Berekening van het rookgasdebiet in NEN-EN

ENERGY
Berekening van het rookgasdebiet in
NEN-EN-ISO 16911
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 2014
1
DNV GL © 2013
9e
Regelgeving
& Normalisatie Luchtemissies, Utrecht
20 Infodag
november
2014
SAFER, SMARTER, GREENER
Samenvatting
In de debietnorm NEN-EN-ISO 16911 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
DNV GL © 2013
20 november 2014
Berekening van het rookgasdebiet in NEN-EN-ISO 16911
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
3
DNV GL © 2013
20 november 2014
E.ON Elektriciteitscentrale; Maasvlakte Rotterdam
Resultaten en waar zijn ze te vinden!
 NEN-EN-ISO 16911-1 “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 12952-15” at www.vgb.org/vgbmultimedia/rp338_flue_gas.pdf
 EN 12952-15 “Water-tube boilers
and auxiliary installations –
Part 15: Acceptance tests” (Annex A)
 CEMS 2014 Proceedings “Continuous
Flue Gas Flow Calculation
for volume flow rate in ducts”
4
DNV GL © 2013
20 november 2014
Bibliotheek van Celsus; Efeze Turkije
in the New Standard EN ISO 16911
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
DNV GL © 2013
20 november 2014
Rookgasdebiet berekeningen gebaseerd op “analyse”;
Uit de samenstelling: Stoichiometrisch
VGod = 8.8930 C + 20.9724 H + 3.3190 S - 2.6424 O + 0.7997 N
 Waarin:
– VGod Flue gas volume (at 273.15K and 101.325 kPa)
m3/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
DNV GL © 2013
20 november 2014
Rookgasdebiet berekeningen gebaseerd op “warmte input”;
Uit de onderste verbrandingswaarde
 Vaste brandstoffen:
VGod = -0.06018 (1 - Ash - H2O) + 0.25437 (H(N) + 2.4425 H2O)
m3/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:
VGod = 1.76435 + 0.20060 H(N)
m3/kg
 Gasvormige brandstoffen:
VGod = 0.64972 + 0.22553 H(N)
m3/kg
VGod = 0.2 + 0.234 H(N) (with H(N) in MJ/m3)
m3/m3
 Brandstof factor:
S = VGod / H(N)
7
DNV GL © 2013
20 november 2014
m3/MJ
Resultaten validatie onderzoek;
gebaseerd op “warmte input”
KEMA Dataset - Dry coal & biomass
Stoichiometric dry flue gas
volume (Nm3/kg )
EN 12952 Stochio coal
EN 12952 Stochio biomass
EN formula 0,25437x-0,06018
Linear (Stochiometric calculation)
12
10
8
6
4
2
0
0
8
DNV GL © 2013
5
20 november 2014
10
15
20
25
30
Caloric value dry (MJ/kg)
35
40
45
Resultaten validatie onderzoek;
gebaseerd op “warmte input”
E.ON Hard Coal Database
10
3
VGod (m /kg)
8
6
Ex composition
4
Ex NCV
2
0
10
9
DNV GL © 2013
15
20 november 2014
20
25
NCV (MJ/kg)
30
35
0,300
Brandstof factor voor alternatieve brandstoffen uit gemeten en
berekende Onderste verbrandingswaarde (ECN Phyllis database)
0,280
0,260
0,240
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)
0,220
0,200
1
10
DNV GL © 2013
20 november 2014
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)
Vastgestelde meetonzekerheid
Fuel type
11
Fuel factor; S
Natural
gas
Gas oil
Fuel oil
Hard coal
m3/MJ at 0% O2 dry
273.15 K, 101.325 kPa
0.240
0.244
0.248
0.256
Relative Uncertainty,
95 % CI, (%)
 0.7
 1.0
 1.0
 2.0
DNV GL © 2013
20 november 2014
Thermodynamische berekeningen gebaseerd op “warmte output”
 Bereken warmte output uit efficiëntie
 Vermenigvuldig warmte output met Brandstof factor
Flue gas flow
Fuel
Criterion
(of flow rate)
Gas
≤ 2.0 %
Liquid
≤ 3.0 %
Solid
≤ 7.5 %
Actual flow
3
Stoichiometric flow (dry)
3
VG [m /s]
VGod [m /s] = S x Pth
T [K]
273.15 K
P [kPa]
101.325 kPa
O2, H2O
0% O 2 , 0% H 2 O
 Voor uur of half-uur waarden
 Gebruik efficiëntie
correcties
 Ketels presteren
beter (efficiëntie
> 90%)
12
DNV GL © 2013
20 november 2014
Fuel Input
mF [kg/s]
H(N) [MJ/kg]
Net Calorific Value
Process
Heat release
Pth [MW] = mF x H(N) = Pe / h
Gas Release
3
S [m /MJ]
Power output
Pe [MW]
h [-]
Thermal efficiency
De invloed van hoge water fracties in vaste brandstoffen
 VGod = -0.06018 (1 - Ash - H2O) + 0.25437 (H(N) + 2.4425 H2O ) m3/kg
 Tabel met relatieve onzekerheid van ±10 %
in de water massa fractie:
Fuel
moisture
(% mass
fraction)
Fuel factor,
S, m3/MJ
at 0 % O2
dry
Relative
Uncertainty
95 % CI,
(%)
Erasmus brug
13
20
0.260
2.8
30
0.267
3.6
40
0.276
5.0
50
0.290
7.7
60
0.314
13.9
DNV GL © 2013
20 november 2014
Implementatie van berekeningen als continu meetsysteem;
Werkwijze
 NEN-EN-ISO 16911-2 “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
16911-1 Annex E wordt gebruikt. De berekeningen moeten worden geverifieerd
met een QAL2 procedure en jaarlijks gecontroleerd met een AST procedure,
beiden volgens NEN-EN 14181
 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
DNV GL © 2013
20 november 2014
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
DNV GL © 2013
20 november 2014
Conclusies
 De rookgas berekening formules uit EN 12952-15 en nu NEN-EN-ISO 16911-1
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 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
DNV GL © 2013
20 november 2014
bij b
DANK U voor de aandacht
Heeft u vragen?
[email protected]
Tel. +31 26 356 2300
www.dnvgl.com
SAFER, SMARTER, GREENER
17
DNV GL © 2013
20 november 2014