23
Panndagarna 2011 Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, tändvillighet och sintring 9-10 februari S:t Gertrud Konferens Malmö Johan Wadenbäck Chemistry & Materials

Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

Panndagarna 2011

Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen -Malbarhet, tändvillighet och sintring

9-10 februari

S:t Gertrud Konferens Malmö

Johan WadenbäckChemistry & Materials

Page 2: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

Outline

1. Background

2. Scope of the EXAS project

3. Grindability

2 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

3. Grindability

4. Ignitability

5. Sintering

Page 3: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

1. Background

The demand of an extensive CO2 reduction indicates, that many qualities of biomass will be utilized in power plant boilers in the future

• The biomass will be used alone or together with coals as co-firing

• The grindability properties for biomass (or biomass/coal blends) are not characterized by the current ”standard – classic” methods

3 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

characterized by the current ”standard – classic” methods

• The combustion processes for biomass or biomass/coal blends are not characterized by the current ”standard – classic” methods

• Fly-ash deposits at ”low” temperatures (Sintering) can cause trouble with biomass firing

Page 4: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

2. Scope of the EXAS project (1)

• Purchase of three lab-scale apparatus developed by Prof. śelkowski, Berg, Wadenbäck et al. for the determination of grindability-, sintring- and ignitiability properties of solid fuels

– Installation in the fuel laboratory at the Amager Power Plant in Copenhagen

4 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

• Initial evaluation of the hardware with a three solid fuels; coal, straw- and wood pellets

– The results are compared with full-scale experiences in Vattenfall

• Further evaluation of solid fuels and solid fuel blends used within Vattenfall such as torrified- or steam exploded biomass etc.

continues…

Page 5: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

2. Scope of the EXAS project (2)

continues…

• The novel methods are intended to be incorporated into the “routine analysis toolbox” of solid fuels

• Different parts of Vattenfall will gain experience from the project through reference group attendance as well as seminars/workshops/reports

5 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

reference group attendance as well as seminars/workshops/reports – In addition: The possibility to test additional solid fuels and solid fuel

blends relevant for different parts of Vattenfall

• The novel methods are applied prior to introduction of new and unfamiliar solid fuels at power plants throughout Vattenfall

• Ackreditaded analyses and standardization?

Page 6: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

• Simple test with simple device

• 8 steel balls overroll 60 times a 50 g sample of the fraction

• 0.600-1.18 mm

• The mass M [g] of the produced material finer than 75 µm

determines the HGI

3. Grindability – Hardgrove index (HGI)

6 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

determines the HGI

13 6.93HGI A B M M= + ⋅ ≈ +

Page 7: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

3. Grindability – CMT-mill principle

Feed (Mahlgut)Ground material

Suspended particles(staub)

airsieve

Measuring

0,15

0,2

0,25

m(S

taub

) /

m(M

ahlg

ut)

Mahlgut

7 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

E

Recycled material

Raw sample

Modeling of the recycling in a large mill

0

0,05

0,1

0 2 4 6Durchlaufzahl

m(S

taub

) /

m(M

ahlg

ut)

Staub

Page 8: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

3. Grindability - The EXAS CMT-mill

8 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

Page 9: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

3. Grindability – Solid fuels tested so far…

Characteristic particle size vs. energy in the CMT- mill

100

E [k

Wh/

ton

solid

fuel

] Black pelletsWood pellets

Straw pellets

9 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

1

10

0 200 400 600 800 1000 1200

Characteristic particle size, ds [µm]

E [k

Wh/

ton

solid

fuel

]

Coal

Page 10: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

• Loesche mill

• 3 installed in Unit 1 on Amager CHP

• Samples can be taken before and after the mill

3. Grindability – Correlation with full scale (1)

10 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials | 10

• The grinding energy and capacity can be recorded

Page 11: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

3. Grindability – Correlation with full scale (2)

Good correlation!

11 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials | 11

Page 12: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

4. Ignitability – Combustion principles

12 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

Loo and Koppejan 2008

Page 13: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

At the moment: No standardized methods

The EXAS method: Ignitability index „Zündwilligkeitszahl“ (Zelkowski):

Ignition(tZünd)

Recirculation(tRez)

The Ignitability index can be interpreted in praxis as the ability of a fuel to develop and maintain a stabile “strong” flame.

4. Ignitability – Ignitability Index

13 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

The Ignition Temperature of a cloud of suspended fu el particles (tZ150 in °C)

(which models the initial stages in the combustion process), the temperature of the gases, of a defined particle size probe, which is injected in a defined gas environment and ignites after 150 msec.

°⋅=

CKohlekg

MJ

t

NZWZ

Z

Z

150

500

Ignitability IndexThe Ignition potential N z500 (in MJ/kg solid fuel)

is the chemical energy per kg, which is released (volatile matter) from a dry solid fuel up to 500 °C.

Page 14: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

4. Ignitability – Ignitability oven

14 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

Page 15: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

4. Ignitability – TU Clausthal / E2

15

20

25Zü

ndw

illigk

eits

kenn

zahl

ZW

Z k

J/(k

g*°C

)SteinkohlenBraunkohlenENERGIEKohlenBIOMASSEN Rusva-Spitzbergen

Kisselewsky

Poduff

Holz

15

20

25Zü

ndw

illigk

eits

kenn

zahl

ZW

Z k

J/(k

g*°C

)SteinkohlenBraunkohlenENERGIEKohlenBIOMASSEN Rusva-Spitzbergen

Kisselewsky

Poduff

Holz

15 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

0

5

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

flüchtige Bestandteile F(i.waf) %

Zünd

willi

gkei

tske

nnza

hl

ZWZ

kJ/

(kg*

°C)

ADARO

Poduff

Stroh

0

5

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

flüchtige Bestandteile F(i.waf) %

Zünd

willi

gkei

tske

nnza

hl

ZWZ

kJ/

(kg*

°C)

ADARO

Poduff

Stroh

Page 16: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

4. Ignitability – EXAS ignitability oven

Ignitability oven

16 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

Jenkner device

Page 17: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

6. Ignitability – Some results…

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

nd

ze

it [m

sec]

BP1

RuPod60%+BP40%

RuPod80%+BP20%

RuPod 100%

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

nd

ze

it [m

sec]

BP1

RuPod60%+BP40%

RuPod80%+BP20%

RuPod 100%

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

nd

ze

it [m

sec]

BP1

RuPod60%+BP40%

RuPod80%+BP20%

RuPod 100%

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

nd

ze

it [m

sec]

BP1

RuPod60%+BP40%

RuPod80%+BP20%

RuPod 100%

100% Fuel 2

60/40 Fuel 1/Fuel 2

80/20 Fuel 1/Fuel 2

100% Fuel 1

17 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Temperatur im Ofen °C

nd

ze

it [m

sec]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Temperatur im Ofen °C

nd

ze

it [m

sec]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Temperatur im Ofen °C

nd

ze

it [m

sec]

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Temperatur im Ofen °C

nd

ze

it [m

sec]

Page 18: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

6. Ignitability – Some more results…

Zündtemperatur tz(150)

680

700

720

740

760

780

800

820

840

tz(1

50)

[°C]

d(Probe) < 63 µm

d(Probe)

d(Probe) < 200 µm

d(Probe)

Zündtemperatur tz(150)

680

700

720

740

760

780

800

820

840

tz(1

50)

[°C]

d(Probe) < 63 µm

d(Probe) < 200 µm

d(Probe) < 200 µm

d(Probe)

Zündtemperatur tz(150)

680

700

720

740

760

780

800

820

840

tz(1

50)

[°C]

d(Probe) < 63 µm

d(Probe)

d(Probe) < 200 µm

d(Probe)

Zündtemperatur tz(150)

680

700

720

740

760

780

800

820

840

tz(1

50)

[°C]

d(Probe) < 63 µm

d(Probe) < 200 µm

d(Probe) < 200 µm

d(Probe)

d(Probe)

< 200 µm

Zündtemperatur tz(150)

680

700

720

740

760

780

800

820

840

tz(1

50)

[°C]

d(Probe) < 63 µm

d(Probe)

d(Probe) < 200 µm

d(Probe)

Zündtemperatur tz(150)

680

700

720

740

760

780

800

820

840

tz(1

50)

[°C]

d(Probe) < 63 µm

d(Probe) < 200 µm

d(Probe) < 200 µm

d(Probe)

Zündtemperatur tz(150)

680

700

720

740

760

780

800

820

840

tz(1

50)

[°C]

d(Probe) < 63 µm

d(Probe)

d(Probe) < 200 µm

d(Probe)

Zündtemperatur tz(150)

680

700

720

740

760

780

800

820

840

tz(1

50)

[°C]

d(Probe) < 63 µm

d(Probe) < 200 µm

d(Probe) < 200 µm

d(Probe)

d(Probe)

< 200 µm

16Nz(500) MJ/kg14

16Nz(500) MJ/kg

16Nz(500) MJ/kg14

16Nz(500) MJ/kg

18 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

660

680

RuPod 1 100%

80%RuPod+20%Black

Pellets

60%RuPod+40%Black

Pellets

100%BlackPellets

d(Probe) < 200 µm d(Probe)

< 200 µm660

680

RuPod 1 100%

80%RuPod+20%Black

Pellets

60%RuPod+40%Black

Pellets

100%BlackPellets

< 200 µm d(Probe) < 200 µm

660

680

RuPod 1 100%

80%RuPod+20%Black

Pellets

60%RuPod+40%Black

Pellets

100%BlackPellets

d(Probe) < 200 µm d(Probe)

< 200 µm660

680

RuPod 1 100%

80%RuPod+20%Black

Pellets

60%RuPod+40%Black

Pellets

100%BlackPellets

< 200 µm d(Probe) < 200 µm

660

680

RuPod 1 100%

80%RuPod+20%Black

Pellets

60%RuPod+40%Black

Pellets

100%BlackPellets

d(Probe) < 200 µm d(Probe)

< 200 µm660

680

RuPod 1 100%

80%RuPod+20%Black

Pellets

60%RuPod+40%Black

Pellets

100%BlackPellets

< 200 µm d(Probe) < 200 µm

660

680

RuPod 1 100%

80%RuPod+20%Black

Pellets

60%RuPod+40%Black

Pellets

100%BlackPellets

d(Probe) < 200 µm d(Probe)

< 200 µm660

680

RuPod 1 100%

80%RuPod+20%Black

Pellets

60%RuPod+40%Black

Pellets

100%BlackPellets

< 200 µm d(Probe) < 200 µm

Fuel 1: 100% 80% 60% 0%

Fuel 2: 0% 20% 40% 100%

4

6

8

10

12

14

Ru

Po

d 1

10

0 %

80

%R

uP

od

+

20

%B

lac

k

Pe

llets

60

%R

uP

od

+

40

%B

lac

k

Pe

llets

10

0%

Bla

ck

Pe

llets

Nz(500) MJ/kg

ZWZ kJ/(kg*[°C])

4

6

8

10

12

14

Ru

Po

d 1

10

0 %

80

%R

uP

od

+

20

%B

lac

k

Pe

llets

60

%R

uP

od

+

40

%B

lac

k

Pe

llets

10

0%

Bla

ck

Pe

llets

ZWZ kJ/(kg*[°C])

4

6

8

10

12

14

Ru

Po

d 1

10

0 %

80

%R

uP

od

+

20

%B

lac

k

Pe

llets

60

%R

uP

od

+

40

%B

lac

k

Pe

llets

10

0%

Bla

ck

Pe

llets

Nz(500) MJ/kg

ZWZ kJ/(kg*[°C])

4

6

8

10

12

14

Ru

Po

d 1

10

0 %

80

%R

uP

od

+

20

%B

lac

k

Pe

llets

60

%R

uP

od

+

40

%B

lac

k

Pe

llets

10

0%

Bla

ck

Pe

llets

ZWZ kJ/(kg*[°C])

Fuel 1:100% 80% 60% 0 %

Fuel 2: 0% 20% 40% 1 00%

Page 19: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

Often used methods: Leitz-Method: Determination of the ash-melting behavior (Influence of the temperature : e.g. DIN 51730, CEN/TS 15370);Change in physical form of a relatively fast (10 K/min) heated ash probe.

5. Sintering – Classic analysis of ash melting

19 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

The EXAS Method: Determination of ash melting properities: Influence of the temperatureand time on the physical- and mechanical properties of an ash probe.

Page 20: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

5. Sintering – EXAS sintering oven

20 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

Manufacturing ofash pellets

>17 hoursin oven

Strength of pellets

Page 21: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

Presentation of solid fuel results – An example

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50Asche(wf)

Fl.Best,(wf)

C(i.waf)HGI

Dichte

RuPod 1Black Pellets

0 ,0 0

0 ,2 5

0 ,5 0

0 ,7 5

1 ,0 0

1 ,2 5

1 ,5 0A s c he (w f )

F l.B e s t,(w f )

C (i.w af )HG I

D ic hte

R uP o d 1B lac k P e lle ts

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50Asche(wf)

Fl.Best,(wf)

C(i.waf)HGI

Dichte

RuPod 1Black Pellets

0 ,0 0

0 ,2 5

0 ,5 0

0 ,7 5

1 ,0 0

1 ,2 5

1 ,5 0A s c he (w f )

F l.B e s t,(w f )

C (i.w af )HG I

D ic hte

R uP o d 1B lac k P e lle tsFuel 1 Fuel 2

1,00

1,20

1,40Rel m(Br)

100% RuPud

80% RuPod+20%BP1l

60%RuPod+40%BP11,00

1,20

1,40Rel m(Br)

100% RuPud

80% RuPod+20%BP1l

60%RuPod+40%BP1

100% Fuel 1

80/20 Fuel 1/Fuel 2

60/40 Fuel 1/Fuel 2

21 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

H(waf)

S(waf)

Hu(wf)H(w af)

S (waf )

Hu(w f)H(waf)

S(waf)

Hu(wf)H(w af)

S (waf )

Hu(w f)

0,40

0,60

0,80

1,00

Hu(mittl)(i,wf)

A(i,wf)F(wf)

tz(150)

60%RuPod+40%BP1

0,40

0,60

0,80

1,00

Hu(mittl)(i,wf)

A(i,wf)F(wf)

tz(150)

Page 22: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

Acknowledgements

• Prof. śelkowski, TU Clausthal

• Mogens Berg, Vattenfall

• Nader Padban, Vattenfall

• The laboratory staff at AMV

22 | Panndagarna 2011, 9-10 February, Malmö | Malbarhet, sintring och tändvillighet | Johan Wadenbäck, Chemistry & Materials |

• Troels Christansen, DTU

• Mr, Schäfertöns, SBS, Braunschweig

• Etc.

And the work goes on…

Page 23: Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet ... · Nya karaktäriseringsmetoder för fasta bränslen - Malbarhet, ... • The combustion processes for biomass or

Thank you for your attention!

02/22/10 | EXAS - EXpanded Analysis of Solid Fuels | 23