Anvendelse af naturgas sammen med fast biobrændsel
Asger N. Myken og Niels Bjarne K. Rasmussen, marts
2000, R0004
Abstract in English
Sammenfatning og konklusion
De faste biobrændsler omfatter primært halm, affald og træ. Disse
brændsler er typisk vanskeligere at anvende end de traditionelle
(fossile) brændsler.
Naturgas kan i nogle tilfælde med fordel anvendes som supplement
til biomassen. De typiske fordele, som kan opnås, er:
- emissionsbegrænsning
- virkningsgradsforøgelse
- forbedring af forbrændingskvalitet ved varierende biomasseegenskaber
- forsyningssikkerhed
- kapacitetsforøgelse
- justering af brændværdi
I 2012 forventes vedvarende energi at udgøre ca. 120 PJ, svarende
til 15% af Danmarks bruttoenergiforbrug på ca. 820 PJ. Ud af
det samlede forbrug af vedvarende energi forventes biomassen,
dvs. halm (ca. 23 PJ), affald (ca. 32 PJ) og træ (ca. 23 PJ),
at udgøre ca. 80 PJ. Den øgede anvendelse af faste biobrændsler
kan fortrænge/konkurrere med naturgasanvendelse til fx kraftvarmeproduktion.
I 2012 forventes naturgasforbruget at være steget fra det eksisterende
niveau på ca. 157 PJ (1998) til ca. 200 PJ.
Som et groft skøn for det samlede tekniske potentiale for kombineret
anvendelse af faste biobrændsler og naturgas antages, at naturgassen
i gennemsnit kan udgøre op til ca. 5% af det samlede biomassepotentiale.
Dermed fås et potentiale for naturgasforbruget til de kombinerede
anvendelser på ca. 4 PJ (2012). Det svarer til 100 mio. kubikmeter
naturgas, eller 2,5% af det nuværende indenlandske forbrug (1998).
Disse skøn er baseret på de metoder og teknologier for anvendelse
af biomasse, som anses for teknisk og økonomisk realistiske
indenfor den nærmeste årrække. Der forskes intensivt i forgasning
af biomasse, og på længere sigt er det muligt, at udviklingen
inden for dette område ændrer billedet for anvendelse af biomasse.
Dermed ændres også mulighederne og potentialet for kombineret
anvendelse af naturgas og biomasse.
For at opnå maksimal elvirkningsgrad ved elproduktion på dampkredse
anvendes højest mulige dampdata (tryk/temperatur). Naturgas kan
i visse tilfælde med fordel anvendes som supplement til biomassebaserede
værker til overhedning af dampen efter opvarmning i den primære
kedel.
Ved fyring med halm kan der dannes massive belægninger i kedlens
konvektionsdel. Sådanne belægninger på overhederrørene kan medføre
en accelereret korrosion ved damptemperaturer over 520°C. Det kan
derfor være en fordel eller nødvendigt at operere med lavere udgangstemperaturer
fra halmkedlen, og derefter anvende 100% naturgasfyring i en efterfølgende
overheder.
På fjernvarmeværker etableres normalt en olie- eller gaskedel,
der kan dække hele effektbehovet til brug ved spidslast, reparation
eller havari på biomassekedlen. For et typisk fjernvarmeanlæg kan
det årlige gasforbrug udgøre omkring 7% af det samlede energiforbrug.
Foruden spidslast- og backupfunktioner kan der opnås en række fordele
ved samfyring af træ og naturgas sammenlignet med 100% træfyring.
I modsætning til overhedere på kraftvarmeanlæg foregår forbrændingen
af naturgas i samme forbrændingskammer som træet. Derved kan der
opnås væsentlige reduktioner af emissionerne af især CO, men også
af NOx og partikler. Der kan endvidere opnås en række
driftsmæssige fordele ved at anvende naturgas som støttebrændsel.
Mindre kedler til individuelle anlæg/blokcentraler m.m. har ofte
høje emissioner af uforbrændte kulbrinter, tjære, PAH og organiske
komponenter. Ved kombineret drift med naturgas kan emissionerne
reduceres og årsnyttevirkningen forbedres, idet gaskedlen kan dække
enten lavlast- eller spidslastdrift, således at modulationsområdet
for biobrændselsenheden mindskes. Brugerne opnår endvidere en forbedret
komfort og forsyningssikkerhed, idet varmeforsyningen er sikret,
selvom der ikke fyres manuelt hver dag.
Abstract in English
Solid biomass fuels comprise primarily straw, waste and wood. These
fuels are typically more difficult to exploit than traditional (fossil)
fuels. In some cases natural gas can be used as supplement to the
biomass fuels. Typical advantages are:
- reduction of emissions
- efficiency improvement
- improvement of combustion quality at unstable biomass properties
- reliability of supply
- increasement of capacity
- adjustment of calorific value
By 2012 sustainable energy resources are expected to account for
approximately 120 PJ, corresponding to 15% of Denmark’s gross energy
consumption of approximately 820 PJ. Among the sustainable energy
resources, the consumption of solid biomass, i.e. straw (appr. 23
PJ), waste (appr. 32 PJ) and wood (appr. 23 PJ), is expected to
make up approximately 80 PJ. The increased consumption of solid
biomass can supersede/compete with natural gas utilisation for e.g.
combined heat and power (CHP) production. The consumption of natural
gas is expected to increase from the present level of 157 PJ (1998)
to approximately 200 PJ by 2012.
As a rough estimate of the technical potential for combined utilisation
of solid biomass fuels and natural gas, it is assumed that natural
gas can account for up to 5% in average of the total biomass potential.
This means that the potential natural gas consumption in combined
applications is approximately 4 PJ, corresponding to 100 million
cubic metres or 2.5% of the present domestic annual natural gas
consumption (1998).
These estimates are based on the methods and technology for biomass
utilisation that is considered as technical and economic feasible
within a number of years. Intensive research is conducted on gasification
of biomass, and the development in this field may change the future
situation of biomass utilisation. Hence, also the options and potential
for combined utilisation of natural gas and biomass is changed.
When producing power based on steam cycles, the steam temperature
and pressure is maximised in order to obtain the highest possible
electrical efficiency. In some cases it is advantageous to use natural
gas for superheating of the steam after the primary boiler in biomass
based CHP plants.
In boilers heated with straw deposits can occur in the boiler.
These deposits can accelerate corrosion at steam temperatures above
520°C. As a consequence, it can be an advantage or necessary to
operate the boiler at lower exit temperatures from the straw fired
boiler and then use 100% natural gas firing in a superheater following
the primary boiler.
A oil- or gasfired boiler is normally installed at district heating
plants and used as supplement to the biomass fired boiler during
peak load and as backup during overhaul and breakdown. For a typical
district heating plant the annual natural gas consumption accounts
for approximately 7% of the total energy consumption.
Besides peak load and backup functions, a number of advantages
can be obtained by co-firing of wood and natural gas compared to
100% wood firing. Unlike superheaters at CHP plants, the combustion
of natural gas and wood takes place in the same combustion chamber.
As a consequence, substantial reductions of the emissions of in
particularly CO, but also NOx and particles, can be obtained. Furthermore,
several operational advantages can be obtained using co-firing with
natural gas.
The emissions of unburned hydrocarbons, tar, PAH and VOC from small
boilers for e.g. domestic applications and central heating is often
high. Combined operation with natural gas can reduce the emissions
and the annual average efficiency. Natural gas combustion can be
used for operation at either low load or peak load, which means
that the required modulation range of biomass boiler is reduced.
Furthermore, the user obtains an improved comfort and supply of
reliability, since the heating system is not dependent on manual
firing of e.g. wood on a daily basis.
|