udvikling af brænder til...

AARHUS MASKINMESTERSKOLE

Udvikling af Brænder til Cementovn

Peter Søe Bak 2015

- Udvikling af Brænder til Cementovn -

Side 1 af 45

Projektets titel: Udvikling af Brænder til Cementovn

Projekttype: Bachelorprojekt (9. semester)

Uddannelsesinstitution: Aarhus Maskinmesterskole

Fagområde: Forbrændingsteknik og Termodynamik

Forfatter: Peter Søe Bak

Vejledere: Esben Sørensen (Aarhus Maskinmesterskole)

Mads Nielsen (FLSmidth)

Dato for aflevering: 2015-06-01

Antal normalsider: 27

Forside illustration: Brænder installeret i cementovn (FLSmidth A/S, 2013)

Aarhus, d. 01. juni 2015

_______________________

Peter Søe Bak


Side 2 af 45

Abstract Worldwide growing population and higher living standards are increasing the cement consumption. Due to

the large amount of energy required for the cement calcination process the fuel consumption of the

industry is following this rapidly rising trend. Primarily this energy comes from combustion of fossil fuels.

High fuel prices and the world’s environmental focus are forcing the industry to focus on cheaper and less

polluting alternatives. One way to solve this is changing the fuel type to solid waste, but because of the

combustion being in direct contact with the cement, the solid waste combustion has to be comprehensive

as to not affect the cement quality.

This report is about the project of retrofitting an old burner type to reach a higher substitution rate of solid

waste at a Slovak cement plant which already has achieved a 60 % thermal substitution rate. Thorough

analysis of the fuel is made for creating a baseline for developing a new burner design. As a result of large

particle size and difficult aerodynamic conditions on the solid waste fuel, the burner has to create a shorter,

narrower and more intense flame to burn the waste particles faster not to affect the cement quality.

Additionally more air has to be supplied, making a faster combustion of the particles.

A new nozzle design, more radial air power and a retractable fuel pipe is adding more flame profile

flexibility to the burner in order to solve these problems.

Furthermore analysis shows solid waste is heterogeneous and has low and varying both calorific value and

water content. These properties require a higher mass injection to maintain the thermal need for cement

calcination. Due to the chemical composition of the solid waste this additional mass is increasing the CO2

emission, but low price on waste is still creating large economic fuel savings.


Side 3 af 45

Forord Rapporten er udarbejdet efter endt bachelorpraktik som den afsluttende del af maskinmesteruddannelsen

på Aarhus Maskinmesterskole. Forfatteren har i praktikken været tilknyttet et udviklingsprojekt af en

brænder til cementindustrien hos den danske koncern FLSmidth. Udviklingsprojektet er foregået i

samarbejde med en af FLSmidths kunder med det overordnede formål at udvikle en brænder, som er mere

funktionsdygtig til fyring med alternativt brændsel end kundens nuværende brænder.

Udviklingsfasen indeholder en brændstofsanalyse og en række tekniske problemstillinger i relation til

designet af brænderen, som danner baggrund for udarbejdelsen af rapporten.

FLSmidth har eksisteret siden 1882, og koncernen besidder således stor viden om cementproduktion.

Under praktikforløbet har forfatteren gennem sparring med nøglemedarbejdere i firmaet opbygget viden

om cementproduktion, herunder i særdeleshed de dele af produktionen, som vedrører cementovnen og

dennes brænder. En særlig tak skal lyde til de tilknyttede vejledere hos Aarhus Maskinmesterskole og

FLSmidth for sparring og vejledning undervejs i projektet:

Mads Nielsen, - Project Manager, FLSmidth

Esben Sørensen - Lektor og Maskinmester, AAMS

Yderligere skal der lyde en tak til følgende personer for faglig støtte igennem projektet:

Morten Drivsholm - Fuels & Combustion Research Leader, FLSmidth

Jesper Lebæk - R&D Engineer, FLSmidth

Henrik Van Deurs - Product Manager, FLSmidth

Christian Wolfberg Anild - Product Engineer, FLSmidth


Side 4 af 45

Læsevejledning Læseren bør have grundlæggende forståelse for kemi og fysik. Desuden bør læseren have kendskab til

forbrændingsteknik og termodynamik samt have basisforståelse for emissioner og disses indvirkning på

miljøet.

Kildehenvisninger og bibliografi er udarbejdet efter Harvard – Anglia 2008 standard. Således henvises til

kilder efter følgende metode: (Forfatter, Dato, evt. sidetal). Ved artikler og websider er datoen angivet som

u.d.(uden dato), når det ikke har været muligt at angive. I litteraturlisten er referencerne angivet i

alfabetisk rækkefølge.

Fodnoter er brugt til uddybning af forkortelser og engelske udtryk, hvor det skønnes nødvendigt.

Rapportens opbygning har taget udgangspunkt efter den videnskabelige metode. Således er rapporten

inddelt i 4 hovedkategorier:

Baggrund

Metode

Resultater

Diskussion

Der henvises løbende til bilag. Større mængde rådata fra driften er vedlagt elektronisk på USB-

lagringsenhed. Denne enhed bliver refereret til på følgende måde (bilag dok nr xx).

Bilagsoversigt

Bilag 1: Kemisk sammensætning af SRF og petcoke

Bilag 2: SRF sigteanalyse

Bilag 3: SRF vindsigteanalyse

Bilag 4: Udregning af brænder effekt

Bilag 5: Brændstofbesparelse

Bilag 6: Emission

Bilag 7: Beregningseksempel af luftdistribution

Bilag 8: Forsøgsopstilling koldovnstest

Elektroniske bilag:

Bilag dok nr 01: Brændstofforbrug og driftstimer

Bilag dok nr 02: Brændværdi og vandindhold

Bilag dok nr 03: Koldovns resultater

Bilag dok nr 04: Luftdistribution


Side 5 af 45

Nomenklaturliste

SRF Solid Recovered Fuel

TSR Termisk Substitutionsgrad

SO2 Svovldioxid

NO2 Nitrogendioxid

CO2 Kuldioxid

Cao Kalciumoxid

SiO2 Siliciumdioxid (silica)

m masse

v Hastighed

Q Masseflow

E Energi

P Effekt

hi Nedre brændværdi

MJ Megajoule

GJ Gigajoule

MW Megawatt


Side 6 af 45

1 INDLEDNING ....................................................................................................................................................... 8

1.1 PROBLEMSTILLING .................................................................................................................................................. 8

1.2 FORMÅL OG MÅLGRUPPE ......................................................................................................................................... 9

1.3 PROBLEMFORMULERING .......................................................................................................................................... 9

1.4 AFGRÆNSNING ...................................................................................................................................................... 9

1.5 ANVENDELSE AF KILDER ......................................................................................................................................... 10

2 BAGGRUND .......................................................................................................................................................11

2.1 CEMENTPRODUKTION ........................................................................................................................................... 11

2.1.1 Råmaterialer ............................................................................................................................................... 11

2.1.2 Forvarmer og ovn ........................................................................................................................................ 11

2.1.3 Brænder ...................................................................................................................................................... 13

2.1.4 Klinkedannelse og cement .......................................................................................................................... 14

2.1.5 Kvalitet ........................................................................................................................................................ 14

2.2 NUVÆRENDE BRÆNDER ......................................................................................................................................... 15

2.2.1 Forbrug og produktionsdata ....................................................................................................................... 15

2.2.2 Konstruktion ................................................................................................................................................ 16

2.2.3 Primærluft og distribuering ......................................................................................................................... 17

2.3 TERMISK SUBSTITUTIONSGRAD ................................................................................................................................ 19

2.4 BRÆNDSTOFTYPER ................................................................................................................................................ 19

2.4.1 Petcoke ........................................................................................................................................................ 19

2.4.2 Solid Recovered Fuel ................................................................................................................................... 20

2.4.3 Prisen på brændstof .................................................................................................................................... 20

3 METODE ............................................................................................................................................................21

3.1 RÅDATA ............................................................................................................................................................. 21

3.2 TERMISK SUBSTITUTIONSGRAD ................................................................................................................................ 21

3.3 BRÆNDSTOFANALYSER .......................................................................................................................................... 21

3.3.1 Brændværdi og vandindhold ....................................................................................................................... 21

3.3.2 Kemisk sammensætning ............................................................................................................................. 21

3.3.3 Partikelstørrelse på Solid Recovered Fuel ................................................................................................... 22

3.3.4 Aerodynamiske egenskaber for Solid Recovered Fuel ................................................................................. 22

3.4 BRÆNDSTOFBESPARELSE ........................................................................................................................................ 22

3.5 EMISSIONER ........................................................................................................................................................ 22

3.6 UDVIKLING AF NY BRÆNDERFRONT ........................................................................................................................... 22

3.6.1 Bestemmelse af luftdistribuering ................................................................................................................ 22

4 RESULTATER ......................................................................................................................................................23

4.1 NUVÆRENDE TERMISK SUBSTITUTIONSGRAD .............................................................................................................. 23

4.2 BRÆNDSTOF ANALYSE ........................................................................................................................................... 23

4.2.1 Petcoke ........................................................................................................................................................ 23

4.2.2 Solid Recovered Fuel ................................................................................................................................... 24 4.2.2.1 Kemisk sammensætning ......................................................................................................................................24 4.2.2.2 Sigte analyse ........................................................................................................................................................26 4.2.2.3 Vindsigte analyse .................................................................................................................................................26

4.3 BRÆNDSTOFBESPARELSE ........................................................................................................................................ 27

4.4 EMISSIONER ........................................................................................................................................................ 28

4.5 DESIGN AF DEN RETROFITTEDE BRÆNDERFRONT ......................................................................................................... 29


Side 7 af 45

4.5.1 Frontplade og drejbare dyser ...................................................................................................................... 29

4.5.2 Svirvler og tilbagetrækning af centerrør ..................................................................................................... 30

4.5.3 Luftflow ....................................................................................................................................................... 31

4.5.4 Luftdistribuering i det retrofittet design ..................................................................................................... 33

5 DISKUSSION ......................................................................................................................................................34

5.1 DISKUSSION AF METODE ........................................................................................................................................ 34

5.1.1 Brug af stikprøve-data ................................................................................................................................ 34

5.1.2 Brug af pilotforsøg til udvikling af brænderens front.................................................................................. 34

5.2 DISKUSSION AF RESULTATER ................................................................................................................................... 34

5.2.1 Termisk substitutionsgrad i den nuværende brænder ................................................................................ 34

5.2.2 Brændstofanalyse ....................................................................................................................................... 35 5.2.2.1 Petcoke ................................................................................................................................................................35 5.2.2.2 Solid recovered fuel .............................................................................................................................................35

5.2.2.2.1 Kemisk sammensætning .................................................................................................................................35 5.2.2.2.2 Sigte ................................................................................................................................................................35 5.2.2.2.3 Vindsigte .........................................................................................................................................................36

5.2.3 Brændstofbesparelse .................................................................................................................................. 37

5.2.4 Emission ...................................................................................................................................................... 37

5.2.5 Design af den retrofittede brænderfront .................................................................................................... 38 5.2.5.1 Drejbare dyser .....................................................................................................................................................38 5.2.5.2 Svirvler og tilbagetrækning af centerrør ..............................................................................................................39 5.2.5.3 Luftflow og luftdistribuering ................................................................................................................................39

5.3 FREMTIDIGE UDFORDRINGER VED IDRIFTSÆTTELSE ...................................................................................................... 40

6 KONKLUSION .....................................................................................................................................................41

7 PERSPEKTIVERING .............................................................................................................................................42

8 EFTERSKRIFT ......................................................................................................................................................43

9 LITTERATURLISTE...............................................................................................................................................44


Side 8 af 45

1 Indledning

1.1 Problemstilling Cementproduktion er en energikrævende proces, der i høj grad kræver termisk energi til håndtering af

råmateriale, kalcinering og dannelse af cementklinker. Alene i 2010 blev der globalt produceret

640.000.000 tons cementklinker. Denne produktion krævede et gennemsnitligt termisk energiforbrug på

3,62MJ/kgklinker. Energien udvindes primært ved forbrænding af kul, svarende til et forbrug af høj kvalitets

kul på 0,12kgkul/kgklinker (Cement sustainability Initiative, 2010). Globalt står cementindustrien for ca. 5 % af

det totale CO2 udslip (Rubenstein, 2012). På grund af det enorme forbrug af fossile brændsler har

cementindustrien et indlysende fokus på energi optimering. Dyre kulpriser tvinger industrien til at udforske

substitution af fossile brændstoffer. Samtidig tvinger stigende afgifter industrien til at nedbringe deres

emissionsgasser. I dag består alternative brændsler i cementindustrien hovedsagelig af enten biomasse

eller affald. Samlet set udgør biomasse og affald ca. 12 % af det samlede brændstofforbrug (Cement

sustainability Initiative, 2010).

Substitution af fossile brændstoffer kompliceres af det faktum, at forbrændingen sker i direkte kontakt med

cementen, hvorfor introduktion af alternative brændsler har direkte indflydelse på produktionen og

produktkvaliteten. Desuden kompliceres substitution med alternative brændsler af disses indvirkning på

emissionsgasser. Driftssikkerhed og økonomi for den enkelte fabrik er også en del af overvejelserne for

substitution af fossile brændsler. På grund af udfordringer i driften og kvalitetsniveauet af cementen har

det, med de nuværende brændere, kun været muligt at opnå en maksimal substitutionsgrad på 65 %.

Som leverandør af cementovn og brænder ønsker FLSmidth at imødekomme industriens efterspørgsel på

energirigtige løsninger. FLSmidth har i samarbejde med en slovakisk cementfabrik indledt et

udviklingsprojekt med det formål at retrofitte1 en eksisterende brænder til et forbedret design, hvormed

substitutionsgraden forøges og en effektiv flammeprofil opretholdes. Fabrikken i Slovakiet har nem adgang

til alternativt brændsel, hvilket giver dem lave udgifter på alternativ brændsel i forhold til prisen på fossile

brændstoffer. Cementfabrikken ser således mulighed for en stor økonomisk besparelse ved at hæve

substitutionsgraden. Fabrikkens to brændstoffer er et affaldsprodukt kaldet Solid Recovered Fuel(SRF) og et

olieprodukt kaldet petcoke2. Med udgangspunkt i udviklingsprojektet, ønsker FLSmidth at øge

substitutionsgraden på deres egen brænder DUOFLEXTM.

Den store mængde termisk energi, som er krævet under cementproduktion, resulterer naturligt i en høj

temperatur i cementovnen. Den høje temperatur, ca. 1450 °C, er nødvendig for at danne de korrekte

kemiske reaktioner i råmaterialet, som ligger til grund for en god kvalitet af cementen. Den høje

temperatur stiller krav til designet af brænderen og det materiale, som brænderen konstrueres i.

1 Ombygning af ældre system

2 Petroleums coke


Side 9 af 45

1.2 Formål og målgruppe Formålet med rapporten er at opnå forståelse for de udfordringer, som FLSmidth er stødt på under

udviklingen af en forbedret brænder til den slovakiske kunde. Udgangspunktet for udviklingen er

overordnet at øge substitutionsgraden af SRF og samtidig fastholde en pålidelig og driftssikker brænder

med en effektiv flammeprofil.

Rapporten henvender sig primært til læsere, som ønsker kendskab til pyro-linjen i cementindustrien, men

også til virksomheder, som har interesse i forbrændingsteknik med henblik på en højere substitutionsgrad i

form af SRF. Rapporten forventes også at være anvendelig for kraftværker, der har lignende behov for

fyring med SRF.

1.3 Problemformulering På baggrund af ovenstående problemstilling lyder problemformuleringen:

Hvordan skal brænderens front konstrueres således at substitutionsgraden kan hæves og en god og effektiv

flammeprofil opretholdes?

For at kunne belyse problemformuleringen behandler rapporten følgende underspørgsmål:

Hvilke udfordringer skaber SRF som brændsel?

Hvilken økonomisk brændstofbesparelse giver øget substitutionsgrad?

Hvordan påvirker en øget substitutionsgrad emissionsgasserne fra forbrændingen?

Hvilke udfordringer giver designændringerne?

1.4 Afgrænsning Rapporten fokuserer ikke på andre brændstoftyper end de to primære brændstoftyper, som anvendes på

den slovakiske cementfabrik.

Denne rapport omhandler optimering af selve brænderen med fokus på brænderfronten. Således belyser

rapporten ikke en række andre tiltag til forbedring af selve forbrændingen i cementovnen, herunder øgning

af temperaturen i forvarmeren, omlægning af brændstoffets transportsystem, ventiler, automatisering mv.

Det har ikke været muligt at beregne eller måle omfanget af NOX og SOx, hvorfor rapporten ikke belyser

omfanget af udledningen af disse gasser.


Side 10 af 45

1.5 Anvendelse af kilder Projektet anvender flere typer af kilder. Internettet bruges til at indhente facts og data om selve

cementindustrien og ligeledes til at finde emissionsmateriale og teknisk dokumentation. De internetkilder,

der er brugt til at angive nøgletal fra den globale cementproduktion er typisk af ældre oprindelse. Det

skyldes, at tallene opgives i rapporter fra organisationer, som er underlagt amerikanske

monopolforebyggende love (Initiative, 2014). Tallene er kun brugt til at beskrive det energimæssige omfang

af cementproduktion og danner ikke belæg for betydende konklusioner.

Personlige samtaler med ansatte hos FLSmidth om produktion og cementkvalitet danner et stort grundlag

for udarbejdelse af rapporten. Denne information har en vis form af subjektivitet. Forfatteren har så vidt

muligt prøvet at finde belæg for dette i litteraturen, men på grund af FLSmidth’s alder og mange års

erfaring, har det sjældent været muligt. Derfor kilderefereres til personer fra FLSmidth. Derudover finder

lærebøger og viden tilegnet under maskinmesterstudiet anvendelse.

Anvendte kilder er anvendt med kildekritik. Da ”Intet er hævet over kritik, og alt kan have en vinkling eller

metodeproblemer, blinde vinkler m.m. (Jørgensen, 2012, p. 158)” er der under udarbejdelsen af rapporten

lagt stor vægt på at analysere kilden for at vurdere forfatterens formål med skriftet. Eksempelvis kan

cementproducenterne stå bag en artikel, hvis henseende kan være at nedtone konsekvenserne af farlige

emissionsgasser for eventuelt at fjerne regeringernes fokus på dette.


Side 11 af 45

2 Baggrund Baggrundsafsnittet har til formål at klarlægge det baggrundsviden som ligger til grund for projektet

udvikling. Kapitlet indeholder derfor den baggrundsviden som er brugt til at fremskaffe resultaterne af

projektet. Yderligere vil cementproduktion blive gennemgået for at give en basis viden om processen.

2.1 Cementproduktion I dette afsnit beskrives den mest anvendte metode til produktion af cement: En tør proces til fremstilling af

grå Portland cement. Det er netop denne type produktion, som anvendes på fabrikken i Slovakiet.

2.1.1 Råmaterialer

Cement er et fint pulver, som bruges til at binde materialer sammen. Cement hærder efter blanding med

vand og efterfølgende tørring. Der findes forskellige typer af cement – alt fra noget som kan have

forskellige farver til noget, som kan hærde under vand. Fælles for alle typer er, at hovedbestanddelene er

CaO og SiO2, som primært stammer fra råstofferne kalk, ler, mergel og skifer (Nørskov, 2012). Disse

råstoffer findes typisk i store stenbrud, som typisk bestemmer lokationen af fabrikken for at holde

transportomkostningerne nede. Råmaterialerne formales og blandes grundigt for at sikre en korrekt og

homogen sammensætning.

Råmaterialerne, som findes i stenbruddet, er bestemmende for hvilken type cement, fabrikken fremstiller.

Teknisk set kan producenten selv styre cementens sammensætning ved at tilføje additiver, men da

infrastruktur kan gøre additiverne svært tilgængelige, er det ofte en meget omkostningsrig proces.

2.1.2 Forvarmer og ovn

I den moderne cementfabrik passerer råmaterialerne gennem et forvarmertårn efterfulgt af en roterende

ovn, hvorefter råmaterialerne nedkøles i en køler. Den kemiske proces, som danner cement, kræver en

opvarmning af råmaterialerne til ca. 1450 °C. Denne opvarmningsproces af kalksten kaldes kalcinering.

Kalcinering står for 60 % af cementfabrikkernes samlede CO2 udslip. De resterende 40 % kommer fra

forbrændingen i roterovnen (Sørensen, 2010). Under opvarmning af kalksten sker denne kemiske proces:

𝐶𝑎𝐶𝑂3 → 𝐶𝑎𝑂 + 𝐶𝑂2

hvor CaCO3 er kalksten og CaO er omdannet kalciumoxid til cement. Kulstofferne fjernes således fra

materialet og går i forbindelse med ilten på gasform, kaldet de-karbonisering.


Side 12 af 45

Forvarmertårnet består af en række cykloner og en kalciner. Se figur 1 for procesoversigt. Råmaterialerne

kommer ind i toppen af tårnet i det korrekte blandingsforhold og betegnes herefter som råmel. Cyklonerne

fungerer som varmevekslere mellem den varme procesgas og råmelet, som vha. høje hastigheder på

gassen holdes i konstant bevægelse.

På moderne fabrikker installeres en kalciner til fyring af affald for at minimere antallet af cykloner og

dermed tårnets højde. Hermed hæves gassens temperatur og således råmelets temperatur. Denne funktion

tillader en kortere konstruktion af den efterfølgende roterovn. Når råmelet når roterovnen med en

temperatur på ca. 900 °C, er 90 % af kalcineringen udført. Ovnen er konstrueret med en svag hældning som

sammen med roterfunktionen sikrer råmelets transport fremad og blanding af dette. Roterovnen er af stål.

Den er indvendig beklædt med højtemperatur mursten for at skåne stålet for det 1450 °C varme råmel.

Indmuringen fungerer desuden som isoleringen for at mindske strålevarmetabet fra ovnen. Størrelsen af en

cementovn er meget varierende, men den er typisk 6m i diameter og 70m lang.

Luftoverskuddet i ovnen reguleres ved at styre mængden af køleluften fra klinkekøleren, som bruges til

henholdsvis sekundær og tertiærluft. Der reguleres efter at holde en lav iltprocent, ca. 3-5 %, i roterovnen

for at minimere NOx indholdet.

Figur 1 – Pyro-linjen i cementproduktion (Nørskov, 2012)


Side 13 af 45

2.1.3 Brænder

I enden af roterovnen findes den primære varmekilde: brænderen. Hos fabrikken i Slovakiet forbrændes ca.

2,6 tons/h petcoke og 8,4 tons/h SRF (bilag dok nr. 01). Formålet med brænderen er at hæve temperaturen

på råmelet fra ca. 900 til ca. 1450 °C. Dette er nødvendigt for at skabe den kemiske reaktion til dannelse af

cement.

Der stilles krav til brænderen om at

skabe en kort, smal og intens flamme, som sikrer effektiv varmeoverførsel til råmelet

minimere emissioner

holde luftforbruget af primær- og transportluft på et minimum

tillade optimal drift med både fossile og alternative brændstoffer

Som det ses på figur 1 og 2 sidder brænderen direkte i processen, hvilket sætter krav til holdbarheden.

Den høje temperatur gør det til et aggressivt miljø. Brænderen er udvendigt beklædt med varmebestandigt

udmuringsmateriale for at skåne stålet.

Praktiske erfaringer viser, at en god, stærk og stabil flamme er kort, small og intens. Afhængig af

brændselstype, kræves et korrekt moment på det indblæste luft for at skabe den ønskede flammeprofil.

(FLSmidth A/S, 2013, p. 6).

Figur 2 – Cement brænder installeret i roterovn set bagfra (FLSmidth, 2015)


Side 14 af 45

Brænderens moment er defineret ud fra den mængde luft som forlader brænderen og dets hastighed.

Momentet bliver defineret i Newton pr. Megawatt(N/MW):

𝑏𝑟æ𝑛𝑑𝑒𝑟 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡 =�̇� ∙ 𝑣

𝑃𝑏𝑟æ𝑛𝑑𝑒𝑟

Hvor Q er masseflowet på luften, v er hastigheden og Pbrænder er brænderens nominelle effekt. Praktisk

erfaring viser, at et brændermoment bør være imellem 8-12N/MW (Nielsen, 2015).

Størstedelen af den nødvendige forbrændingsluft til brændstofferne tilføres via sekundærluften. Fordelen

ved at bruge denne luft er, at luften allerede er opvarmet, fordi den aftager varme fra cementklinkerne i

køleren. For at opnå en hurtigere forbrænding af brændstoffet er det derfor vigtigt, at sekundærluften

hurtigt blandes med brændstoffet.

Det er pga. det hårde miljø i ovnen ikke muligt at monitorere flammens effektivitet under drift. Derfor

overvåges flammen ved kontinuerligt at måle temperaturen via et termisk kamera på ydersiden af ovnen.

En brænders ydelse ligger typisk mellem 20 og 250MW.

2.1.4 Klinkedannelse og cement

Efter roterovnen passerer råmelet ned i en køler. Her aftager luft varmen fra råmelet, som klumper

sammen og bliver til sten på størrelse med håndbolde. Disse sten kaldes klinker. Luften genanvendes

igennem ovnen.

Når klinkerne er nedkølet, transporteres de til store cement møller, hvor de blandes med diverse additiver

og males fint til slutproduktet cement.

2.1.5 Kvalitet

Cementens kvalitet måles jævnligt ved at analysere klinkerne. Analysen viser mineralernes

blandingsforhold og dermed, om temperaturen under fremstillingen har været korrekt. Tabel 1 viser

bestanddelene af typisk Portlands cement.

Tabel 1 – Typisk sammensætning af Portland cement (Nørskov, 2012).

Kemisk formel Typisk indhold

[% masse]

Primære mineraler Alite 3CaO·SiO2 65

Belite 2CaO·SiO2 15

Aluminate 3CaO·AL2O3 10

Ferrite 4CaO·AL2O3·Fe2O3 10

Mindre bestanddele Fri kalk CaO 1

Magnesiumoxid MgO 2

Kalium sulfat K2SO4 1

Natrium sulfat Na2SO4 0,5


Side 15 af 45

Brænderens flamme og temperatur har stor indflydelse på kvaliteten. Selvom den rette kemi er til stede i

råmaterialerne, og blandingsforholdene er korrekte, er det ikke ensbetydende med, at kvaliteten af

cementen er tilfredsstillende.

En af de vigtige faktorer for cementens kvalitet er mængden af frikalk. Mængden af frikalk afslører, om

kalken(CaO) er bundet til siliciumdioxiderne (SiO2) og dermed om råmelet er brændt optimalt. Den høje

temperatur på flammen sørger for at kalken binder sig og dermed, at frikalk niveauet reduceres. Typisk

ligger niveauet af frikalk mellem 1 til 2 % af den samlede masse. Det er muligt at komme under 1 %, men

det kræver for meget energi og anses derfor ikke for rentabelt.

2.2 Nuværende brænder Dette afsnit indeholder en gennemgang af kundens nuværende brænder. Udviklingsprojektet er foregået

som et retrofit af denne brænder. Brænderens nominelle ydelse er på 65MW. Kunden har som fabrik af

verdens anden største cementkoncern, Holcim, erfaret, at denne brænder er den bedste på markedet med

SRF som primær brændsel. En brænder med en sådan ydelse og konfiguration har en pris på ca. 240.000€

inkl. transport, idriftsætning mv. (Deurs, 2015).

2.2.1 Forbrug og produktionsdata

Nedenstående tabel viser en oversigt over forbrug og produktionsdata for den slovakiske cementfabrik i

2014 (bilag dok nr 01 & 02).

Tabel 2 – Brændstofforbrug og produktionsdata for 2014

Forbrug og produktionsdata over 2014 Total driftstimer 6515 h

Antal timer i drift med SRF (ekskl. Opstarts perioder) 6375 h

Petcoke forbrug 16.839 tons

Petcoke gennemsnitlig nedre brændværdi 31.224 GJ/tons

SRF forbrug 53.684 tons

SRF gennemsnitlig nedre brændværdi 16.040 GJ/tons

Produceret cement klinker 141,8 tons/h

Årlig produktion af klinker 903.975 tons


Side 16 af 45

2.2.2 Konstruktion

Som det fremgår af figur 3 består brænderen af flere rør, som er skubbet ind i hinanden, i hvilke de

forskellige brændsler og luft kommer ud i mellemrummene. Vinkeljernet bruges til transportsikringen og er

ikke en del af brænderen. På figur 3 mangler centerrøret, som er illustreret på figur 4. Centerrøret består af

3 rør, som styres af en frontplade. Denne frontplade har en masse små huller til køling af fronten, hvormed

deformation og stress i materialet forhindres. På grund af den høje temperatur og strålevarme er køleluft

ved alle blottede overflader nødvendigt. Køleluft gavner imidlertid ikke processen og betragtes således som

energispild. Således skal køleflowet holdes på et minimum.

I de følgende punkter gennemgås rørenes funktion:

Aksialluften er den luft, som skaber det primære

fremadrettet moment i flammen. Luften er ligeledes et

tilskud til forbrændingsluften. Ved udmundingen

mindskes arealet for at hæve hastigheden på luften.

Yderligere vinkles luften 10° (se figur 5), hvilket skaber

en svirveleffekt, der er med til at skabe flammeformen

og give en god opblanding af luften og brændstofferne.

Aksialluftens høje hastighed skaber et undertryk for

sekundærluften, hvormed en stor mængde af den

sekundære luft suges ind i flammen.

Radial/svirvel luftens funktion er at skabe mere svirvel

på den luft, som kommer ind. Dette gøres ved at vinkle

luften 30°, inden den forlader fronten. Ved at regulere

på denne luftmængde ændres svirvelkraften og dermed også flammens profil. Arealet mindskes

ligeledes ved udmundingen for at hæve hastigheden på luften.

Gas bruges kun ved opstart og i opvarmningsperioden. Kanalen har et lille køleflow af luft under

normal drift for ikke at skabe for store temperaturdifferenser i materialet.

Aksialluft

Radial luft

Gas

Kul/petcoke

Figur 3 – Kundens brænderfront (Forfatterens eget arkiv, 2015)

SRF

Olie forstøvning

Tænder

Figur 4 – Centerrør (FLSmidth A/S, 2013)

Figur 5 – Aksialrør (Forfatterens eget arkiv, 2015)

10° vinkel


Side 17 af 45

Kul/Petcoke indblæses sammen med dets transportluft annulart3. Både gas og petcoke indblæses i

denne ringform for at undgå at brændstoffet koncentrerer sig i bunden af røret. En stor

koncentration af brændstof i bunden af røret vil bevirke, at dette ikke forstøves tilstrækkelig, og

dermed opnås en dårlige antændelse af brændstoffet.

SRF er det primære brændstof og sammen med transportluften kommer det ind næsten i centeret

af brænderen. På grund af SRF’en store partikelstørrelse er det ikke muligt at indføre dem annulart.

Olie forstøvning er ligesom gas et muligt optændingsbrændstof. Af økonomise årsager kan det

være rentabelt at bruge olie eller gas som brændsel. Derfor er det ofte en mulighed mange kunder

ønsker.

Tænderen er en mindre gasdrevet brænder, som bruges til at tænde det primære brændstof og

starte flammen.

Ved at regulere på radial/svirvel luften kan omkredsen af flammen ændres (se figur 6). Højere

svirvelfunktion giver en bredere og kortere flamme, hvilket er med til at gøre flammen mere intens. En for

høj svirvelfunktion resulterer dog i en for bred flamme, og at der afgives for meget varme til ydervæggen af

roterovnen.

2.2.3 Primærluft og distribuering

Primærluften er den luft, som fordeles ud til de forskellige kanaler i brænderen. Primærluften leveres af en

enkelt blæser. Primærluften svarer til ca. 8-14 % af den nødvendige forbrændingsluft. Dette svarer til et

brændermoment på 8-14 N/MW (Nørskov, 2012, p. 8). Yderligere kommer der også et tilskud til

forbrændingsluften ved den luft, som er brugt til at transportere brændstoffet.

Luftmængden og flowet til kanalerne reguleres ved brug af manuelle butterfly ventiler. Da der er tale om

manuelle ventiler, ændres flowet til de forskellige kanaler sjældent. Luftfordelingen justeres ved indkøring

af brænderen således at der opnås en god flamme. Herefter justeres ventilerne ikke yderligere med

mindre, der opstår radikale ændringer i brændstoffet (Nielsen, 2015). Da blæseren til primærluft er en fast

fortrængningsblæser, er det nødvendigt at bruge alt luften. Hvis der drøvles for meget på ventilerne, opstår

et modtryk på blæseren og denne kobler ud på overtryk.

3 Ringformet

Figur 6 – Illustration af svirvel funktion (FLSmidth A/S, 2013)


Side 18 af 45

Kunden har oplyst følgende indstillinger for primærliften ved normal drift (bilag dok nr. 03). På udgangen af

primærblæseren er et flow på 17.055kg/h ved 1,265 baro, 40 °C og 0,99 bar i omgivelserne (200 m over

havoverfladen) målt. Kunden har tidligere oplyst et flow på ca. 14.050kg/h. Tabel 3 viser luft

distribueringen af kundens nuværende brænder.

Tabel 3 – Luftdistribuering af nuværende brænder

Flow Tryk ind

Tryk ud Temp. ud

Densitet ud

Hastiged Ud

Moment (korrekt moment)

Kanal [𝑚3

ℎ] [

𝑘𝑔

ℎ] [

𝑚𝑛3

ℎ]

[𝑚𝑏𝑎𝑟] [𝑚𝑏𝑎𝑟] [℃] [𝑘𝑔

𝑚3] [

𝑚

𝑠] [

𝑁

𝑀𝑊] [

𝑁

𝑀𝑊]

Aksial 13.550 9.892 7.645 1.230 990 200 0,73 256 10,8 10,6

Radial 5.500 5.880 4.544 1.100 990 50 1,07 140 3,6 3,1

Kul/Petcokekanal køling 0 0 0 1.010 990 50 1,07 61 0,0

Gaskanal køling 600 641 496 1.010 990 50 1,07 61 0,2

Centerkanal køling 600 641 496 1.010 990 50 1,07 61 0,2

Total 20.250 17.055 13.180 15 14

Af tabellen fremgår, at aksialluften opnår en betydelig højere temperatur end de resterende kanaler.

Årsagen er, at aksialluften blæser i den yderste kanal, som er udsat for mest strålevarme.

Som det fremgår af tabellen opererer brænderen med et flammemoment på 14 N/MW ved nominel ydelse.

Forskellen på korrektmoment og moment er, at luftflowene bliver vinklet ved udmundingen af brænderen

for at skabe svirveleffekten. På grund af denne vinkling yder alt luftens hastighed ikke kun et aksialt

moment, men også et radialmoment. Krafterne er illustreret på figur 7.

Aksialluft Radialluft

Figur 7 – Vektor illustration af aksial- og radialluft (Forfatterens eget arkiv, 2015)


Side 19 af 45

2.3 Termisk substitutionsgrad Termisk substitutionsgrad (TSR) angiver forholdet mellem effekten af forbrændt SRF og effekten af

forbrændt petcoke.

Den termiske substitutionsgrad er defineret ved:

𝑇𝑆𝑅 =𝑚𝑆𝑅𝐹 ∙ ℎ𝑖𝑆𝑅𝐹

𝑚𝑝𝑒𝑡𝑐𝑜𝑘𝑒 ∙ ℎ𝑖𝑝𝑒𝑡𝑐𝑜𝑘𝑒 + 𝑚𝑆𝑅𝐹 ∙ ℎ𝑖𝑆𝑅𝐹∙ 100 =

𝐸𝑆𝑅𝐹

𝐸𝑝𝑒𝑡𝑐𝑜𝑘𝑒 + 𝐸𝑆𝑅𝐹∙ 100

hvor m er massen, hi er den nedre brændværdi, og E angiver effekt.

Visse fabrikker, typisk europæiske, har opnået en TSR på 65 %, hvilket svarer til, at den termiske

energimængde stammer fra 65 % alternativt brændsel og 35 % fossilt brændstof (Cembureau, u.d.).

2.4 Brændstoftyper

2.4.1 Petcoke

Petcoke er en forkortelse af petroleum coke. Brændstoffet anvendes i særdeleshed af kraftværker og

cementfabrikker verden over. Petcoke er et af de sidste restprodukter, som opstår ved olieraffinering. På

trods af dette har petcoke stadig et højt kalorieindhold. Brændstoffet købes som små sten, og kræver

derfor viderebehandling, hvor petcoken males til fint støv, så det kan anvendes som brændstof. Petcoken

er meget ensartet og et meget stabilt brændstof, som ikke skaber store driftsudsving ved brænderen.

Figur 8 – Petcoke før formaling (Wikipedia, 2015)


Side 20 af 45

2.4.2 Solid Recovered Fuel

Solid Recovered Fuel er affald, som er revet i stykker/makuleret til mindre partiker. Brændslet er meget

varierende i størrelse og indhold. Kundens SRF består primært af plastik, papir, naturlige fibre og kunstfibre.

SRF’en indeholder desuden få metaldele, som på grund af afgivning af oxider kan skabe lokale problemer i

cementkvaliteten. Figur 9 viser et billede af SRF med en bilnøgle for at få forståelsen for størrelsesforholdet

af bestanddelene.

2.4.3 Prisen på brændstof

Fordi petcoke er et restprodukt, er det med til at gøre produktet billigt i forhold til kul og det sammen med

dets høje brændværdi gør det meget brugt til forbrænding hos særligt cement- og kraftværksindustrien.

Selvom petcoke er et olieprodukt, er det ikke kun bestemt af oliepriserne, men fordi det bliver brugt som

substitution for kul følger det kulpriserne. Desuden har den kinesiske industri, som står for 55 % af verdens

cementproduktion (Cembureau, 2014) fået øjnene op for produktet. Dette har været med til at fastholde

de høje priser på petcoke på trods af, at der de seneste år er set svingninger i oliepriserne (Jonathan Dart,

2015). De høje priser er en stor motivationsfaktor for at fokusere på et billigere brændsel. Fabrikken i

Slovakiet har oplyst, at deres pris på petcoke inklusiv behandling (klar til forbrænding) er 100 € pr. tons

(Nielsen, 2015).

Prisen på SFR er betydelig mindre end prisen på petcoke. Den primære årsag til at fyre med SRF er dets

gode kombination af billige pris og relative gode brændværdi. Fabrikken har oplyst en slut pris på 10 € pr

tons inklusiv behandling (klar til forbrænding). Priserne er meget svingene på grund af udbud og

efterspørgsel, og de senere år har der været en tendens til en stigende pris.

For at holde prisen nede køber cementfabrikkerne ofte SRF’en hos forskellige leverandører og i store

partier. Nogle af de større cementproducenter er sågar begyndt at købe andele i firmaer, som fremstiller og

leverer SRF’en for at sikre deres forsyning af brændstoffet. Ved at købe disse andele kan

cementproducenterne også nemmere kontrollere kvaliteten af det produkt, de køber (Drivsholm, 2015).

Figur 9 – SRF (bilnøgle for størrelsesforhold) (Forfatterens eget arkiv, 2015)


Side 21 af 45

3 Metode Udviklingen af den retrofittede brænderfront tager udgangspunkt i en række undersøgelser, der belyser:

- TSR for kundens eksisterende brænder

- udfordringerne ved SRF som brændsel

- den økonomiske brændstofbesparelse ved øget TSR

- ændringer af emissionsgasser fra forbrændingen

- Refleksioner over udfordringer ved den retrofittede brænderfront

FLSmidth har ikke adgang til centerrøret, og derfor kan frontdesignet af dette ikke optimeres.

3.1 Rådata Rådata stammer fra både FLSmidth og den slovakiske cementfabrik. Behandling af dataene og beregninger

af større omfang er anført i bilag, og der henføres løbende til disse i rapporten. Behandlingen af disse

rådata omhandles i de efterfølgende afsnit.

3.2 Termisk substitutionsgrad Substitutionsgraden er beregnet for kundens eksisterende brænder under den nuværende driftssituation.

Ud fra den nuværende substitutionsgrad er det muligt at vurdere, hvorvidt den nye brænder tillader en

højere substitutionsgrad.

Udregningen inkluderer ikke den mængde kul, som bruges til opstart af ovnen. Den gennemsnitlige

substitutionsgrad beregnes med den gennemsnitlige brændværdi for henholdsvis SRF og petcoke.

3.3 Brændstofanalyser Brændstofanalyserne er testet ved stikprøvemetode for at minimere udgifterne og timeforbruget i forhold

til en test af den samlede population. Den tilsendte batch af brændstof fra den slovakiske cementfabrik er

desuden en stikprøve fra deres brændstoflager. Det er ikke muligt at verificere rådata fra FLSmidth og den

slovakiske cementfabrik, idet usikkerheden i måleinstrumenter og andet udstyr brugt af FLSmidth og

kunden ikke kendes. Det antages imidlertid, at rådataene er valide.

3.3.1 Brændværdi og vandindhold

Brændværdien for petcoke og SRF er opgivet af kunden for henholdsvis 37 og 463 samples. For at teste

brændværdiernes pålidelighed er der udført en statistisk analyse på disse. Grundlaget for verificeringen af

disse bygger således på en antagelse om, at måleinstrumenternes usikkerhed ikke har signifikant

indflydelse på resultaterne, men at stikprøvemetoden kan påvirke rådataenes pålidelighed.

Der er beregnet en gennemsnitlig brændværdi samt et gennemsnitligt vandindhold for begge brændstoffer

(bilag dok nr 02).

3.3.2 Kemisk sammensætning

Den kemiske sammensætning af petcoke er leveret af kunden.

Den kemiske sammensætning af SRF er bestemt ved en stikprøveanalyse af en sample fra kunden på

FLSmidth’s eget laboratorie. Indholdet af kulstof, hydrogen, nitrogen og svovl er bestemt ved en CHN-S

analyse. Rådata fremgår i bilag 1.


Side 22 af 45

3.3.3 Partikelstørrelse på Solid Recovered Fuel

Partikelstørrelsen er bestemt ved en sigteanalyse. Indledningsvis er der tilfældig udtaget 20kg som

stikprøve af det tilsendte SRF. Prøven er tørret/affugtet ved stuetemperatur i 24 timer. Af denne stikprøve

er der udtaget 14 tilfældige samples på ca. 400g. De 14 samples er sigtet i 5 minutter med sold størrelse på

henholdsvis 16, 8, 4, 2 og <2mm2. Indholdet i hver sold er vejet for at bestemme partikelfordelingen.

Forsøgsdata fremgår i bilag 2.

3.3.4 Aerodynamiske egenskaber for Solid Recovered Fuel

En vindsigteanalyse er foretaget for at bestemme brændstofpartiklernes aerodynamiske egenskaber i

forhold til størrelse og masse. Analysen foregår ved at introducere brændstofpartiklerne i et vertikalt rør

med et suge flow i forskellige hastigheder. Efterfølgende vejes andelen af de partikler, som bliver taget med

flowet samt de partikler, som falder (gennemfald). Der er lavet separate analyser af de enkelte

partikelstørrelser samt usigtet sample. Partikler mindre end 2mm er ikke medtaget i analysen, da disse er

for små til at fungere i forsøgsopstillingen. Forsøgsdata fremgår i bilag 3.

3.4 Brændstofbesparelse Brændereffekten er beregnet ud fra brændstofforbruget og brændstoffernes gennemsnitlige brændværdi

(bilag 4). Det samlede årlige forbrug af henholdsvis petcoke og SRF er beregnet ud fra oplyste tal for

produktionsåret 2014 (bilag dok nr 01). Besparelserne for henholdsvis petcoke og SRF er beregnet ud fra

dette samlede forbrug og prisen på henholdsvis petcoke og SRF (bilag 5).

3.5 Emissioner Udledning af CO2 og SO2 er beregnet ud fra brændstoffernes kemiske sammensætning, produktionsdata,

gassernes individuelle gaskonstant og trykket i roterovnen.

Trykket i roterovnen er oplyst af kunden. Den individuelle gaskonstant for CO2 og SO2 er tabelopslag

(Eriksen, 2007, p. 245). Emissions beregninger fremgår i bilag 6.

3.6 Udvikling af ny brænderfront For at opnå forståelse for de aerodynamiske forhold, som forskellige designs af brænderfronten kan

medføre, er der udført pilotforsøg, hvori cementovnens dimensioner er nedskaleret i forhold til den reelle

cementovn. I disse pilotforsøg er flammeprofilen for forskellige designmuligheder testet. For at holde

udgifterne nede, er forsøgene udført som en ”koldovnstests”. Det vil sige, at der ikke har været ild i

brændstoffet. Rådata fra koldovns testen findes i (bilag dok nr 03).

Forsøgsopstillingen er illustreret i bilag 7.

3.6.1 Bestemmelse af luftdistribuering

Luftdistribuering tager udgangspunkt i de oplyste flow fra kunden. I beregning af radial- og aksialflow på

den retrofittede brænder er flow til køling af gas- og centerkanal holdt konstant. Radialflowet er beregnet

ud fra svirvlerens overfladeareal og hastigheden ved udmundingen. Aksialflowet er beregnet som

differencen mellem det totale flow, køleflowet og radialflowet.

Det maksimale flow igennem svirvleren(radialluft) defineret ved brug af 3D programmet SolidWorks.

Hastigheden er udregnet efter Bernoullis princip.


Side 23 af 45

Temperatur og tryk på diverse kanaler er opgivet fra kunden.

Dimensions begrænsninger på svirvleren tillader et maksimalt flow på 4.500m3/h.

Udregningseksempel for luftdistribution findes i bilag 8. De komplette udregninger er udført i Excel ark (dok

nr 04).

4 Resultater I følgende afsnit er resultater fra udviklingsprojektet fremlagt. Resultarterne er vurderet og diskuteret i

efterfølgende kapitel 5.

4.1 Nuværende termisk substitutionsgrad Den gennemsnitlige TSR for kundens eksisterende brænder under den nuværende driftssituation er 62,1 %

givet af nedenstående beregning.

𝑇𝑆𝑅2014 =𝑚𝑆𝑅𝐹 ∙ ℎ𝑖𝑆𝑅𝐹

𝑚𝑝𝑒𝑡𝑐𝑜𝑘𝑒 ∙ ℎ𝑖𝑝𝑒𝑡𝑐𝑜𝑘𝑒 + 𝑚𝑆𝑅𝐹 ∙ ℎ𝑖𝑆𝑅𝐹=

53.684 ∙ 16,04

16.839 ∙ 31,22 + 53.684 ∙ 16,04= 62,1 %

4.2 Brændstof analyse

4.2.1 Petcoke

Tabel 4 viser den kemiske sammensætning af den brugte petcoke samt brændværdien.

Tabel 4 – Kemisk sammensætning af petcoke samt brændværdi

Kemisk betegnelse Indhold

[% masse]

Kulstof C 80,3

Hydrogen H 3,24

Nitrogen N 0,3

Svovl S 3,1

Andet flygtigt

3,26

Fugt/vand W 0,52

Aske

9,3

Nedre brændværdi Hi 31.224 [kJ/kg]

Den gennemsnitlige brændværdi og tilhørende standardafvigelse er beregnet ud fra 37 målinger. Som det

fremgår af tabel 4 er den gennemsnitlige brændværdi 31,2 MJ/kg med en standardafvigelse på 1,64 MJ/kg.

Tilsvarende er det gennemsnitlige vandindhold beregnet til 0,52 % med en standardafvigelse på 0,12 %.


Side 24 af 45

4.2.2 Solid Recovered Fuel

4.2.2.1 Kemisk sammensætning

Tabel 5 viser den kemiske sammensætning af den brugte SRF samt brændværdien.

Tabel 5 – Aske- og vandindholdet i SRF samt brændværdi

Kemisk betegnelse Indhold

[% masse]

Kulstof C 47,6

Hydrogen H 6,23

Nitrogen N 1,71

Svovl S 0,09

Fugt/vand W 20,58

Aske

17,99

Nedre brændværdi Hi 16.040 [kJ/kg]

Den gennemsnitlige brændværdi og tilhørende standardafvigelse er beregnet ud fra 463 målinger. For at

gøre de mange målinger overskuelige er der i figur 10 lavet et histogram over målingerne.

Den gennemsnitlige brændværdi er 16,04 MJ/kg. Den mindste brændværdi er 5,31 MJ/kg og den største er

30,67 MJ/kg. Standardafvigelsen på målingerne ligger på 3,76 MJ/kg. Størstedelen af målingerne ligger

indenfor 11,5-18 MJ/kg svarende til 68 %.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

An

tal m

ålin

ger

GJ/tons

SRF brændværdi histogram

Figur 10 - Histogram over brændværdien for SRF fra 2014 (Forfatterens eget arkiv, 2015)


Side 25 af 45

Figur 11 viser et histogram over vandindholdet i SRF’en. Den primære del af målingerne ligger inden for 10-

42 %, svarende til i alt 89 %. Det gennemsnitlige vandindhold er 20,6 % og standardafvigelsen er 9,1 %.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

2-10 10-18 18-26 34-42 42-50 50-58 58-66

An

tal m

ålin

ger

GJ/tons

SRF vandindhold histogram

Figur 11 – Histogram over vandindholdet for SRF fra 2014 (Forfatterens eget arkiv, 2015)


Side 26 af 45

4.2.2.2 Sigte analyse

Figur 12 viser resultaterne fra sigteanalysen. Rådata findes i bilag 2.

Figur 12 viser, at de forskellige samples er meget ens i partikelstørrelsen. Det ses ved at kurverne har et

meget horisontalt forløb uden de store udsving. På sample 4, 7 og 13 ses der nogle modsatrettede udsving

på 8 og 16mm kurverne. Trods det har SRF en god homogen blanding hvad angår størrelsesfordelingen af

partiklerne. Den største andel af partikler i brændstoffet har en størrelse mellem 8-16mm svarende til 36 %

af den samlede mængde partikler. Ved visuel inspektion af de mindste partikler (<2mm) sås ingen spor af

sand.

4.2.2.3 Vindsigte analyse

Figur 13 viser den procentmæssige fordeling af de gennemfaldne partikler. For samtlige partikelstørrelser

er størstedelen af partiklerne båret med flowet ved vindhastigheder over 8 m/s. For den usigtet sample ses

et gennemfald på 9 % ved 8 m/s. Rådata fremgår i bilag 3.

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

Brændstof partikel fordeling

16mm

8mm

4mm

2mm

<2mm

Figur 12 - Partikel fordeling på brændsel (Forfatterens eget arkiv, 2015)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

8 m/s 6 m/s 5 m/s 4 m/s 3 m/s 2 m/s 1 m/s

Gennemfald

16mm

8mm

4mm

2mm

Usigtet

Figur 13 – Gennemfaldsanalyse af SRF ved brug af vindsigte (Forfatterens eget arkiv, 2015)


Side 27 af 45

4.3 Brændstofbesparelse Det årlige forbrug af petcoke for 2014 var 16.839 tons, hvilket gav en årlig pris på petcoke på 1.683.911 €.

Det årlige forbrug af SRF var 53.684 tons, hvilket gav en årlig pris på SRF på 536.842 €. Kunden brugte

således 2.220.753 € på brændstof i 2014 ved en gennemsnitligt TSR på 62 % og en brændereffekt på ca.

60MW. Udregninger findes i bilag 5.

Tabel 6 viser forbruget og de mulige besparelser, hvis TSR øges 1 %.

Tabel 6 – Brændstofforbrug og besparelse

Brænder effekt Klinker produktion

60,43 141,8

MW tons/h

Petcoke forbrug 2,6 tons/h

18,63 kg/tonsklinker

43,7 kg/MWh

SRF forbrug 8,4 tons/h

59,39 kg/tonsklinker

139,4 kg/MWH

Tilvækst pr. 1 % øget TSR Petcoke -

- - -

70 1,15 0,12 0,05

kg/h kg/MWh €/MWh €/tonsklinker

SRF + + + +

136 2,24 0,02 0,01

kg/h kg/MWh €/MWh €/tonsklinker

Total besparelse pr. øget TSR

0,09 0,04

€/MWh €/tonsklinker

Mulig besparelse for 2014 pr. 1 % øget TSR (6375 timer) 5,61

35.772 €/h €

Der opnås en besparelse på 0,04€/tonsklinker produceret for hver 1 % hævet TSR. Ved samme produktion af

cementklinker som i 2014, er det en årlig besparelse på 35.772€ per hævet TSR.

Under antagelse af, at brændstoffernes slutpriser er konstante, er prisbesparelsen lineær med

substitutionsgraden. Besparelsen er illustreret på næste side (figur 14).


Side 28 af 45

Den beregnede besparelse medfører et årligt merforbrug af SRF på ca. 860 tons pr. procentvis øget TSR.

4.4 Emissioner Tabel 7 viser mulige CO2 og SO2 reduktioner pr. procentvis øget TSR. Udregninger findes i bilag 6.

Tabel 7 – Emissions (CO2 og SO2) ændringer ved øget TSR

Emission CO2 SO2

Δ pr. øget 1 % TSR Δ pr. øget 1 % TSR

[𝑘𝑔𝐶𝑂2𝑡𝑜𝑛𝑠𝑘𝑙𝑖𝑛𝑘𝑒𝑟⁄ ] [𝑘𝑔𝐶𝑂2

∕ ℎ] [𝑘𝑔𝐶𝑂2𝑡𝑜𝑛𝑠𝑘𝑙𝑖𝑛𝑘𝑒𝑟⁄ ] [𝑘𝑔𝑆𝑂2

∕ ℎ]

Petcoke 1,40 199,75 0,029 4,12

SRF -1,63 -230,49 -0,0016 -0,23

Total -0,23 -30,74 0,0274 3,89

Beregningerne viser, at en øgning af TSR på 1 % giver anledning til en stigning i CO2 udledningen på 0,23

kgCO2/tonsklinker svarende til 30,74 kg/h. SO2 udledningen reduceres ved øget TSR. Tilvæksten i udslippene er

lineære med den procentvise forøgelse af TSR.

0

500

1000

1500

2000

2500

50 60 70 80 90 100

€ x 1.000

TSR

Arlig brændstof pris og besparelse

Besparelse

Pris for SRF

Pris for petcoke

Figur 14 – Prisbesparelse per øget TSR (Forfatterens eget arkiv, 2015)


Side 29 af 45

4.5 Design af den retrofittede brænderfront De betydelige ændringer i forhold til den nuværende brænder er listet og efterfølgende uddybet i dette

afsnit:

Ny frontplade med 20 drejbare dyser til aksialluft

Ændring af radial/svirvel kanal

Tilbagetræknings mulighed af center- og svirvelrør

Det endelige design af brænderfronten ses på figur 15

4.5.1 Frontplade og drejbare dyser

Der er designet en ny ringformet frontplade med 20 huller. Hullerne gør plads til 20 drejbare dyser. Det

primære formål med de 20 dyser er at danne en cylinderformet indkapsling af brændstoffet ved brug af

aksialluft. Dysens opbygning er illustreret på figur 16. Dysens udmunding skaber en vifteform som sikrer

indkapsling af brændslet ved at danne cylinderform på luften. Indkapsling af brændstoffet sikres ligeledes

ved en svirveleffekt, som skabes ved at dysens udmunding ikke er centreret og er udført med 5°

forskydning. Ved dyserne yderligere er drejbare kan der skabes svirvel effekt ved de 5° offset.

5°

Figur 16 – Drejbar dyse (Forfatterens eget arkiv, 2015)

Dyser til aksialluft

Svirvler

Gas

Kul/petcoke

SRF

Figur 15 – Retrofittet brænder front (Forfatterens eget arkiv, 2015)


Side 30 af 45

Der er desuden mulighed for at regulere dysen ved at dreje den 180°. Dette gør det muligt at bestemme

hvorvidt luften skal styres mod eller væk fra centeret.

Brænder designet er udført således, at det er muligt at skifte dyserne fra fronten. Der er produceret to sæt

dyser med et udmundingsareal på henholdsvis 730mm2 og 880mm2.

Dyserne bliver ved fronten sammenkoblet med det rør som skal transportere aksialluften. Røret går

gennem hele brænderen fra front til bagende. Det er således muligt at justere dyserne i et sikkert miljø fra

bagenden, selv under drift. Der er konstrueret et fjederdesign således at dyserne konstant trækkes ind mod

frontpladen. Dysens anlægsflade og hullerne i frontpladen er 45° koniske således er dysen konstant

centreret i hullerne.

4.5.2 Svirvler og tilbagetrækning af centerrør

I den retrofittede brænder, er svirvleren flyttet længere ind mod centreret af brænderen. Samtidig

påsvejses svirvleren centerrøret så den følger røret ved tilbagetrækning. Svirvleren er vinklet yderligere 30°

radialt sammenlignet med den nuværende brænder. Luften vinkles derfor 60° inden udmundingen. En 3D

illustration af svirleren ses på figur 17.

På figur 18 ses resultatet af en tilbagetrækning af centerrøret. Det ses, at brændstoffet nærmest bliver

bremset og opblandet med luften ca. 20cm fra brænders fronten når røret tilbagetrækkes. Der installeret 4

temperatur følere på indvendig side af brænderen; 2stk. på frontpladen og 2stk. på svirvleren. Hvis

temperaturen overstiger 950 °C kører cylinderen automatisk centerrøret frem til fronten igen.

Figur 18 – Billeder af tilbagetrækning af centerrør (FLSmidth A/S, 2013)

Figur 17 – Svirvler for retrofittet brænder (Forfatterens eget arkiv, 2015)

60° huller til radial luft


Side 31 af 45

4.5.3 Luftflow

For at illustrere luft flowet fra brænderen og svirvel funktionen er vindhastighederne i en afstand på

henholdsvis 2m (blå), 4m (rød) og 6m (grøn) fra brænderen målt (se figur 19). I figuren er den retrofittede

brænder sammenlignet med den nuværende brænder. Som det ses giver det nye design en større

fleksibilitet i ændring af flammeprofilen. Desuden bremser den øgede vinkel på svirvleren også

flowhastighed på centeret af flammen.

Med svirvel

Uden svirvel

Nuværende brænder

Retrofittet brænder

Figur 19 – Sammenligning af ”kold” flammeprofil af nuværende- og retrofittet brænder (Forfatterens eget arkiv, 2015)


Side 32 af 45

Funktionen af svirvleren ved tilførsel af SRF er testet for at finde et optimalt sammenspil mellem aksial og

radial luft. Brændstoffets aerodynamiske egenskaber er vurderet visuelt. På figur 20 ses forskellen på

tilstandene ved at have svirvleren i funktion (til højre). Det ses tydeligt at svirvel funktionen skaber en

større radial kraft som får brændstoffet til at sprede sig tættere på brænderen.

Den optimale flammeprofil med SRF dannes når dyserne vinkles 30°, et fremadrettet aksialmoment på

6,5N/MW og et fremadrettet radialmoment på 3N/MW. Dette resulterer i følgende forhold mellem det

fremadrettet aksial- og radialmoment.

3 𝑁 ∕ 𝑀𝑊

6,5 𝑁 ∕ 𝑀𝑊= 0,46

Testresultaterne er opsummeret på figur 21:

Figur 20 – Billeder af ”kold” flammeprofil med og uden svirvler

Sekundærluft

Radial – Svirvel funktion

Aksialluft

Figur 21 – Illustration af testresultater fra ”koldovns” forsøg (FLSmidth A/S, 2013)


Side 33 af 45

4.5.4 Luftdistribuering i det retrofittet design

Kunden har oplyst to masse flow på primærluften: 14.050 kg/h og 17.057 kg/h. Begrænsninger hos kunden

gør det ikke muligt at skabe et højere masse flow på primærluften end det totale på 17.057 kg/h ved

maksimum drift. Brænderens nominelle ydelse er bibeholdt på 65 MW.

I beregning af luftdistribution er der tilføjet et forventet flow på ca. 1.000m3/h til køling af frontpladen på

grund af dens store overflade. Beregningseksempel for distribution findes i bilag 7.Samlet udregninger

fremgår i (bilag dok nr 04).

I tabel 8 ses luftdistributionen ved et totalt flow på ~ 17.050 kg/h.

Tabel 8 – Luftdistribuering for retrofittet brænder ved totalflow på 17.050 kg/h

Flow Tryk ind

Tryk ud Temp. ud

Densitet ud

Hastiged Ud


Kanal [𝑚3

ℎ] [

𝑘𝑔

ℎ] [

𝑚𝑛3

ℎ]


𝑚3] [

𝑚

𝑠] [

𝑁

𝑀𝑊] [

𝑁

𝑀𝑊]

Aksial 14.000 10.221 7.899 1.230 990 200 0,73 256 11,2 10,1

Frontplade køling 1.000 730 564 1.100 990 200 0,73 174 0,5

Radial 4.500 4.811 3.718 1.230 990 50 1,07 212 4,4 2,2


Gaskanal køling 600 641 496 1.010 990 50 1,07 61 0,2


Total 20.700 17.045 13.172 16 12

Forholdet mellem det fremadrettede radial- og aksialmoment er derfor:

4,4 𝑁 ∕ 𝑀𝑊

11,2 𝑁 ∕ 𝑀𝑊= 0,39̲̲ ̲̲ ̲̲

Hvis flowet viser sig at være mindre 14.050 kg/h er følgende luft distribuering konfigureret:

Tabel 9 – Luftdistribuering for retrofittet brænder ved totalflow på 14.050kg/h

Flow Tryk ind

Tryk ud Temp. ud

Densitet ud

Hastiged Ud


Kanal [𝑚3

ℎ] [

𝑘𝑔

ℎ] [

𝑚𝑛3

ℎ]


𝑚3] [

𝑚

𝑠] [

𝑁

𝑀𝑊] [

𝑁

𝑀𝑊]

Aksial 9.900 7.226 5.586 1.230 990 200 0,73 256 7,9 7,1

Frontplade køling 1.000 730 564 1.100 990 200 0,73 174 0,5

Radial 4.500 4.811 3.718 1.230 990 50 1,07 212 4,4 2,2


Gaskanal køling 600 641 496 1.010 990 50 1,07 61 0,2


Total 16.600 14.050 10.859 13 9

Forholdet mellem radial- og aksialluft er således:

4,4 𝑁 ∕ 𝑀𝑊

7,9 𝑁 ∕ 𝑀𝑊= 0,46̲̲ ̲̲ ̲̲


Side 34 af 45

5 Diskussion Dette afsnit omfatter diskussion af resultaterne og de overvejelser som disse har indledt til. Der er i

afsnittet også klarlagt diskussion og overvejelser af metode brug.

5.1 Diskussion af metode

5.1.1 Brug af stikprøve-data

De undersøgelser, som er gået forud for udviklingen af den retrofittede brænderfront tager alle

udgangspunkt i stikprøve-data. Det har ikke været muligt at verificere disse rådata. Det er imidlertid

rimeligt at antage, at rådataene er valide. Resultaternes pålidelighed påvirkes af, at det ikke er testet, om

stikprøverne er repræsentative for den samlede population.

Indholdet af kulstof, hydrogen, nitrogen og svovl er bestemt ved en enkelt CHN-S analyse. Indholdet er

således ikke testet ved en dobbeltkontrol, hvorfor resultatets pålidelighed er usikker. Dette påvirker

pålideligheden af beregningerne af emissionsgasserne.

5.1.2 Brug af pilotforsøg til udvikling af brænderens front

Brugen af pilotforsøg til udvikling af brænderens front har været med til at holde udviklingsomkostningerne

nede. Det har desuden været en fordel at anvende pilotforsøg i udviklingen, da mulige fejl under

udviklingen ikke har betydet reel produktionsstop. Yderligere har pilotforsøgene været en god metode til at

eliminere de tvivlsomme antagelser, som er opstået undervejs i udviklingen.

Pilotforsøgene i udviklingsprojektet er udført i mindre skala end den faktiske driftssituation. Herudover har

brænderen og dennes front under pilotforsøgene været udsat for et mindre belastet miljø end under den

faktiske driftssituation, idet pilotforsøget er udført som en ”koldovnstest”. Da det primære formål med

pilotforsøget er at klarlægge, hvordan en god flammeprofil skabes ved hjælp af luft, bør

temperaturforskellen mellem pilotforsøget og den reelle drift situation ikke have indflydelse på valget af

brænderfront.

Valget af brug af koldovnstest betyder imidlertid, at resultaterne af pilotforsøgene ikke nødvendigvis kan

overføres direkte til den reelle drifts situation. En test af brænderen under drift vil vise, hvorvidt

resultaterne fra pilotforsøgene er overførbare til den reelle driftssituation. Det forventes, at yderligere

optimering af brænderfronten er nødvendig for at opnå den mest optimale TSR og samtidig fastholde en

pålidelig og driftssikker brænder med en effektiv flammeprofil i driftssituationen.

5.2 Diskussion af resultater

5.2.1 Termisk substitutionsgrad i den nuværende brænder

Sammenlignet med europæiske standarder, hvor der maksimalt er opnået en TSR på 65 %, vurderes den

nuværende TSR på 62 % hos kunden i Slovakiet at være god.

Når kunden har øget TSR til over 65 % har de haft udfordringer med kvaliteten af cementen. En øget TSR

resulterer i en lavere temperatur på flammen og dermed en højere frikalk værdi. Dette skyldes, at når

masse flowet af SRF øges, stiger mængden af transportluft også og derfor oplever de for meget

fremadrettet kraft på luften fra brænderen. Dette skaber en flammeprofil som er lang og ikke særlig intens

hvilket giver en dårligere varmeoverførsel til råmelet.


Side 35 af 45

5.2.2 Brændstofanalyse

5.2.2.1 Petcoke

Petcoken har et højt indhold af kulstofatomer og et relativt højt svovlindhold der sammen med ilt i

forbrændingen skaber store mængder af CO2 og SO2. Det lave vandindhold er en fordel da fordampning af

vandet under forbrændingen medfører et energitab.

Ud fra standardafvigelsen på brændværdien vurderes petcoke som et homogent brændstof. Petcoke er

således et godt stabilt brændstof, som giver en god stabil flammetemperatur og deraf minimale

driftsproblemer. Det er derfor ofte petcoke, som skaber grundflammen. Mængden af petcoke bruges som

reguleringsparameter, hvis temperaturen på flammen falder, på grund af svingninger i brændværdien på

det alternative brændsel.

5.2.2.2 Solid recovered fuel

5.2.2.2.1 Kemisk sammensætning

Brændværdien og vandindholdet for SRF varierer meget. Dette skyldes brændstoffets heterogene

sammensætning. Da SRF er et blandingsprodukt har hvert materiale sit eget kalorieindhold og evne til at

bibeholde deres vandindhold. Vandet skal fordampes inden brændstoffet kan antændes. Derfor medfører

et højt vandindhold, at forbrændingen sker længere væk fra brænderfronten, og der skabes en længere og

mindre intens flamme. Et varierende vandindhold forårsager temperaturudsving på flammen.

Temperatursvingningen gør det svært at fastholde en lav frikalk værdi og påvirker dermed effektiviteten af

forbrændingen.

Brændværdien på SRF er betydeligt mindre end på petcoke. Sammenlignet med gennemsnittet på

alternativ brændslers brændværdi fra industriel affald; 18,5 MJ/kg (Nørskov, 2012), er brændværdien på

SRF betydelig mindre (16,0 MJ/kg). Det resulterer i, at der skal mere brændstof til at skabe de samme

kalorier.

Kulstof niveauet er meget høj i forhold til andre standarder på SRF, men er et resultat af at brændslet

primært er bestående af organiske fibre og plastik. Særligt plastik indeholder mange kulstofatomer. Dette

påvirker udledningen af CO2.

5.2.2.2.2 Sigte

Sigteanalysen viser, at SRF’en er bestående af forskellige partikelstørrelser. Trods enkelte udsving viser de

gentagne sigteanalyser, at brændstoffet er godt blandet. Udsvingene kan være en indikation på følgende:

Der er et objekt med unormal høj densitet for eksempel metal har været med i prøven

Partikler med stor størrelse har blokeret for passagen af mindre partikler gennem solden

Fibre af mindre størrelse har filtret sig sammen og til sammen overskredet 16mm

Årsagen kan ikke fastsættes, men da SRF består af mange fibre lignende objekter formodes det at være et

resultat af sammenfiltring. Hvorvidt denne tendens har indflydelse på forbrændingen vides ikke, men større

partikler har længere forbrændingstid og vil derfor potentielt set kunne skabe problemer i forbrændingen

og medføre, at partikler muligvis forbrænder nede i råmelet. Dette skaber pletvise forandringer på

klinkerne, som forringer kvaliteten. I kraft af den længere forbrændingstid bør opholdstiden i flammen

være længere sammenlignet med brændsler med mindre partikler så som petcoke.


Side 36 af 45

Modsat kan mængden af små partikler også indikere, at brændstoffet indeholder materialer så som sand

eller lignende, der ikke kan forbrændes. Sand er meget uønsket, fordi det ikke gavner forbrændingen,

påvirker kvaliteten af klinkerne og slider på maskindelene i formalingsmøllerne (Drivsholm, 2015). Den

visuelle inspektion af partiklerne under 2mm i det testede brændstof viser som tidligere nævnt ikke spor af

sand.

5.2.2.2.3 Vindsigte

Som forventet viser vindsigteanalysen, at der skal højere hastigheder til at få større partikler til at følge

med luft flowet samt at den usigtede SRF sample ligger sig som en gennemsnitlig kurve. Partiklerne på 16

og 8mm viser et identisk forløb. Dette er et resultat af udformningen og densitetsforskellen af de forskellige

partikler. Partiklerne over 16mm har et større overfladeareal og vil derfor påvirkes mere af transportluften

end de mindre partikler. Dette modvirker det øgede gennemfald, som forventes ved de større partikler.

Hvis partiklerne er for besværlige at transportere vil deres kastebane, når de forlader brænderen, blive så

kort, at de falder ned i råmelet. Lette partikler påvirkes nemt af luftstrømmen og skal derfor indkapsles af

primærluften således, at de ikke flyver tilfældigt rundt i yderkanten af roterovnen. Forskellig densitet og

udformning har aerodynamisk betydning. De aerodynamiske egenskaber af brændstoffet kan påvirke

flammens placering i ovnen. Det er vigtigt, at flammen er i centeret af ovnen. Hvis flammen danner en

profil som afviger fra centeret vil varmen rettes mod ovnens ydervægge og forårsage varmetab til

omgivelserne. En uønsket flammeprofil er illustreret på figur 22.

I relation til forbrændingen har SRF gode aerodynamiske egenskaber, da hastigheden på transportluften i

brænderen overstiger de 8 m/s som var det maksimale flow i vindsigteanalysen.

På grund af SRF’ens heterogene egenskaber kan det ikke bruges som selvstændigt brændsel. TSR kan

således ikke øges til 100 %. Det er velkendt, at SRF indeholder tråde, metaldele og lignende. De fysiske

egenskaber af SRF kan derfor give problemer i form af blokeringer i transportsystemet (Nørskov, 2012).

Derfor anvendes petcoke som støtte brændsel. Denne støtte funktion gør, at eventuelle blokeringer i

transportsystemet forårsaget af SRF, ikke bevirker at flammen slukkes, men fortsat brænder pga.

energitilførslen fra petcoke.

Ved at øge substitutionsgraden vil der naturligt også opstå flere følgevirkninger af de problemer som SRF

giver anledning til. En stor udfordring er at forbrænde alt brændstoffet, mens det stadig opholder sig i

centeret af roterovnen og samtidig have en meget intens flamme. Dette er et krav for at uforbrændte

partikler ikke påvirker kvaliteten af cementen.

Mængden af SRF skal øges pga. SRF’s lave brændværdi. For at opretholde samme energiindhold, er derfor

nødvendigt at øge transportluften. Dette medfører at flammen bliver længere og mindre intens. Ydermere

Figur 22 – Uønsket flamme profil (FLSmidth A/S, 2013)


Side 37 af 45

gør den øgede masse også flammen ”tungere” hvilket kræver mere opdrift eller en bedre indkapsling af

brændstoffet ved hjælp af bedre blanding med sekundærluften.

5.2.3 Brændstofbesparelse

SRF og petcoke kræver videre bearbejdelse i form af makulering/formaling, transportering og

opmagasinering. For at opnå en realistisk forståelse for brændstofbesparelsen, tager udregningen af denne

derfor ikke udgangspunkt i indkøbspriserne, men i priser, hvor prisen på formaling, transportering og

opmagasinering er inkluderet. Dog er de opgivede priser på brændstofferne umiddelbare afrundede tal.

Derfor bør der tages forbehold for nøjagtigheden af de økonomiske beregninger.

Forståelsen for brændstofbesparelsen kompliceres desuden af en række andre variable:

Indkøbspriserne er som tidligere nævnt afhængig af efterspørgslen

Prisen på behandling af brændstofferne og dermed deres samlede pris afhænger af

brændstoffernes kvalitet

Prisen for bearbejdningsprocesserne kan variere med eksempelvis varierende elpris. Herved vil den

samlede pris for brændstofferne variere.

Resultaterne skal således kun danne basis for en overordnet forståelse for det økonomiske aspekt af øgning

af substitutionsgraden.

En umiddelbar betragtning af regnskabet, er at besparelserne ikke er ret store, men da energi behovet og

produktionen er stor, ville det i 2014 have givet en årlig brændstofbesparelse på 35.773 € per 1 % hævet

TSR. Da den retrofittede brænder endnu ikke er idriftsat, er det ikke muligt at vide til hvilket niveau TSR kan

hæves. En tilbagebetalingstid af brænderen kan derfor ikke beregnes. Yderligere er det ikke muligt at

fastlægge prisen på brænderen. Nuværende brændere har en ca. pris på 240.000 € incl. Installation,

transport, styring mv. (Deurs, 2015). Derfor kan det hurtigt konkluderes, at TSR ikke skal hæves betydeligt

for at en retrofittet er rentabelt og dermed attraktiv for kunder. Disse tal er med forbehold for afvigende

brændstof priser under andre forhold.

Den jævnt stigende besparelse bekræfter motivationen for udviklingen af en brænder til cement industrien

som kan øge substitutionsgraden mens samtidig at bibeholde en stabil drift og kvalitets niveau på

cementen. Denne linearitet gør det lukrativ at udvikle brænderen til et maksimum af substitutionsgraden.

En øget TSR medfører et årligt merforbrug af SRF på ca. 890 tons pr. procentvis øget TSR. Samtidig skal der

anvendes en relativ større mængde SRF sammenlignet med petcoke for at bibeholde energitilførelsen. I

kraft af prisforskellen opnås der dog stadig en betragtelig økonomisk brændstofbesparelse. Det kræver dog,

at fabrikken har den fornødne kapacitet på produktionsudstyret, transportsystemet og tilstrækkelig

opmagasinering for kunne håndtere den stigende mængde SRF.

5.2.4 Emission

CO2 og SO2 dannelsen pr. kg brændstof er ved forbrænding af fossile brændstoffer højere end ved

forbrænding af SRF. Dette skyldes det høje indhold af kulstof og svovl. På grund af SRF’ens lavere

brændværdi giver denne type brændsel dog en øget udledning af CO2.

På grund af det øget CO2 opstår der to problemstillinger for kunden:


Side 38 af 45

En øget TSR ved bibeholdes af denne type SRF vil medføre en god økonomisk besparelse på

brændstofforbruget. Konsekvensen ved dette er en stigende pris på udledningen af CO2.

Kunden kan opnå en grønnere profil ved at vælge et alternativt brændstof med lavere

kulstofindhold. Prisen på det alternative brændstof vil forventeligt være højere end prisen på

nuværende SRF, hvorfor den økonomiske besparelse vil være mindre. Heraf opstår muligheden for

at kunden må gå på kompromis med forøgelsen af TSR.

Det vurderes, at merprisen på udledningen af CO2 er lavere end den besparelse som kan opnås på

brændstoffet. (Nielsen, 2015).

SO2 udslippet falder med 27,4g/tonsklinker svarende til 3,89kg/h hvis produktionsniveauet for 2014

bibeholdes. SO2 udvaskning af røggassen foregår hos kunden ved et HLI4 system som fungere ved at

indsprøjte hydreret kalk ind i forvarmeren. Dette er en meget omkostningsfuld proces, hvorfor den

mindskede SO2 udledning resulterer i en økonomisk besparelse.

Kulstof indholdet som sammen med ilten står får CO2 udledningen er ikke betydeligt mindre for SRF

sammenlignet med petcoke. Derfor er reduktion af emissionsgassen CO2 ikke den primære årsag til at

vælge SRF som primær brændsel.

5.2.5 Design af den retrofittede brænderfront

Ud fra testresultaterne fra koldovnsforsøget forventes TSR med den retrofittede brænder at kunne øges

ved:

At øge hastigheden på aksialluften som bevirker en hurtigere tilførsel af sekundærluft til

forbrændingen.

At redesigne brænderfronten, med 20 drejbare dyser og en tilbagetrækningsmulighed af

centerrøret for at opnå større fleksibilitet af flammeprofilen.

At ændre vinklen på svirvleren for at give mere kraft på det radiale flow således at opblanding af

brændstof og forbrændingsluft forbedres.

5.2.5.1 Drejbare dyser

I forhold til flammeprofilen er dyserne medvirkende til at fastholde flammen i centreret af ovnen.

Centrering af flammen skyldes primært indkapsling af brændstoffet som opstår som følge af dysens

vifteform. Med dyserne er det muligt at regulere vinklen på aksialluften hermed kan det fremadrettede

moment bedre kontrolleres.

Dysernes 5° offset profil introducerer endnu en reguleringsmulighed. Tungene partikler kræver mere

opdrift og vil under nuværende omstændigheder tvinge flammen ned mod råmelet. I en sådan situation vil

en individuel justering af dyserne, således at aksialflowet fra de nederste dyser rettes mod centeret af

brænderen, kunne modvirke denne tendens.

Der sker en arealformindskelse gennem dyserne og da der samtidig ikke sker noget tab vil hastigheden på

aksialflowet øges. Dette giver mere fremadrettet moment som skal skabe den fornødne hastighed på

4 Hydreret kalk


Side 39 af 45

luften. Da der ønskes en bestemt hastigheden på aksial flowet, er hastigheden på primærluften

bestemmende for dyserne dimension.

En ulempe ved at have dyser med dette design er, at de er betydelige sværere at fremstille i forhold til en

fast del efter princippet på den nuværende brænder. Dysen kræver avanceret forarbejdningsteknik som gør

den til en dyr del at fremstille.

5.2.5.2 Svirvler og tilbagetrækning af centerrør

Det var nødvendigt at flytte svirvel kanalen ind mod centeret af brænderen for at kunne tilbagetrække

svirvleren uafhængigt af brændstofkanalerne. Dette har gjort at svirvleren har fået en mindre omkreds.

Hvis den oprindelige vinkel på svirvleren opretholdes, opnås der ikke samme radial påvirkning ved den

samme mængde luft. Dette er årsagen til at vinklen på svirvleren er ændret.

Tilbagetrækningen rykker flammen tættere på fronten og herved kan der potentielt set opstå en mulighed

for at temperaturen stiger ved brænderfronten. Hvis temperaturen ved fronten overstiger

driftstemperaturen på frontmaterialet kan dette skabe problemer i form af stress og deformation af stålet.

De fire temperatursensorer skal sikre at centerrøret automatisk returnerer til udgangsposition hvis

temperaturen nærmer sig den maksimale driftstemperatur på fronten.

Ved tilbagetrækningen skabes turbulens i radialluften som påvirker brændstoffet. Dette medfører at

brændslet får en længere opholdstid foran brænderen. Det kan betyde, at der sker en hurtigere blanding af

brændstof og luft som vil resultere i en kortere flamme med en højere kernetemperatur.

Muligheden for tilbagetrækning findes ikke på andre brændere på markedet, hvorfor et positivt udfald ved

idriftsætning er yderst interessant.

5.2.5.3 Luftflow og luftdistribuering

Luftflow analysen viser at det retrofittede design vil give anledning til en kortere og mere intens flamme.

Den bredere profil med svirvelfunktion er et udtryk for en bedre blanding med sekundærluften. Herved

opnås en hurtigere tilførsel af forbrændingsluft til brændstoffet.

Der er en hårdfin balance mellem den fremadrettede og den radiale kraft. En konsekvens af for stor

radialkraft (for stor svirveleffekt) resultere i en bredere flamme, som medfører et varmetab til ovnens

ydervægge og dermed mindre varmeoverførsel til råmelet.

Der vil opstå en naturlig spredning i enden af flammen da den aksiale kraft gradvist mister styrken. Det

medfører en øget påvirkning af sekundærluft på brændstoffet. Det optimale er som sagt en kort, smal og

intens flamme, hvilket det rigtige forhold af mellem aksial luft og radial luft skal give.

Som nævnt er vinklen på svirvleren ændret for at opretholde radialpåvirkningen. På grund af

dimensionsbegrænsninger kan der ikke opnås det optimale forhold mellem det fremadrettet aksial- og

radialmoment med det oplyste flow på 17.057 kg/h. Modsat, hvis flowet viser sig at være mindre kan

aksialflowet tilpasses ved brug af dysen med mindre udmundingsareal. Det vil skabe det optimale forhold

på 0,46 mellem de to fremadrettede momenter. Det er uhensigtsmæssigt at bibeholde samme dyse

dimension ved de forskellige flows, da udmundingsarealet vil påvirke momentet.


Side 40 af 45

Et alternativ kunne være at regulere flowet ved at drøvle på butterflyventilen til aksialluften. Dog er

blæseren til primærluft hos kunden en fast deplacement blæser som ikke er frekvensreguleret og derfor

konstant leverer den det samme mængde luft. Hvis der drøvles for meget på ventilerne, vil blæseren få et

modtryk der forringer ydelsen og blæseren vil i værste tilfælde koble ud på overtryksfejl.

Luftdistributionen viser, at brændermomentet på den retrofittede brænder er faldet fra 14N/MW til 12

N/MW som en konsekvens af mere radial kraft. Dette tab kan tolkes på følgende to måder; at brænderen

har svære ved at holde det fremadrettede moment tids nok til at forbrænde brændstoffet, eller alternativt

at radialluften nedsætter hastigheden på brændstoffet og skaber bedre mulighed for at forbrænde

brændstoffet mens det fortsat er i luftstrømmen.

5.3 Fremtidige udfordringer ved idriftsættelse Koldovnsforsøget har haft mange fordele. En ulempe er imidlertid at denne model, ikke kan simulere det

aggressive miljø i roterovnen. Den høje temperatur og følger heraf vil påvirke det komplekse design af

fronten. Den store temperatur forskel mellem for og bagsiden af fronten kan give anledning til ulineær

temperatur gradient i stålet. Dette vil skabe statiske krafter og heraf også stress i materialet. Det betyder

deformation og i værste tilfælde brud i stålet. Selv små deformationer kan have indflydelse på dysernes

funktion.

En anden konsekvens af den høje temperatur er oxidering. Oxidering skaber sædvanligvis ikke problemer

ved traditionelle brændere, men i kraft af det komplekse design kan det skabe udfordringer. Den lille

arealforøgelse som oxideringslaget medfører, kan give problemer omkring de koniske flader på dyserne og

frontpladen. Oxideringslaget ændrer en ellers glat overflade til en mere ru overflade hvorfor friktionen

mellem dyserne og frontpladen øges. I værste fald kan der ske fastgroning.

Det skal vise sig, om de design mæssige ændringer er tilstrækkelige for at opretholde cementkvaliteten når

TSR øges. En analyse af frikalk indholdet i cementen vil afsløre dette.


Side 41 af 45

6 Konklusion På baggrund af en brændstofanalyse har projektet belyst hvilke udfordringer, der kan opstå ved brug af SRF

som alternativ brændsel, når TSR skal øges. SRF har vist sig at være et heterogent materiale med god

sammenblanding. Variation af brændværdi og vandindhold og interpartikulere interaktionerer som kan

resultere i sammenfiltring kan påvirke forbrændingen og dermed produktions effektivitet samt cementets

kvalitet. Petcoke bør bibeholdes som støttefunktion i forbrændingen, for at kontrollere hurtige

temperaturudsving som påvirker flammen. Derfor kan det konkluderes at TSR ikke kan hæves til 100 %, da

der stadig vil være et behov for at kunne justere disse udsving tids nok til ikke at lade temperaturfald

påvirke frikalk niveauet i cementen.

I kraft af brændværdien, skal der ved højere substitution med SRF anvendes en større samlet mængde

brændstof for at opretholde den samme energitilførsel. Trods masseforøgelsen, gør den store prisforskel

mellem de to brændsler, at der opnås en markant økonomisk besparelse på brændstofforbruget.

Besparelsen er lineært stigende med den procentvise forøgelse af TSR, hvorfor det er fordelagtigt at øge

substitutionsgraden til et maksimum.

Kulstof niveauet er lavere i SRF end i petcoke. Dette vil umiddelbart forårsage et mindre CO2 udslip, men

merforbruget af SRF opvejer kulstofdifferencen mellem de to brændstoffer, hvorfor fabrikken vil udlede

yderligere 0,23 kg CO2 pr. ton cementklinker for hver gang TSR øges med 1 %. SO2 udledningen reduceres

0,03 kg pr. ton cementklinker. Denne reduktion giver en økonomisk besparelse for kunden da SO2

udvaskning i røggassen er en økonomisk dyr proces. På baggrund af stigningen i CO2 må det konkluderes, at

den primære grund til at øge TSR er de økonomske brændstofbesparelserne og ikke fabrikkens ”grønne

profil”.

Ændringerne af brænderfronten har medført en hurtigere tilførsel af sekundærluft til forbrændingen.

Samtidig har introduktion af 20 drejbare dyser og en tilbagetrækningsmulighed af centerrøret gjort det

nemmere at kontrollere flammeprofilen. Tilpasning af svirvleren har øget den radiale kraft og derved

forbedret opblandingen af brændstof og forbrændingsluft. I kraft af dette kan det konkluderes, at der er

udviklet en ny, mere fleksibel brænderfront, som giver de bedste forudsætninger for at øge TSR.

Der er stor interesse i udviklingen af brændere til alternativt brændsel og især inden for forbrænding af SRF

og lignende produkter. Derfor må FLSmidth være motiveret for at skabe et banebrydende produkt, som kan

øge TSR hos cementfabrikker verden over. Den udviklede prototype giver FLSmidth gode forudsætninger

for at opnå dette.


Side 42 af 45

7 Perspektivering Der er et stigende fokus på emissioner skabt fra affaldsforbrænding, herunder gasserne Hg og HF. Da disse

gasser er meget farlige og miljøskadelige, er det nærliggende at undersøge, hvorvidt disse dannes ved

forbrænding af affald i roterovnen, således at udledning af disse kan indgå i den samlede vurdering af

konsekvenserne af forøgelse af TSR.

Petcoke bruges som støttefunktion til forbrændingen for blandt andet at kompensere for SRF’s svingende

brændværdi. Petcoken bliver indledt annulart i særskilt rør for at give en god forstøvning af petcoken for

hurtigere antændelse og forbrænding. Det er muligt, at turbulensen i SRF’en kan udnyttes til at forstøve

petcoken og dermed lave en god blanding af de to produkter, som vil skabe et blandet brændstof. Det er

derfor nærliggende at teste, hvorvidt en blanding af petcoke og SRF vil antænde nemmere, og om der

derved kan opnås en bedre forbrænding af SRF’en. Funktionen kræver ikke store ændringer i rørføringen og

er umiddelbart en nem funktion at installere.

Det høje vandindhold i SRF kræver meget energi at fordampe, hvilket nedsætter temperaturen på flammen

og derved ikke gavner kalcineringen processen. Det er derfor nærliggende at undersøge de økonomiske

aspekter i en tørringsproces af SRF. I dag bliver der hos cement fabrikker ikke genandvendt noget af den

spildvarme som opstår omkring den 1450 °C varme roterovn. Spildvarmetabet er hos den slovakiske kunde

ca. 7 MW (Nielsen, 2015). Dette varmetab ville være oplagt til tørring af SRF, for at nedsætte vandindholdet

og derved hæve den nedre brændværdi.


Side 43 af 45

8 Efterskrift Ideen med praktikken hos FLSmidth var oprindeligt, at projektet skulle omhandle udfordringer i forbindelse

med opskaleringen af pilotprojektet og idriftsættelse af brænderen. Da udviklingsfasen tog længere tid end

forventet, var det ikke muligt at nå til idriftsættelse, inden praktikperiodens udløb. Dermed har det ikke i

denne rapport været muligt at konkludere på udfaldet af den retrofittede brænders funktion i drift. Derfor

har det ikke været muligt at konkludere på den opnået TSR hos kunden og dermed givet en præcis

konklusion på fabrikkens økonomiske besparelser og emissionsudledninger.


Side 44 af 45

9 Litteraturliste Cembureau, 2014. Key facts & figures. [Online]

Available at: http://www.cembureau.be/about-cement/key-facts-figures

[Senest hentet eller vist den 12 05 2015].

Cembureau, u.d. Waste Recovery & recycling. [Online]

Available at: http://www.cembureau.be/topics/resource-efficiency-cement-industry/co-processing-

cement-industry-using-waste-resource


Cement sustainability Initiative, 2010. Reporting CO2. [Online]

Available at: www.wbcsdcement.org/GNR-2012/index.html


Deurs, H. V., 2015. FLSmidth. København: s.n.

Drivsholm, M., 2015. FLSmidth. København: s.n.

Eriksen, A. B., 2007. Termodynamik. 2 red. København: Nyt Teknisk Forlag.

FLSmidth A/S, 2013. Duoflex Bruner, København: FLSmidth A/S.

FLSmidth, 2015. Conversion to petcoke. [Online]

Available at: http://www.flsmidth.com/en-

US/Industries/Categories/Operation/Alternative+fuels+solutions/Conversion+to+petcoke


Forfatterens eget arkiv, 2015. s.l.:Peter Søe Bak.

Initiative, C. S., 2014. GNR - Reporting CO2. [Online]

Available at: http://www.wbcsdcement.org/index.php/en/key-issues/climate-protection/gnr-database


Jonathan Dart, 2015. High Indian imported petroleum coke prices hamper deals: Platts. [Online]

Available at: http://www.platts.com/latest-news/coal/newdelhi/high-indian-imported-petroleum-coke-

prices-hamper-26977463


Jørgensen, L. R. o. P. S., 2012. Den gode Opgave - håndbog i opgaveskrivning på videregående uddannelser.

4. udgave red. Frederiksberg C: Samfundslitteratur.

Nielsen, M., 2015. FLSmidth. København: s.n.

Nørskov, L. K., 2012. Cumbustion of solid alternative fuels in the cement kiln burner, København: DTU &

FlSmidth.


Side 45 af 45

Rubenstein, M., 2012. Emissions from the Cement Industry. [Online]

Available at: http://blogs.ei.columbia.edu/2012/05/09/emissions-from-the-cement-industry/


Sørensen, E., 2010. FLSmidth barberer CO2- og svovludslip. [Online]

Available at: http://ing.dk/artikel/flsmidth-barberer-co2-og-svovludslip-113681


Wikipedia, 2015. Petroleum coke. [Online]

Available at: http://en.wikipedia.org/wiki/Petroleum_coke


udvikling af brænder til...

Documents