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
