Optimum secondary combustion chamber through advanced CFD modelling

Energigjenvinning fra avfall (engelsk: Waste-to-Energy, WtE) gir et betydelig bidrag til fornybar energiproduksjon i hele Vest-Europa, med om lag 400 anlegg. I Norge står energigjenvinning fra avfall for nesten halvparten av produsert fjernvarme, med 2.3 TWh/år (2013). Det norske selskapet Energos AS har utviklet en unik WtE-teknologi, og selskapet er en suksessrik spin-off fra forskningsmiljøet ved SINTEF/NTNU. Energos' WtE-teknologi kan simultant oppnå lave NOx og CO utslipp uten å benytte sekundære rensetiltak. Dette oppnås gjennom en to-stegs forbrenningsprosess der avfallet gassifiseres og danner en syntesegass i første steg, med påfølgende forbrenning av syntesegassen i et separat sekundærkammer. Energos er en ledende leverandør av små- til mediumskala (15 - 50 MWth) WtE-teknologi og har levert flere anlegg rundt om i Europa. OptiCom prosjektet er et samarbeid mellom Energos AS og forskningsinstituttet SINTEF Energi AS. Ambisjonen med prosjektet har vært å redusere utviklings- og produksjonskostnadene til WtE-teknologien, samt å forbedre kostnadseffektiviteten og miljøprofilen til WtE-anlegg som bruker denne teknologien. Fokus i prosjektet har vært det nevnte sekundærkammeret som er sentralt i Energos' teknologi. Målsetningen i prosjektet har vært å utvikle en forbedret sekundærkammerdesign for et Energosanlegg, basert på numeriske simuleringer inkludert både Computational Fluid Dynamics (CFD) simuleringer og ideell reaktor simuleringer. For å oppnå bedre forbrenningsytelse og utnyttelse av brennkammervolumet, har man studert blandings- og strømningsforhold i brennkammeret. Motivasjonen har vært muligheten for redusert sekundærkammerstørrelse og dermed også konstruksjonskostnader. Dette vil alt i alt bidra til økt bærekraftighet i verdikjeden for energiutnyttelse fra avfall. Forbedringer som kan gi reduksjon i NOx-utslipp har også blitt vektlagt. Simuleringsresultatene har avdekket forbedringspotensial. Gjennom dette prosjektet er det blitt vist at mindre modifikasjoner av prosessen kan forbedre sekundærkammeret med hensyn til utnyttelse av brennkammervolumet, og dermed også kostnadseffektiviteten til prosessen. De foreslåtte endringene som er blitt studert, omfatter: kombinasjon av innløp for sekundærluft og resirkulert røykgass, endret plassering av innløp, reduksjon av dysestørrelse, endret volumstrøm for sekundærluft samt kombinasjoner av disse. Basert på dette er det gitt anbefalinger for et nytt brennkammerdesign. Det modifiserte forbrenningskammeret vil gjøre det mulig for Energos AS å kommersialisere en forbedret prosess med bedre ytelse og bedre konkurranseevne.

In OptiCom, the innovation will be realized by combining the long-term industrial experience and value creation gained by Energos during the last 17 years with the mathematical modeling and experimental expertise at SINTEF ER. In OptiCom, generic gasification and combustion knowledge will be coupled with advanced CFD modelling to achieve an improved secondary combustion chamber design aiming at improving the combustion performance and the plant efficiency, reducing harmful emissions, reducing the size of the secondary chamber and hence the construction cost, leading to increased sustainability of the WtE value chain. The underlying idea is, through advanced CFD modelling, to develop an optimized secondary combustion chamber for staged waste combustion, in order to achieve: 1)Improved secondary combustion chamber operation and control 2)Flexibility towards syngas heating value, temperature and composition at the secondary combustion chamber inlet 3)Improved mixing of fuel gas and secondary air through optimized secondary air and recirculated flue gas (RFG) injection (size and number of nozzles, residence time between injection points) 4)More stable plant operation, with reduced operational costs and lower emissions 5)Increased process understanding through modelling 6)Increased value chain sustainability OptiCom is highly relevant to the Norwegian bioenergy 2020 targets, EnergiX research priorities and EU strategies by contributing to (1) the doubling of bioenergy use in Norway by 2020 through the biogenic fraction of the waste; (2) energy efficiency improvement in industry processes; (3) improved environmental performance and (4) improved competence within the industry. Energos plans to implement design modifications in accordance with the simulation results. This new secondary chamber will be applied as an integrated part of a new technical/financial bid package to Energos future costumers.