Ristefyring - del 1

Denne teknisk lange artikel, der blev publiceret i maj 2018, er den første af to artikler, hvor vi fortæller mere om Ristefyring.
Se Ristefyring – del 2 for at læse mere.

Ristefyrede anlæg har en stor brændselsfleksibilitet men giver også store udfordringer, når der skal laves forbedringer. I Added Values har vi gennemført mange praktiske forbedringer med meget korte tilbagebetalingstider på flere af denne type anlæg. Vi må dog også konstatere, at der hele tiden bliver ved med at være forbedringsmuligheder og derfor sover vores proces- og reguleringsspecialister stadig ikke helt trygt om natten. Dette er det første af to blogindlæg, som indeholder både en introduktion for ikke-eksperter og en præsentation af nogle lovende resultater fra et nyligt gennemført udviklingsprojekt.

På de store kraftvarmeværker brænder man brændslet (f.eks. træpiller eller kul) i suspension— dvs. man pulveriserer det, blæser det ind i kedlen og lader det udbrænde, mens det hænger i luften (suspenderet). Og man ved, at det udbrænder stort set med det samme (kort opholdstid). Selvom suspensionsfyring også har sine udfordringer, er det reguleringsmæssigt simpelt.

På små og mellemstore kraftvarmeværker, hvor man typisk brænder husholdningsaffald eller biomasse, sker forbrændingen på en rist, hvor brændslet tørres, afgasses og udbrændes over flere minutter. Afhængigt af brændslets fugtindhold, brændværdi og ensartethed sker forbrændingsprocessen forskelligt. Et sammenrullet tæppe af kunststof (plastic) brænder eksempelvis megetbedre end en motorblok — ja, vi har faktisk kunder, som har haft en motorblok gennem deres affaldsovn. På samme måde brænder en tør halmballe anderledes end en våd halmballe.

Producenterne af forbrændingsriste indlægger naturligvis forskellige margener i designet af en rist, så mindre variationer i brændslet ikke reducerer anlæggets ydelse. Dén margin har mange af vores kunder dog fået øje på og udnyttet for, at øge kapaciteten på deres anlæg og dermed deres indtjening. Det stiller skrappe krav til kedelreguleringen, som ofte kræver en opgradering, når anlægskapaciteten skal udvides. Det er i øvrigt én af de ydelser, som Added Values tilbyder.

I 2017 fik vi mulighed for at lave et udviklingsprojekt sammen med en svensk samarbejdspartner, Modelon AB. Projektet blev finansieret af svenske, Energiforsk og skulle understøtte, Added Values’ praktiske erfaring med risteforbrænding ved at udvikle en soft-sensor, som kan forbedre reguleringen af ristefyrede anlæg — uden at kunderne skal installere bekosteligt måleudstyr.

I dette blogindlæg vil vi fortælle om nogle af de udfordringer, der ligger i risteforbrænding og i det andet blogindlæg (Ristefyring - del 2) vil vi gå mere i dybden med resultaterne fra udviklingsprojektet.

Risteforbrændingens udfordringer

For at svare på hvorfor ristefyring er udfordrende, skal vi dykke lidt ned i, hvordan forbrændingen på en rist foregår og hvordan man regulerer den.

Figur 1 viser en skitse af risteforbrænding, som den bør se ud

Figur 1 - skitse af risteforbrænding som den bør se ud.

Brændslet — f.eks. oprevet halm — skubbes ind på risten fra venstre side og bevæger sig langsomt ned ad risten mod slaggefaldet. Før brændslet når slaggefaldet, skal det være udbrændt, så det kun er aske, der ryger ned i slaggefaldet. Udbrændingszonen (flammefronten) skal helst være lige før slaggefaldet, så risten udnyttes optimalt. For at begrænse NO_X-dannelse tilsættes luften ad flere omgange. På tegningen tilsættes der risteluft (primærluft) og sekundærluft. Risteluften har til formål at tørre brændslet og skabe en understøkiometrisk forbrænding — dvs. en ufuldstændig forbrænding med underskud af ilt. Den resterende, overstøkiometriske forbrænding sker ved at tilsætte sekundærluften over ristelaget.

Noget at det, man gerne vil undgå ved risteforbrænding, er “tømning” og “overfyldning” af risten. Figur 2a viser en “tom” rist. Når risten “tømmes” blotlægges en stor del af risten og den stærke strålevarme fra fyrrummet skaber en unødig termisk belastning af ristens metal — brændsels- og askelaget på risten fungerer nemlig også som beskyttelse af risten. Da en tom rist er en konsekvens af for lidt brændsel og for meget risteluft, vil der også ske en fuldstændig (overstøkiometrisk) forbrænding på risten. Det giver en høj forbrændingstemperatur og danner meget termisk NO_X.

Figur 2 - ved risteforbrænding vil man helst undgå at tømme (a) og overfylde (b) risten.

Hvis risten derimod “overfyldes” (figur 2b), vælter der uforbrændt brændsel ned i slaggefaldet. Udover at der er dårlig driftsøkonomi i at smide uforbrændt brændsel væk, kan det også starte en brand i asketransportsystemet. En overfyldt rist er en konsekvens af, at der er for meget brændsel og for lidt risteluft.

Da sekundærluften stort set ikke påvirker flammefronten nede på risten, vil vi ikke sige ret meget mere om den. Det besværlige ligger nemlig i at holde ristelaget og flammefronten konstant, når brændslet og kedellasten varierer.

Hvordan regulerer man en risteforbrænding?

For at kunne regulere ristelaget er der tre vigtige styresignaler, som reguleringen kan påvirke processen med. Det er

• Brændselsmængden — dvs. flowet af brændsel, som skubbes ind på risten
• Risteluftmængden — dvs. hvor stort luftflow der tilføres op igennem risten
• Ristehastigheden — dvs. hvor hurtigt brændslet flyttes nedad mod slaggefaldet

Kedlens feedback-reguleringen kombinerer de tre styresignaler for i sidste ende at regulere damptryk eller -produktion.

Reguleringsudfordringer

Når en risteforbrænding skal reguleres, er det særlig vigtigt at kende processens dynamiske egenskaber. De fleste fleste andre processer, vi beskæftiger os med, er stabile— dvs. hvis man sætter dem i drift og deaktiverer deres feedback-regulering, vil de finde en naturlig stabil tilstand. Tænk f.eks. på en kugle i en skål (figur 3 øverst). Hvis man flytter den lidt op ad skålens side, vil den selv finde tilbage til bunden af skålen efter et par udsving. Ustabilitet kan derimod betragtes som en bold, der balancerer på en bakketop (figur 3 nederst). Hvis man flytter den lidt væk fra toppen, vil den ikke finde tilbage til sit udgangspunkt men i stedet trille nedad.

Figur 3 - Stabile og ustabile systemer

Forbrændingen på en rist vil opføre sig ustabilt. Det betyder i praksis, at hvis der ikke er et nøje afstemt forhold mellem ristehastighed, brændsels- og luftmængde, så vil man ende med enten en tom eller en overfyldt rist. Hvis vi lige tænker på bakketoppen igen, så kan man selvfølgelig argumentere for, at en tom rist er en stabil (men uønsket) tilstand.

Når brændslets fugtighed og brændværdi hele tiden varierer, betyder det, at reguleringen konstant er på arbejde for at balancere de tre styresignaler korrekt for at stabilisere forbrændingsprocessen.

Problemet er imidlertid ikke, at regulatoren har travlt — det er derimod, at den kører i blinde. Det er nemlig sjældent, at ristefyrede kedler har en måling af flammefronten, som reguleringen kan bruge til at justere luft og brændsel efter. Der findes dog kommercielt måleudstyr, som kan bestemme flammefronten med et kamera, men det er dyrt at installere. Så den eneste information, man har om ristelaget eller flammefronten, er, når man kigger gennem kedlens skueglas, eller når noget er gået galt.

Når vi idriftsætter eller justerer en forbrændingsregulering uden måling af flammefronten, er det tit med en blanding af praktisk erfaring, kvalificerede gæt og et drys magi — og der skal tit bygges lappeløsninger på konceptet for at tage hånd om specielle situationer.

Dét er på mange måder besværligt at have med at gøre og det er meget svært at disponere tiden frem mod en god forbrændingsregulering, da det kræver mange praktiske forsøg. Derfor har vi længe gået og ønsket os at blive klogere på, hvordan forskellige kombinationer af styresignaler, brændselsbeskaffenhed og ristelag påvirker processens dynamiske respons. For at kunne det skal vi lave en simuleringsmodel af processen, som giver os mulighed for at eksperimentere med de forskellige kombinationer uden at forstyrre den daglige drift.

Læs Ristefyring - del 2, hvor vi fortæller om det svenske udviklingsprojekt. Her har vi blandt andet udviklet et modelbibliotek i simuleringssproget Modelica, som gør det muligt at simulere en risteforbrænding. Vi har også designet en soft-sensor, derkan estimere flammefronten ud fra eksisterende målinger og som kan bruges til at forbedre kedelreguleringen.

Af Rene Just Nielsen og Kasper Vinther, Added Values