Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Boilers converting from sulphur rich fossil fuels to alkali and chlorine rich bio fuels often experience an increased super heater corrosion. This is partly due to the increased formation of KCl during combustion of bio fuels. The problem could, for instance, be handled with a sulphur containing additive to the fuel or to the flue gases. This diploma work was carried out at Vattenfall Power Consultant AB and it focuses on the so-called ChlorOut concept. The ChlorOut concept has been developed by Vattenfall to minimise deposit formation and corrosion. It consists of IACM, an instrument for on-line measurements of gaseous alkali chlorides, and a sulphate-containing additive that converts alkali chlorides to less corrosive alkali sulphates. The sulphate-containing additive is often ammonium sulphate, (NH4)2SO4. The main objective was to evaluate a ChlorOut installation in a CFB (Circulating Fluidised Bed) boiler in Germany. This boiler burns waste wood and has experienced super heater corrosion problems. IACM measurements showed very high levels of alkali chlorides in the flue gas. Results showed that adding (NH4)2SO4 reduced KCl measured by IACM and also the chlorine content in deposits in the super heater region. The deposits were collected by using temperature controlled steel rings on a deposit probe. The fast response for KCl from IACM enables controlling the flow of (NH4)2SO4 when fuel quality varies. The results indicated a reduction of the chlorine induced corrosion in the boiler when using the ChlorOut concept.

Det ökande intresset för miljöfrågor genomsyrar idag debatten om hur vår framtida
energiförsörjning skall se ut. Länderna inom den europeiska unionen (EU) har enats
om att den totala energitillförseln inom EU år 2020 skall bestå av 20 %
förnyelsebara energikällor. För att möta detta mål har exempelvis olika styrmedel
införts vilka gör det fördelaktigt för energiproducenter att ställa om sin produktion.
Resultatet har blivit att mer och mer vindkraft byggs samt en ökning i
konverteringen från fossilbränslen till koldioxidneutrala biobränslen i
förbränningsanläggningar.
Det ökande användandet av biobränslen har gett upphov till nya problem som
måste lösas. Biobränslen kräver nya brännare, och en mer varierande
bränslekvalitet kräver mer aktiv styrning av förbränningsprocessen. Ett annat
problem som uppstått är en ökning av korrosionen på överhettartuber och
pannväggar med negativa ekonomiska konsekvenser som resultat. En av
anledningarna till korrosionsökningen är biobränslenas höga halter av
alkalimetaller (Na (natrium), K (kalium)) och klor (Cl) som under förbränning
bildar alkaliklorider (KCl (kaliumklorid), NaCl (natriumklorid)). Alkaliklorider är
oftast i gasfas när de når området med överhettartuberna i
förbränningsanläggningar men kondenserar ut i smält fas på de kallare tuberna. En
ökad korrosion på grund av en ökad halt klorid på överhettartuber från
biobränsleeldade pannor har kunnat påvisas i [1] och [2].
Problemet hanteras idag i huvudsak genom samförbränning av biobränslen och ett
fossilt bränsle som torv eller genom tillsats av ett additiv. Additivet kan tillsättas till
bädden eller till rökgaserna och innehåller svavel. Svavel är effektivt eftersom det
kan binda alkaliklorider till alkalisulfater (K2SO4, Na2SO4) som har högre
smältpunkt än kloriderna och kondenserar därför till partiklar i rökgasen innan de
når överhettarna. Både samförbränning [3] och tillsatts av ett additiv till rökgaserna
[4], [5] har visat sig effektivt för reduktionen av alkaliklorider.
Vattenfall Power Consultant AB reducerar idag alkaliklorider, inom konceptet
ChlorOut, genom tillsats av additiv till rökgaserna. ChlorOut består av ett
instrument, IACM (In situ Alkali Chloride Monitor) som kontinuerligt mäter
mängden alkaliklorid och svaveldioxid (SO2) i rökgaser samt ett additiv (oftast
ammoniumsulfat, (NH4)2SO4) som sprayas på rökgaserna innan överhettarna vid
temperaturer under 1000°C (SNCR, Selective Non Catalytic Reduction, området).
KCl halten som mäts av instrumentet används till att styra mängden sulfat som
doseras till rökgaserna. I olika mätkampanjer har ammoniumsulfat visat sig
reducera mängden klorid i beläggningar på överhettartuber bättre än vad
samförbränning gjort [6], [7]. En extra effekt när man tillsätter ammoniak i SNCR
området är reduktion av NOx (kväveoxider). CO (kolmonoxid) tenderar också att
påverkas vid tillsats av ammoniumsulfat.
I detta examensarbete har en ChlorOut installation utvärderats i en CFB
(Circulating Fluidized Bed) panna i Bergkamen, Tyskland. Pannan bränner RT-flis
(Retur Trä flis) och IACM mätningarna visar ovanligt höga halter av alkaliklorider
i rökgaserna. Inom arbetet har olika doseringspunkter för ammoniumsulfaten
utvärderats för att bästa effekt av sulfaten skall uppnås.
Mätningar som utförts är beläggningsmätningar med en beläggningssond samt
kontinuerliga IACM mätningar. Data från anläggningens egen mätutrustning har
också använts. Analyser av beläggningar utfördes med ett SEM/EDX mikroskop
(Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive X-Ray Analysis).
Resultaten från analyserna visar att det är möjligt att mäta andelen alkaliklorider i
rökgasen med IACM instrumentet. Resusltaten visar även att en tillsats av
ammoniumsulfat till rökgasen i Bergkamen reducerar andelen alkaliklorider i
rökgasen. Samtidiga beläggningsmätningar visar att andelen klor i beläggningarna
minskar vid dosering av sulfat i jämförelse med då ingen dosering utfördes.
Resultaten visar även att ett ökat flöde av ammoniumsulfat ökar sulfateringen av
alkaliklorider i rökgasen och minskar andelen klor i beläggningarna.
Ett användbart mått för bestämning av korrosionsrisken hos ett bränsle har varit
kvoten S/Cl. Detta mått är pålitligt men tar tid att få fram. Inom detta arbete har
kvoten SO2/KCl, mätt med IACM, tagits fram och jämförts med kloridinnehållet i
beläggningarna mätta med beläggningssonden. Resultaten visar att on-line svaren
från IACM instrumentet kan användas för att förutse korrosionsrisken i en
förbränningsanläggning. Kvoten kan även vara lämplig för styrningen av
ammoniumsulfatflödet in i pannan.