Foto’s: AVR Duiven, World Class Maintenance (WCM)
Gouda Vuurvast Services ontwikkelt simulatiemodel voor afvalverbrandingsinstallaties
Een model voor voorspelbaar onderhoud van afvalverbrandingsovens bespaart tijd en onderhoudskosten. Dit is de insteek van Gouda Vuurvast Services dat samen in het project De Lerende Steen van WCM (World Class Maintenance) een real time simulatie ontwikkelde.
Met de real time gemeten procescondities worden diverse vuurvaste materialen getest in de proefinstallatie die is gebouwd door ECN/TNO. De output zal nieuwe inzichten opleveren over faalmechanismen en het gebruik van andere vuurvaste materialen. Verder zal de opgedane kennis, door het meten van vele parameters, leiden tot een beter verbrandingsproces en lagere onderhoudskosten. De input van de data komt van AVR Afvalverwerking in Duiven.
Gouda Vuurvast Services, dat vuurvaste materialen voor verbrandingsovens engineert, levert en installeert, maakte de resultaten van het project De Lerende Steen bekend tijdens haar tweejaarlijkse relatie-event dat onlangs plaatsvond in co-productie met World Class Maintenance.
Afvalsamenstelling verandert: meer schades in ketels
Arie van Vliet, directeur van Gouda Vuurvast Services, vroeg zich destijds af hoe het kan dat ovens van vuilverbrandingsinstallaties maar een keer per jaar of een keer per twee jaar open gaan om schade aan de bekleding vast te stellen. Het gaat dan altijd om post mortumonderzoek dat in voortschrijdend inzicht zou moeten veranderen.
Die schades in ketels nemen de laatste acht, negen jaren toe, constateert bedrijfsleider Mark Scheltes van Gouda Vuurvast Services. “Dit is te verklaren door de verandering in de samenstelling van het afval, dat sinds die tijd deels bestaat uit geïmporteerd buitenlands afval. De stenen bij AVR Duiven smolten ineens. Dat vormde de start van het project De Lerende Steen.”
“In dat buitenlandse afval zitten meer chlorides, broom, antimoon en dergelijke, waardoor de chemische samenstelling van het afval sterk is veranderd. Dit afval is tevens fijngemalen en hoog calorisch”, zo verklaart hij.
Schademechanismen
Het project dat na drie jaar onderzoek is afgerond, moest uitwijzen hoe de levensduur van vuurvaste materialen en andere installatiedelen kan worden verlengd en hoe de vervangingskosten omlaag kunnen. Het project bestond uit meetcampagnes bij de asset owner, het uitvoeren van testen in een proefoven op basis van de uitkomsten van meetcampagnes, het bepalen van de belangrijkste parameters en algoritmes en optimalisatie van het proces en het vuurvast. “We hebben zaken gemeten en vastgesteld en zijn met het ontdekken van schademechanismen in de installatie nagegaan hoe we het ontstaan daarvan kunnen voorkomen, niet alleen in de ketel, ook aan de membraanwanden en ankers”, vertelt Mark Scheltes.
Afvalverbrandingsinstallaties kunnen met een betere procescontrole kosten besparen, zo blijkt uit het project. Hoeveel dit is is lastig te zeggen volgens Scheltes ”maar voorzichtig geschat moeten 20 tot 30 procent lagere onderhoudskosten mogelijk zijn. En zonder dat de output nadelig wordt beïnvloed; zo is de stoomproductie voor elektriciteit en stadswarmte niet naar beneden gegaan.”
Sensoren in vuurvaste steen geven procesinzicht
Met meer inzicht in het proces zou schade in de installatie efficiënter na te gaan zijn en daarmee onderhoud voorspelbaar en tijd- en kostenbesparend maken, dacht Van Vliet. Hij bedacht het idee van een vuurvaste steen met sensoren die inzicht geeft in het verbrandingsproces in de oven. De steen zou parameters meten en faalmechanismes aangeven.
Nog meer inzicht in het proces zou een asset management model bieden dat het verbrandingsproces real time bestuurt, zo ontdekte hij tijdens het uitwerken van het idee. Prioriteit kreeg het verzamelen van data aan de hand van een rekenmodel gebaseerd op algoritmen en deze vervolgens opbouwen in een simulatiemodel om onderhoud voorspelbaar te maken.
Omdat dit een uitgebreid en kostbaar R&D traject zou betekenen, begon Gouda Vuurvast Services enkele jaren geleden samen met projectpartners Hogeschool Amsterdam, Asset Management Control Tools & Training, technisch praktijktrainingscentrum Vakwijs, Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN) part of TNO, Galileo en World Class Maintenance (WCM) het project De Lerende Steen. Later kreeg het project financiële steun vanuit het EFRO-programma Kansen voor West en de provincie Noord-Holland.
De data van de proefinstallatie bij ECN/TNO in Petten geven informatie over de verbrandingsprocessen die er net als in de praktijk plaatsvinden.
Testinstallatie simuleert situaties
Bij ECN in Petten is een proefopstelling gebouwd waar de data vanuit de praktijk, afkomstig van AVR in Duiven, worden getest. De gegevens uit de praktijk in Duiven en uit de testinstallatie worden omgezet in algoritmes die in de controlekamer en het simulatiemodel worden gebruikt. “In de testinstallatie worden diverse situaties gesimuleerd hoe vuurvaste stenen qua samenstelling en bereidingproces kunnen worden verbeterd om de standtijd te verlengen. De input van data vanuit de installatie hier op de locatie is essentieel om de voordelen en besparingen in kaart te kunnen brengen”, vertelt Gert Sterk, hoofd Plant Performance & Engineering van AVR Duiven.
AVR Duiven
Omdat de vuurvaste bemetseling bij AVR in Duiven een heel korte levensduur had ging Gouda Vuurvast Services samen met deze praktijkpartner in het project op zoek naar verbeteringen in de afvalverbrandingsinstallatie.
AVR verwerkt afval dat anders gestort zou worden. De verbrandingscentrale levert daarmee energie aan zo’n 300.000 huishoudens, proceswarmte aan naburige bedrijven en CO2 als grondstof voor de glastuinbouw.
Omdat de installatie in Duiven geen watergekoelde wanden heeft, ontstonden er in het vuurvaste deel grote aanbakkingen. Gouda Vuurvast Services heeft een hittebestendige camera in het vuur laten zakken die tijdens het gebruik van de verbrandingsoven veel informatie opleverde.
Maatregelen verlengen levensduur
Een van de maatregelen om de levensduur te verbeteren zijn de luchtgekoelde tegels in een handzaam formaat die AVR voor de oven liet ontwikkelen. Ook werd in de oven in bedrijf met ‘hot spot repair’ beton gespoten om schades te repareren. Vervolgens werd de oven weer op verbrandingsniveau naar normale productie gebracht.
De stenen van de installatie zijn bevestigd met ankers die corrosiegevoelig blijken te zijn. Door op de ankers een thermokoppel te plakken met een log erbij, ontdekten de onderzoekers van Gouda Vuurvast Services dat de temperatuur van de ankers soms wel 600 tot 700° C is en samen met de temperatuur van rookgassen fluctueert. Om meer over de oorzaken van degraderen van vuurvast te weten te komen nam ECN/TNO metingen in de ketel op samensteling en type afzettingen. Er werden tevens sterke fluctuaties in de temperatuur ontdekt.
“Met een diagnostische sonde zijn de samenstelling en temperatuur van rookgassen nagegaan en er blijken periodiek excessieve temperaturen van meer dan 1400°C te zijn. Er zijn monsters genomen van de slaklaag langs de wand op locaties waar eerder schade werd aangetroffen. De kristallen in de samenstelling zijn een teken dat het volledig gesmolten is geweest”, aldus onderzoeker Mariusz Cieplik van ECN/TNO dat voor gefundeerde simulatie de GROB (Grote Roosterverbranding Opstelling Biomassa) als een AVI heeft opgebouwd.
Bij de steenanalyses blijken er grote verschillen in type en dikte van de as- en slakaanslag tussen verschillende testen. Ook zijn er zichtbare verschillen in steendegradatie afhankelijk van type steen, brandstofpakket en temperatuur. Bij de ankers is zeer veel degradatie te zien, zelfs bij betaalbare duurdere materialen.
Wat AVR concreet gaat doen met de maatregelen? “De procesvoering zal niet wijzigen. De installatie en gebruikte materialen zullen bestand moeten zijn tegen de procescondities”, verduidelijkt Gert Sterk van AVR Duiven. “Materiaalkeuzes zijn in de loop van de jaren steeds een beetje aangepast. Constructief heeft er een kleine aanpassing plaats gevonden waardoor de schade aan de luchtgekoelde wand beduidend kleiner is geworden”. Met hoeveel de maatregelen de levensduur verlengen is nog niet te zeggen. “Maar in het verleden moest er elk jaar een redelijk groot gedeelte worden vervangen en na aanpassing was dit na een jaar niet nodig.”
Ongeplande stilstanden bij een vuilverbrandingsoven resulteren in hoge gederfde inkomsten. Deze zijn meestal hoger dan de kosten voor de reparatie. Afhankelijk van de storing variëren de kosten van enkele duizenden tot enkele tienduizenden euro’s per ongeplande stilstand.
Was predictive maintenance voorheen een keer per jaar aan de orde, nu is dat eens per achttien maanden. De maatregelen besparen in tijd aan onderhoud, het gaat nu om een stop in drie jaar tijd. Dit komt neer op gemiddeld een week per jaar. Wat die besparing in kosten is? Sterk: “Veel, hier geef ik geen gedetailleerd antwoord op”.
Andere AVI s kunnen in de praktijk aan de slag met de ontdekkingen uit de testen van de installatie bij TNO/ECN in Petten. ”Ze kunnen worden toegepast bij veel AVI’s. Uiteraard alleen als ze toepasbaar zijn; geen enkele AVI is gelijk”, aldus het hoofd Plant Performance & Engineering
Asset managementmodel: voor de praktijk
De resultaten van drie jaar onderzoek De Lerende Steen hebben geleid tot een asset managementmodel, een praktisch systeem dat duidelijk maakt hoe de AVI werkt en welke invloed verandering in procesvoering heeft op de standtijden en wat dat voor effect heeft op de onderhoudskosten van de installatie.
Zo kan het management sturen op Performance Killers en Cost Drivers. Ook wordt zichtbaar waar problemen zijn te verwachten en hoe eco-verbeteringen zijn te behalen. Het model stimuleert teamwork door alle actoren expliciet te benoemen. Tot slot maakt eenduidige informatie de besluitvorming beter en de organisatie slagvaardiger.
