerkinsprijs per ton afval Bij de elektriciteitsproductieedrijven kwam dit omdat de AVI's een voortdurend wisselende productie heen, afhankelijk van het aanod. Bovendien leverde de enerieproductie op landelijk niveau een sustantiële ijdrae. In deze situatie is teenwoordi echter veranderin ekomen. In de afelopen jaren, zeker sinds het veranderen van de structuur van de veroedin voor eleverde elektriciteit, zijn de inkomsten uit elektriciteit aanmerkelijk toeenomen. De eschikaarheid van AVI's lit nu rond de 90 % en is daarmee verelijkaar met de eschikaarheid van kolenestookte centrales. Bij nieuwe AVI's kan de eschikaarheid zelfs oplopen tot oven de 92 %. Een afvalverrandinsproces kan met ehulp van moderne technoloieën zodani eautomatiseerd worden dat een meer elijkmatie verrandin met een daaruit volende constante stoomproductie wordt ereikt. De hoeveelheid te verranden afval neemt no steeds toe, mede door het overheidseleid dat het storten van niet herruikaar randaar afval teenaat. Daar komt no ij dat het alemene esef roeit om maximale enerieteruwinnin na te streven. Dit leidde ertoe dat de afvalverrandin als kleine eneriecentrale aan elan wint. Momenteel wordt er ij AVI's in Nederland dan ook zonder meer van uiteaan dat er elektriciteit wordt opewekt Hier zijn slechts enkele uitzonderinen op. Dit zou dan, al dan niet in eien installaties, in cominatie met stadsverwarmin of andere vormen van warmte afzet, moeten eeuren. Niet voor niets worden de AVI's als enerieproducenten erkend. Stadsverwarmin edrijven tonen in toenemende mate elanstellin voor de warmte die door de AVI's eleverd kan worden. Paina 109
8.1.2 De stoomketel Alternatieven De verhoin van stoomdruk en temperatuur heeft zijn eperkinen. De voornaamste eperkin voor eneriecentrales lit ij de sterkte van turineschoepen ij hoe temperaturen, terwijl de eperkin ij afvalverrandinsketels meer lit ij de oververhitters van de ketels. Toenemende wandtemperatuur eeft meer kans op hoe- temperatuur corrosie. In de verrandinswereld overheerst het toepassen van een stoomdruk van 40 ar en een stoomtemperatuur van 400 ºC no steeds. De redenen hiervan zijn reeds enoemd. Incidenteel worden hier en daar wel installaties eouwd met hoere stoomdruk en temperatuur. Toch zal er een afwein moeten worden emaakt tussen de hoere oprenst aan enerie en de moelijk kortere levensduur van oververhitters of de hoere investerin voor andere materialen. Daarom is het de moeite waard na te denken over alternatieven om de stoomtemperatuur te verhoen. Hieronder zal een aantal moelijkheden worden enoemd die afwijken van de traditionele denkwijze. Het etreft technieken en methoden die in Nederland en vaak ook in het uitenland, no een toepassin vonden. De opsommin is uiteraard zuiver indicatief, maar misschien kan het een aanzet zijn om het traditionele denken op dit eied te doorreken. 1. Andere materialen voor oververhitters, zoals oververhitter pijpen van duplexstaal, waarij de uitenmantel van corrosievast materiaal is uitevoerd, worden onder meer in een AVI in Baltimore USA toeepast 2. Oververhittin van stoom uiten de ketel met ehulp van afassen van een asturine die een enerator aandrijft. 3. Oververhittin van stoom uiten de ketel door middel van een asrander, eventueel estookt op een mensel van aardas en ioas. 4. Oververhittin van stoom uiten de ketel met ehulp van een olierander die afewerkte olie verrandt, of een mensel van afewerkte olie en aardolie. 8.1.3 Rendement vereterin Het netto elektrisch rendement van een moderne afvalverrandinsinstallatie edraat 20 tot 25 %. Voor een kolencentrale eldt een netto rendement van circa 40 %. Door een aantal oorzaken, die alle zijn teru te voeren op het heteroene karakter en de chemische samenstellin van het afval, zijn de verliezen ij afvalverrandin roter. Het elektrisch rendement van een afvalverrandinsinstallatie is in principe te vereteren door een vereterin van het ketelrendement Paina 110
of een vereterin van het cyclusrendement van de stoomturineinstallatie. Het ketelrendement is te vereteren door de volende maatreelen: - Verhoin temperatuur verrandinslucht. - Verlain van de luchtfactor tot 1,6 - Een eperkin van de rookasverliezen is moelijk door een verlain van de luchtovermaat Een luchtfactor van 1,8 is zondermeer haalaar. Bij een luchtfactor van 1,6 zal het afval voor een volledie verrandin moeten worden ehomoeniseerd, dit eeurt teenwoordi dan ook. - Rookasrecirculatie Door rookasreciculatie is een luchtfactor van 1,6 moelijk zonder dat voorewerkin van het afval nodi is. Recirculatie van 10 tot 20 % van de rookassen is oed te realiseren - Verlain van de rookas uittredetemperatuur. Een verlain van de temperatuur van de rookassen tot circa 180 ºC is in moderne ketels zondermeer moelijk. Teruverdientijd Menin De economische haalaarheid is te vertalen in teruverdientijden die in de orde van rootte lien van drie jaar. Een uitzonderin hierop vormt de homoeniserin van afval middels een mechanische relatief kostare ewerkin om te komen tot een luchtfactor van 1,6. Door een oede menin van het afval is naar verwachtin een luchtfactor van 1,6 te enaderen. Goede instructies voor de kraanmachinist zijn dus ook uit eneretisch oopunt na te streven. De vereterin van de proceseheersin van de verrandin stookautomaat waardoor met laere luchtovermaat wordt verrand, is verder aan te evelen. Dit heeft ovendien een nutti effect op de vormin van schadelijke stoffen. Zo eperkt een lae luchtovermaat ecomineerd met een oede proceseheersin de vormin van dioxinen. Ook wanneer er technische moelijkheden zijn om de rookas uittredetemperatuur te verlaen, is deze aanpassin nutti. Paina 111
8.2 Theoretische eschouwin van het ketelrendement Het rendement van de ketel zet iets over hoe oed de ketel zijn werk doet. Men kan simpelwe zeen dat wanneer er veel van de aan de ketel toeevoerde warmte wordt omezet in ijvooreeld een epaalde stoomproductie met ijehorende temperatuur, het rendement hoo zal zijn. Maar wat is nu veel en weini, ij een ketel zouden we moeten rekenen op een rendement van minimaal 90 %. Tenminste uitaande van volle elastin. Het rendement is namelijk afhankelijk van de elastin van de ketel. In afeeldin 1 is het ketelrendement afezet als functie van de elastin. 92 ketelrendement 91 90 89 88 87 86 20 40 60 80 100 elastin in % Af. 1 Verand tussen rendement en elastin. Uit de afeeldin lijkt dat de ketel vele rendementen heeft, we zullen dus moeten aaneven ij welke elastin het rendement eldt. Is niet specifiek de elastin opeeven dan wordt 100 procent elastin edoeld. Paina 112
Conventioneel Als ekeken wordt naar de conventionele estookte ketelinstallaties dan werd op een emakkelijke manier het ketelrendement epaald met de volende formule: h h s os vw η k = Ho 100 % Waarin η k = het ketelrendement in procenten. &m s = de stoomproductie van de ketel in k/s. h os = de enthalpie van de oververhitte stoom in kj/k. h vw = de enthalpie van het voedinwater dat aan de economizer wordt toeevoerd in kj/k. &m = de toeevoerde randstofhoeveelheid in k/s. H o = de stookwaarde van de randstof in kj/k. DIN 1942 Op deze manier werd snel het rendement van de ketel epaald. Aanezien deze manier te veel speelruimte had werd het ketelrendement volens DIN-norm 1942 inevoerd. In deze norm wordt de toeevoerde enerie aan de ketel duidelijk omschreven, dus wat nu wel en wat een toeevoerde enerie is. Toeevoerde enerie aan de ketel. Wanneer de verstuivinsstoom voor een eventuele rander en een stoomluvo uiten eschouwin elaten wordt, dan is de toeevoerde enerie: rstf = H o + r c t tr = M c t t lucht lpr l l r toe = rstf + lucht + P circpomp = H + c t t + M c t t + P toe o r lpr l l r circpomp Waarin: &m = het randstofverruik in k/s; H o = stookwaarde van de randstof in kj/k; c = soortelijke warmte van de randstof in kj/k K; t = randstoftemperatuur in C ; t r = de richttemperatuur in C = volens DIN 1942 25 C ; M lpr = de werkelijke hoeveelheid lucht die per k randstof wordt toeevoerd in k lucht/ k randstof; c l = soortelijke warmte van de lucht in kj/k.k; t l = de temperatuur van de lucht na de ketelfan in C ; P circ = het enodide vermoen om de circulatiepomp aan te drijven in kw. Paina 113
De verliezen die in rekenin moeten worden eracht. Bij een afvalestookte ketel heen we met een aantal verliezen te maken die in rekenin dienen te worden eracht. Deze verliezen zijn: - Het schoorsteenverlies. = c t t sv r - Het stralinsverlies 0,7 = k stralin toe - Het verlies door onverrand. vol CO CO = V& % H CO 100 - Het verlies met de. = c t t r - Het verlies met het vlieas. = c t vlieas vlieas vlieas vlieas tr - Het verlies met het water. = h h voedinwater Hierin is: = De massa rookassen in k/s c = De soortelijke warmte van de in kj/kk c = De soortelijke warmte van de vlieas in kj/kk vlieas vlieas = De massa vlieas in k/s = De massa water in k/s h = De enthalpie van het water in kj/k h voedinwater = De enthalpie van het voedinwater voor de eco in kj/k V & = Het volume droe rookassen in m 3 /s H CO = De stookwaarde van CO in MJ/m 3 vol % CO = Het volume percentae CO in de droe rookassen Paina 114
De DIN Norm 1942 rekent altijd met de volende waarden: Soortelijke warmte water c w = 4,19 kj/kk Soortelijke warmte stoom c d = 1,86 kj/kk Soortelijke warmte lucht c l = 1,005 kj/kk Soortelijke warmte rookas c = 1,0 kj/kk Soortelijke warmte aardas c a = 2,2 kj/kk Richttemperatuur t r = 25 C Soortelijke warmte vlieas c vlie = 0,84 kj/kk Soortelijke warmte c = 1 kj/kk Stookwaarde CO H CO = 12,633 MJ/m 3 De k factor k = 0,0113 We kunnen nu drie verschillende ketelrendementen noemen, te weten: 1 Het eenvoudie rendement s hos hvw η k = 100 % H o 2 Het rendement volens de directe methode openomen η = direct 100% toe 3 Het rendement volens de indirecte methode. = 1 verlies η indirect 100% toe Onder openomen warmte wordt verstaan: - Warmte die door de ketel openomen wordt om oververhitte stoom te maken uit voedinwater. - Warmte die het water openomen heeft in de ketel uit het voedinwater. Paina 115
Rekenvooreeld. Van een afval estookte ketel is het volende ekend: De emiddelde samenstellin van het afval: - Het massapercentae Koolstof edraat : 18 % - Het massapercentae Waterstof edraat : 4 % - Het massapercentae Zwavel edraat : 2 % De ketel levert 85 ton oververhitte stoom per uur. Stoomcondities : p os = 40 ar t os = 420 ºC s = 85 ton/uur p vs = 44 ar Voedinwater condities : t vw = 140 ºC p vw = 46 ar Spuiwater : = 2 ton/uur Afval : = 28 ton/uur c = 2 kj/kk t = 50 ºC Lucht : t l = 30 ºC p l = 1 ar λ = 1,7 Slak : = 0,25 k/s t = 500 ºC Vlieas : vlieas = 0,03 k/s t vlieas = 180 ºC Rookastemperatuur : t = 250 ºC CO percentae : %CO = 0,01 % Gevraad: Het ketelrendement volens: - De eenvoudie manier - De directe methode - De indirecte methode. Paina 116
Oplossin: Uit de stoomtael vinden we de volende eevens: Verzadide stoom. 44 ar : h vs = 2798,3 kj/k t vs = 256 ºC h water = 1115,4 kj/k Oververhitte stoom. 40 ar, 420 ºC : h os = 3262,3 kj/k Voedinwater. 46 ar, 140 ºC : h vw = 591,9 kj/k Voor het afval kunnen we het volende erekenen. De Stookwaarde van het afval. % O H 0 = 340 % C + 1440 % H + 105 % S 25 9 % H + % W kj/k 8 Inevuld levert dit op: 0 H 0 = 340 18 + 1440 4 + 105 2 25 9 4 + 0 = 11.190 kj/k 8 De hoeveelheid enodide lucht. 1 8 % O M lpr = λ % C + 8 % H + % S} klucht/k afval 23 3 8 Inevuld ij een luchtfactor van 1,7 levert dit op: 1 8 23 3 0 8 M = 1,7 18 + 8 4 + 2} = 6,06 k lucht/ k afval lpr De massa rookassen dat de ketel verlaat. m & = + l = + M lpr 28.000 0,25 28.000 28.000 = + 6,06 = 52,9 k/s Paina 117
1 Het ketelrendement op de eenvoudie manier. h h = H η k s os vw o 100 % Inevuld: 85 3262,3 591,9 = 100% η k = 80,49 % 28 10071 2 Het ketelrendement volens de directe methode. η η direct direct = = openomen toe H 0 100% s + h os c h t vw + t r + h M h lpr vw c l t l t r 100% η direct = 28000 85000 2000 3262,3 591,9 + 1115,4 591,9 100% 28000 28000 10071+ 2 50 25 + 6,06 1,005 30 25 η direct = 80,22 % 3 Het ketelrendement volens de indirecte methode. verlies η = 1 indirect 100% toe We erekenen nu eerst de afzonderlijke verliezen. Het schoorsteen verlies. sv = c t tr = 52,9 1,0 250 25 = 11902,5 kw sv Het stralins verlies = 78955,7 kw uit de vooraande formule toe 0,7 stralin = k toe stralin stralin = 0,0113 78955,7 = 30,28 kw 0,7 Paina 118
Het verlies door onverrand. CO = V& vol % CO H 100 CO Het volume droo rookas volt uit: { V + V + V V 2} V & = + m 3 0/s CO2 SO2 N 2 O 22,4 % C V CO 2 = 12 100 22,4 18 V CO2 = 12 100 = 0,336 m 3 0/k 22,4 % S V SO 2 = 32 100 22,4 2 V SO2 = 32 100 = 0,014 m 3 0/k 79 22,4 % C V N 2 = λ + 21 12 100 79 22,4 18 V N 2 = 1,7 + 21 12 100 V = 3,67 m 3 0/k N 2 22,4 4 22,4 4 % H 100 4 100 + + 22,4 32 22,4 32 % S 100 2 100 22,4 % C V O 2 = λ 1 12 100 + 22,4 % H 4 100 + 22,4 % S 32 100 22,4 18 22,4 4 V O2 = 1,7 1 + 12 100 4 100 V = 0,4018 m 3 0/k O2 Hieruit volt het volume droe rookassen. { V + V + V V 2} V & = + CO2 SO2 N 2 O + 22,4 32 28000 V & = { 0,336 + 0,014 + 3,67 + 0, 4018} V & = 34,39 m 3 0/s 2 100 Paina 119
Het verlies door onverrand wordt nu: vol CO CO = V& % H 100 0,01 CO = 34,39 12633 100 = 43,44 kw CO CO Het verlies met de : = c t t r 28000 = 0,25 1 500 25 = 923 kw Het verlies met het vlieas: = c t vlieas vlieas vlieas vlieas tr 28000 vlieas = 0,03 0,84 180 25 = 30,38 kw vlieas Het verlies met het water: = h hvoedinwat er 2000 = = 290,8 kw 1115,4 591, 9 Hieruit volt het totale verlies: = 11902,5 + 30,28 + 43,44 + 923 + 30,38 + 290,8 = 13219,94 kw verlies Het indirecte rendement edraat nu: η indirect η indirect 1 verlies 100% = toe 13219,9 = 1 100% 78955,7 η indirect = 83,25 % Paina 120
Conclusie uit dit verhaal is dat het wel deelijk uitmaakt hoe het erekend wordt, ook al lijkt dit op het eerste ezicht niet zo. Het rote verschil zit hem in het schoorsteenverlies en het verlies door onverrand. Als de rookastemperatuur en het CO percentae toeneemt daalt het ketelrendement er sterk. Paina 121