VERWARMING
Install Magazine 961 – juni 2019

Praktische multifuel brander

Brander voor simultaan gebruik van vloeibare en vaste biobrandstoffen

Het gebruik van vloeibare en gasvormige biobrandstoffen wint aan belang in het kader van duurzaam energiegebruik. Het voordeel van een multifuel brander is dat hij kan werken op de meest uiteenlopende vloeibare en gasvormige brandstoffen, zowel hernieuwbare als traditionele, inclusief procesgassen. De onderzochte brander is geoptimaliseerd voor natuurlijke, veresterde of gehydrogeneerde plantaardige olie, maar kan even goed werken op traditionele stookolie. Gezien de grote variëteit aan brandstoffen en industriële toepassingen, is de brander is kwestie moeilijk als standaardproduct aan te bieden. Toch is het mogelijk om het concept zonder al te veel moeite aan te passen aan een individuele situatie.

Een bijkomende toepassingsmogelijkheid is de verbranding van procesgassen met een hoog aandeel van stikstof, zoals de vergassing van zuiveringsslib. De bio-multifuel brander is in staat om ook deze gassen uitstootarm te verbranden, ongeacht de problemen die ze stellen qua NOx-vorming.

Het nuttig gebruik van biologische brandstoffen kent een groeiend belang op de markt van duurzame energie. Er is een groot potentieel voor decentrale energiebronnen, zoals enerzijds biogas uit vergistingsinstallaties, afvalverwerking, waterzuivering of mijnen, en anderzijds procesgas uit installaties voor pyrolyse of vergassing.

Het gebruik van laagcalorische gassen of vloeibare brandstoffen uit hernieuwbare bronnen betekent echter een hele uitdaging voor de verbrandingstechniek. Geringe verbrandingswaarde en wisselende samenstelling door de biologische oorsprong van de brandstof hebben een grote invloed op de warmteproductie, vlamgeometrie en -stabiliteit, en niet te vergeten het ontstaan van schadelijke stoffen bij de verbranding. Flexibele verbrandingssystemen kunnen ertoe bijdragen om biogene brandstofbronnen te benutten en de uitstoot van fossiele CO₂-uitstoot te verminderen.

Verbrandingssysteem

In het kader van een IGF-onderzoeksproject werd een verbrandingssysteem ontwikkeld bestaande uit een verdamper voor bio-stookolie en een niet-voorgemengde wervelbrander. Het verbrandingssysteem maakt de gelijktijdige verbranding van gasvormige en vloeibare biobrandstof mogelijk bij atmosferische druk. Het branderontwerp is gebaseerd op het Costair-principe. De verdamper is voorgeschakeld aan de brander voor een continu toevoer van verdampte bio-stookolie, zonder externe energietoevoer. Het verdampingsproces wordt aangedreven door het vrijzetten van een deel van de chemisch gebonden energie uit de brandstof.

Verdamper

Ongeacht de verdampingseigenschappen van de bio-stookolie in kwestie, leidt het gebruik van een voorverdamper tot betere en stabielere verbranding. Hier wordt een verdampingsreactor toegepast die verwarmd wordt door een exotherme reactie van de bio-stookolie. Naargelang de brandstof wordt een zichzelf instandhoudende koude-vlamreactie gestabiliseerd of vindt er een gedeeltelijke oxidatie van de brandstof plaats. Bij een koude-vlamreactie komt typisch ongeveer 10% van de chemisch gebonden energie vrij. Hiervoor wordt een recirculatie-reactor in continubedrijf gebruikt, zoals getoond in figuur 1.

Door middel van verstuiving onder druk wordt de brandstof geïnjecteerd in een luchtstroom die al op minstens 310°C is voorverwarmd. Na de start van de exotherme reactie bereiken we typische reactietemperaturen tot 480°C. Hoeveel voorverwarming er nodig is en welke eindtemperaturen er in de reactor bereikt worden, hangt sterk af van het type olie. Typische lambdawaarden voor een stabiele reactorwerking liggen tussen λ = 0,2 - 0,4. Voor bijzonder kritische reactoromstandigheden is dat ongeveer 0,13.

Figuur 2 toont een voorbeeld van de gesimuleerde temperatuur- en stromingsverdeling voor bedrijf met bio-stookolie. In zones met een stationaire wervelstroming stabiliseren er zich lokale exotherme reacties. Een deel van de warmte die vrijkomt, wordt samen met het hete gas teruggevoerd via de recirculatiebuis naar het begin van de reactor, waar de brandstof verdampt wordt.

Brander

Het ontwerp van de niet-voorgemengde wervelbrander is gebaseerd op het Costair-principe met een continu luchtregeling. De dosering van de verbrandingslucht en de opbouw van recirculatiezones voor rookgas leiden tot een stabiele verbranding met lage uitstoot van NOx en CO. Figuur 3 toont een doorsnede van de branderconstructie, gedimensioneerd op 100 kW thermisch vermogen.

De brander bestaat uit een centrale luchtverdeeljet, omgeven door een ring van brandstofjets voor laagcalorisch gas (binnenste ring 0,06 m), en verdampte olie (buitenste ring 0,13 m). Door de hoek van 45° van de boring krijgt de brandstofstroom een werveling mee. Alle gassen worden langs de achterkant toegevoerd via vier in elkaar gepaste buizen. De verbrandingslucht wordt toegevoerd via de binnenste buis (in figuur 3 aangegeven in het blauw). Laagcalorisch gas (geel) en verdampte olie (rood) worden toegevoerd door de buitenste buizen. Het volume tussen de twee brandstoftoevoeren isoleert de hete verdampte olie van het koude laagcalorisch gas, en verhindert dat er olie condenseert op de koude buiswand.

De configuratie van de brandstofinjectie werd geoptimaliseerd voor atmosferische druk met behulp van CFD-simulaties in Ansys Fluent v14.5 voor een efficiënte menging van bio-stookolie en gas met de verbrandingslucht. De CFD-berekeningen (RANS, stationair) werden onderzocht voor verschillende brandstofmengsels voor een vermogen van 100 kW en een luchtovermaat van λ = 1,1.

Als referentiebrandstof werd bio-stookolie gebruikt in combinatie met verschillende types laagcalorisch gas in de verhoudingen 25/75% volume. en 75/25% volume. De samenstellingen van laagcalorisch gas werden gekozen in functie van de eigenschappen van typische kwaliteiten van biogas, rioolgas, mijngas of houtgas. Tabel 1 geeft de samenstelling van de gasvormige brandstoffen met de overeenkomstige calorische waarde (onderwaarde), adiabatische vlamtemperaturen en injectiesnelheid van de gasstroom. De biogasmengsels hebben de hoogste calorische waarde en adiabatische vlamtemperaturen. Beide waarden dalen naarmate het methaangehalte afneemt.

Omwille van de toenemende dichtheid stijgen de uitstroomsnelheden voor de olie-gasmengsels in de tabel eveneens van links naar rechts. Houtgas heeft een significant gehalte aan waterstof, en de laagste calorische waarde van alle onderzochte gassen. Over het algemeen hebben de 75% bio-stookoliemengsels hogere calorische waarden. Figuur 4 toont het stromingspatroon in de vlambuis voor de uiteindelijke configuratie. Het stromingsveld bij de injectiejets verandert significant in functie van de brandstofsamenstelling. Lokaal kunnen er in beperkte mate hoge CO-concentraties optreden bij de vlambuis. Voor biogas werden relatief hoge CO-concentraties berekend, wat verklaard kan worden door recirculatie van het rookgas uit de vuurhaard.

Figuur 5 toont de temperatuurverdeling in de vuurhaard voor de brandstofsamenstellingen uit tabel 1. Bij de luchtinjectiejet kan men zeker zijn van temperaturen van minder dan 1.000°C. De brandstofmengsels met 75% olie vertonen over het algemeen hogere temperaturen. Op de variant met biogas na, zien we relatief hoge temperaturen bij de basisplaat van de brander.

Experimenteel onderzoek

In een experimentele opstelling met een testoven (binnenafmetingen 1,2m B x 1,8m H x 2,7m L) werd het verbrandingssysteem getest aan constant vermogen van 100 kW met 75/25 en 25/75% volume bio-stookolie en laagcalorisch gas. De invloed van de brandstofsamenstelling en de luchtovermaat op de vorming van NOx en CO in de rookgassen werd nagegaan. De gemiddelde gemeten concentraties bij λ = 0,9 - 1,7 worden voorgesteld in figuur 6 in functie van de luchtovermaat. De rookgastemperaturen aan de afvoeropening van de oven bedroegen tussen 550 en 600°C. De CO-concentraties kwamen overeen met de onderste meetgrens, en dit voor alle brandstofsamenstellingen bij een luchtovermaat van λ > 1,05. De NOx-concentraties waren meestal minder dan 100 ppm. De hoogste waarden werden gemeten bij een luchtovermaat van λ = 1,05. De NOx-concentraties variëren in functie van de brandstofsamenstelling: hoe hoger het gehalte aan bio-stookolie, hoe hoger de NOx-uitstoot. In vergelijking met bio-stookolie waren de NOx-concentraties duidelijk lager voor koolzaadolie-methylester.

Schaalvergroting naar 300 kW

Verdamper

Computersimulaties tonen aan dat bij gebruik van voorverwarmde lucht op 400°C er een zo goed als totale verdamping van plantenolie optreedt bij de huidige configuratie van de reactor. Het voordeel van deze variant ten opzichte van een klassieke verdamper zijn de compacte afmetingen. Men moet alleen de toevoerleidingen en verdeler in de verdamper vergroten in functie van het luchtdebiet, om de drukverliezen te beperken.

Brander

Een ander brandervermogen betekent ook andere lucht- en brandstofdebieten in de mengzone. De 300 kW-brander heeft ongeveer dezelfde buitenafmetingen als de 100 kW-variant. De geometrie van de gasjets en luchtverdeler werd aangepast voor een optimale verbranding. De tests in combibedrijf voor 300 kW werden op dezelfde manier uitgevoerd als die voor 100 kW. De concentraties aan CO en NOx worden getoond in figuur 8. Behalve brandstofmengsels voor bio-stookolie, koolzaadolie-methylester, houtgas, mijngas, rioolgas en biogas (25/75% en 75/25% calorisch vermogen olie/gas), werd ook HVO getest als biobrandstof.

Net als bij de variant van 100 kW lag de CO-concentratie op de onderste meetgrens. Bij de test werd de luchtovermaat sterk gevarieerd, tot aan nagenoeg stoichiometrische omstandigheden. Men mag dus aannemen dat de verbranding stabiel en volledig is. Bij mengsels met een restzuurstofgehalte van 3% volume liggen de NOx concentraties onder 100 ppm, en voldoen dus aan de grenswaarden van de Duitse wetgeving. Er werd geen invloed van de gebonden stikstof in de brandstof op de NOx-vorming vastgesteld bij de mengsels met bio-stookolie.

Het doel om te komen tot een industriële multifuel brander voor een schone combineerde verbranding van vloeibare en gasvormige biobrandstof werd dus duidelijk bereikt.

Samenvatting

Een verbrandingssysteem bestaand uit een brandstofverdamper en een niet-voorgemengde wervelbrander (Costair) voor een simultane schone verbranding van vloeibare en gasvormige biobrandstof werd succesvol getest. In het systeem in kwestie wordt bio-stookolie verdampt in een reactor met recirculatie. De energie die daarvoor nodig is, wordt na de opstartfase uitsluitend opgewekt door middel van stabiele exotherme reacties van de brandstof (koude-vlamreactie en gedeeltelijke oxidatie). Met computersimulaties werden stabiele bedrijfsomstandigheden voor de reactor bepaald. Het branderontwerp werd ook uitgevoerd met computersimulaties met het oog op een stabiele en schone werking. De simulaties toonden een stabiele verbranding voor combinaties van 25/75 en 75/25% bio-stookolie-laagcalorisch gas, met verschillende types gas.

Het concept van de bio-multifuel brander werd in de praktijk getest in een testoven, zowel met bio-stookolie als met veresterde en gehydrogeneerde plantenolie in combinatie met verschillende types laagcalorisch gas, met uiteenlopende verbrandingseigenschappen. Dat gebeurde voor vermogens van 100 en 300 kW en lambdawaardes van λ = 0,9 tot 1,7.

De metingen van CO en NOx wezen op een stabiele en schone verbranding voor alle brandstofcombinaties vanaf λ > 1,05.

De auteurs drukken hun dank uit voor de steun van het AiF in het kader van het IGF-onderzoeksproject 18188 N “Entwicklung eines Mehrstoffbrenners zur Erzeugung industrieller Prozesswärme – Kombibrenner für flüssige und gasförmige Biobrenstoffe”.

Literatuurlijst

[1] T. Dobski, W. Kruszewski, D. Szewczyk, A. Šwiderska, 6th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers, Estoril-Lissabon, Portugal, 2002.

[2] C. Syred, A. J. Griffiths, N. Syred, 7th International Conference on Energy for a Clean Environment, Lissabon, Portugal, 2003.

[3] A. Al-Halbouni, R. Giese; R. Sontag, P. Käferstein, The Joint Flame Days – Control of Flames and Combustion Processes, Guernsey, Channel Islands, 1998.

[4] A. Al-Halbouni, M. Flamme, A. Giese, M. Brune, Clean Air: International Journal on Energy for a Clean Environment 5 (4) (2004) 1-15.

[5] S. MacLean, E. Tali, J. Leicher, A. Giese, K. Görner, 5th European Combustion Meeting, Cardiff, Wales, 2011.

[6] L. Hartmann, Untersuchungen zu Kalten Flammen in der Unterstöchiometrie zur Realisierung eines Brennstoffzellenreformers für flüssige Brennstoffe, Dissertation, Universität RWTH Aachen, Aachen, 2002.

[7] C. Mengel, Untersuchungen zur Stabilität der Gemischbildung flüssiger Brennstoffe mit Luft unter den Bedingungen druckaufgeladener Brennstoffzellenprozesse, Dissertation, Universität RWTH Aachen, Aachen, 2003.

[8] A. Medeiros, Niedertemperatur-oxidation und Selbstzündverhalten von Kohlenwasserstoff-Luft-Gemischen unter atmosphärischem Druck, Dissertation, Universität RWTH Aachen, Aachen, 2010.

[9] D. Diarra, F. Dinkelacker, S. Lucka, Entwicklung eines emissionsarmen stationären, vielstofffähigen Diesel-Motor-Brennverfahrens zum Einsatz von nicht aufbereiteten Biokraftstoffen, das auf einer externen Vorverdampfung des Brennstoffes beruht, Abschlussbericht FZK 22006811, Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), 2016.

Door M. Röder (GWI), D. Möntmann (OWI), A. Giese (GWI), M. Grote (OWI), A. Al-Habouni (GWI), D. Diarra (OWI)