Beläggnings-/slaggbildning och emissioner vid förbränning ... · 2 och NO mättes med ett FTIR...

Beläggnings-/slaggbildning och emissioner vid förbränning av olika pelletskvalitéer i

pelletsbrännare

Ram Gilbe

Examensarbete D 20p för magisterexamen i energiteknik Tillämpad fysik och elektronik Umeå Tekniska Högskola

1

Abstract Regarding to the latest research, biopellets equipments are presently very fondly appreciate because of the high oil prises, the knowledge of global warming and other environment issues, the contribution from the government and of course the fact that biopellets are very cheap. The increasing demand of biopellets results in limited availability of better raw materials and for that reason more problematic raw material must be in examine. The problems with the new raw materials are there broader variation in total fuel ash content, composition of the ash forming elements as well higher slagging tendencies. The objective of the present work was to determine the influence of fuel-ash composition on residual ash and slag behaviour as well as gas and particle emissions. Twelve different biopellets were used in this study; reed canary grass, hemp, logging residues (two different samples of each), salix, wheat straw, steam wood (sawdust) and bark from birch, spruce and pine. The combustion took place in an Ecotec commercial under fed burner (20 kW). During that time measurements on exhausted gas (O2, CO, CO2, HCl, SO2 ) and total particle matter mass concentrations were made. The collected slagg deposits, the corresponding deposits bottom ash and the collected particle matter were all analysed with an electron microscopy combined with energy dispersive X-ray (SEM/EDS) and by a X-ray diffraction (XRD). The results showed that biomass fuel rich in Si and K and low content of Ca had a high tendency to form slag. Both wheat straw and reed canary grass (LA) formed slag so rapid that the combustion process stopped. Bark, logging residues1 and hemp (LA) didn’t formed slag in same rate, only 10-30 weight percent of the ingoing fuel ash content formed slag. Salix and reed canary grass had the lowest slagging tendencies with less than 3 percent of the ingoing fuel formed slag. The results also showed that sand contamination enhance the slag formation. The combustion of straw results in relatively high emissions of SO2, HCl and NO. The emission of exhausted gaseous showed that biopellts from straw discharged SO2 (20-80 mg/Nm3 10% O2

), HCl (10-35 mg/Nm3 10% O2 ) and NO(400-800 mg/Nm3 10% O2

). Salix and the other biopellets resluted in relatively low emissions of SO2, NO and HCl. Wheat straw hade a high emission of total particle matter (400 mg/Nm3). Barks and the loggings residuals hade a more moderate total particle matter emission (100-140 mg/Nm3). The lowest emissions of total particle matters were from the reed canary grass and hemp (30-60 mg/Nm3.

2

Sammanfattning Konsekvensen av den ökade försäljningen av pelletsutrustning medför att tillgången på befintliga pelletsråvaror som används för vanliga villapannor kommer att bli en bristvara. Därför måste nya pelletsråvaror med snarlika förbränningsegenskaper som dagens pelletsråvaror utvecklas. Problematiken är dock just att de nya råmaterialen har en annan sammansättning med högra halter av askbildande ämnen som i slutändan kan ge problem som beläggningsbildning och gasemissioner . I projektet studerades tolv olika 8 mm framtagna biopellets. De är kategoriserade i två grupper agrara- och skogsbränslen. Rörflen med låg och hög askhalt, hampa med låg och hög askhalt och vetehalm samt salix tillhör agrara medan GROT 1 och 2, bark från björk, gran och tall, samt ett referensbränsle från gransågspån tillhör skogsbränslena. . Syftet med projektet var att bestämma förbränningsegenskaperna hos olika pelleterade biobränslen med avseende på slaggningstendens, gas- och partikelemissioner. Det innefattar undersökning av i) beläggningens sammansättning, smältförlopp och sintringsgrad; ii) utgående gasemissioner av SO2, NO och HCl; iii) påverkan av beläggningsbildning av utgående partikelemissioner (totalhalten och partikelsammansättning). Förbränningsförsöken utfördes i en P-märkt undermatad Ecotec pelltsbrännare med en effekt på 20 kW som var dockad till en panna av märket Combifire på 200 liter. Bränsleinmatningen skede under kontinuerlig drift vid en konstant bränsleeffekt på ca 14 kW. Kontinuerlig mätning av dels temperaturprofilen (termoelement av typ N) runt och omkring rostret genomfördes och dels av O2, CO, CO2 med hjälp av ett standardinstrument som nyttjar elektrokemiska celler. HCl, SO2 och NO mättes med ett FTIR instrument. Provtagning av totalstoft skede enligt standardmetod (SS-EN 13284-1). Båda mätningarna skede under andra timmen efter antändning. Efter varje förbränningsförsök bestämdes mängden avsatt bottenaska, slagg och slaggens, askans och gaspartiklarnas sammansättning och morfologi bestämdes genom SEM/EDS analys. Slaggen och askans fassammansättning studerades m.h.a. pulverröngendiffraktion (XRD). Resultatet visar att slaggningstendensen skiljer sig såväl inom som mellan de olika bränslekategorierna. Bränslena med höga halter av kisel och kalium och låga halter av kalcium hade en större benägenhet att slagga. Det fanns tydliga indikationer att vissa av bränslena har kontamineras av sand, därav den höga kiselhalten. Vetehalm och rörflen med låg askhalt orsakade driftstopp på grund av en kraftig beläggningsbildning. Barkmaterialen, GROT 1 och hampa låg askhalt hade en mer moderat slaggningsbildning där 10-30 % av bränsleaskan bildade slagg. Salix och rörflen med hög askhalt bildade betydligt lägre halter slagg, under 3 vikts-% av ingående bränsleaska. Mängden totalstoft mellan de studerade bränslena skiljde sig kraftigt. Vetehalm hade den högsta andelen bildad stoft på ca 400 mg/Nm3, medan rörflen och hampa visade på relativt låg stoftbildning på 30-60 mg/Nm3. Barkerna förutom björken samt GROT bildade stoftmängder på mellan 100-140 mg/Nm3. Björk gav förvånansvärt låga halter bildad stoft, dock inte lägre än träreferenspellets. Partiklarna innehöll framförallt elementen K, Cl, S och Na.

3

Gasemissioner av HCl, NO och SO2 styrs mycket av hur stor halt av dessa föreningar bränslet består av. Stråbränslena gav upphov till höga halter av utsläppt SO2 (20-80 mg/Nm3 10% O2), HCl (10-35 mg/Nm3 10% O2) och NO (400-800 mg/Nm3 10% O2) vid förbränning. Skogsbränslena samt salix visade vid förbränning mycket låga emissioner av Cl samt SO2 (under detektionsnivån vid mätning av SO2) och NO låg på 100-500 (mg/Nm3 10% O2).

4

Innehållsförteckning Abstract ...................................................................................................................................... 1 Sammanfattning ......................................................................................................................... 2 1 Inledning.................................................................................................................................. 5

1.1 Bakgrund ...................................................................................................................... 5 1.3 Syfte ............................................................................................................................. 6 1.4 Avgränsningar .............................................................................................................. 6

2 Teori ........................................................................................................................................ 7 2.1 Bränslen........................................................................................................................ 7

2.1.1 Skogsbränslen........................................................................................................ 7 2.1.2 Agrara bränslen ..................................................................................................... 7

2.2 Aska.............................................................................................................................. 8 2.3 Partikelemissioner ........................................................................................................ 8 2.4 Gasemissioner .............................................................................................................. 9

3 Metod .................................................................................................................................... 10 3.1 Bränslen...................................................................................................................... 10 3.2 Förbränningsförsök .................................................................................................... 10

3.2.1 Brännare och panna............................................................................................. 10 3.2.2 Gasanalyser ......................................................................................................... 12 3.2.3. Partikelprovtagning och mätning ....................................................................... 12 3.2.4 Partikel-, ask- och slagganalys ............................................................................ 12 3.2.5 Visuell bedömning av sintringsgrad hos slagg.................................................... 13 3.2.6 Sintringstest ......................................................................................................... 14

4 Resultat.................................................................................................................................. 16 4.1 Bränslekarakteristik.................................................................................................... 16 4.2 Beläggnings-/slaggbildning........................................................................................ 18

4.2.1 Avsatt mängd och sintringsgrad .......................................................................... 18 4.2.2 Smältförlopp........................................................................................................ 20 4.2.3 Kemisk karakterisering ....................................................................................... 20

4.3 Gasemissioner ............................................................................................................ 24 4.4 Partikelemissioner ...................................................................................................... 26 5.1 Slaggbildning ............................................................................................................. 28 5.2 Emissioner .................................................................................................................. 29

6. Slutsats ................................................................................................................................. 30 8 Källförteckning...................................................................................................................... 31 Bilaga A. Beläggningsbildning för respektive bränsle Bilaga B. Ask- och bränsleasksammansättning Bilaga C. Temperatur och tid grafer över förbränningen Bilaga D. CO-, NO- och O2halten under förbränning

5

1 Inledning

1.1 Bakgrund Ur ett svenskt energipolitiskt perspektiv har biobränslets anseende och potential ökat markant under de senaste åren. Ur oljekrisen på 1970-talet och ur den allmänna svenska kärnkraftsomröstningen har energipolitiken reformerats. Sveriges målsättning har höjts ytterligare efter att inhemska och förnyelsebara energikällor ska tillgodose Sveriges totala energibehov. Därav kommer biobränslet att få en allt större betydelse för att uppnå dessa mål. Av Sveriges totala energiförbrukning på 624 TWh/år beräknas biobränslen redan generera 103 TWh/år [3]. Olika scenarier tyder på att potentialen för biobränslen kan öka till maximalt 230 TWh/år, vilket är en fördubbling jämfört med dagens utnyttjande. De olika aspekterna varför politikerna tar allt större hänsyn till potentialen i biobränslet är bland annat att biobränslen anses vara miljövänliga och förnyelsebara jämfört med huvudkonkurrenten fossila bränslen. Det gäller framförallt olja som är en ändlig resurs som påverkar miljön negativt. Den påtagligaste skillnaden mellan biobränslen och fossila bränslen är att koldioxidhalten i atmosfären inte ökar vid förbränning av biobränslen eftersom biomassa absorberar lika stor mängd koldioxid (CO2) under tillväxt som emitteras under förbränning. Biobränslen skapar dessutom upp till 20 gånger fler arbetsplatser jämförelsevis med nyttjandet av olja och kol [6] och tillgången av inhemskt bränsle är också stora. I Sverige var det förut mycket vanligt med oljepannor. Det har förändrats markant. Idag ökar försäljningen av pelletsutrustning dvs. kaminer, brännare och pannor med det dubbla beräknat på årsbasis. Pannor för enskilda småhus, för skolor, idrottsanläggningar, kyrkor och andra offentliga lokaler är de största intressenterna på marknaden. Till år 2020 finns målsättningen att göra Sverige helt oljeoberoende inom uppvärmningssektorn. Pellets blir ett av det mest betydelsefulla bidragen för att nå denna målsättning. Dessutom har staten valt att ge skattereduktion både för småhus, för konvertering från oljevärme till pelltesvärme och för kommuner, landsting, församlingar och andra offentliga lokaler för att ersätta olja med förnyelsebar energi. Även samhällets ökade miljömedvetenhet, den enkla och relativt billiga konverteringen från olja till pellets och den slående oljeprishöjningen/elprishöjningen bidrar till att oljan byts ut mot pellets. Kostnaden för att producera värme med olja beräknas ligga på ca 1 kr/kWh, motsvarande siffra för pellets är 0,5 kr/kWh. Idag beräknas det att finnas ca 70 000 pelletseldande villaägare varav 20 000 har tillkommit det senaste året. För att det ska bli ännu mer påtagligt måste högre krav ställas på hanteringen av bränslet, kvaliteten på bränslet, eldningsutrustningens driftillgänglighet samt verkningsgraden. [9] Pellets för villabruk produceras främst ur torra restprodukter från såg- och träindustrin [10] exempelvis kutterspån och sågspån från gran och tall. Dessa råvaror är ideala ur förbränningssynpunkt med låg slaggningstendens och askhalt. Emissionshalterna av NOx, SOx och HCl är dessutom oftast låga. Problematiken med dessa bättre råvaror är att efterfrågan är större än vad utbudet är och därför kommer ett underskott av dessa råvaror att uppstå. Skogsindustrin och energisektorn måste därför komplettera dagens råvaror med andra biobränslen för att tillgodose framtida energimål. Förutom biprodukter inom skogsektorn är även biobränslen från den agrara sektorn (åkerbränsle) tänkbara kandidater för att infria målet. I detta projekt studeras sammanlagt tolv olika biobränslen både från skogsindustrin och från den agrara sektorn. De aktuella biobränslena är, två olika hampor, två olika rörflen, tre olika barker, en stamvedsreferens, två olika GROT, en salix och en halm.

6

Problem som oftast förknippas med de nya råvarorna är den relativt höga innehållet av askbildande element som kalium (K), natrium (Na), aluminium (Al) och kisel (Si) som bildar lågsmältande klibbiga faser. Denna klibbiga massa bildar i slutändan slagg som reducerar tillgängligheten och verkningsgraden. Framför allt gäller det vid förbränning av åkerbränslen. Fördelen med åkerbränslen är att speciellt spannmål är 30 % billigare än trädpellets och ca 65 % billigare än olja. [4] Potentialen är därför stor både arealmässigt och vinstmässigt när åkerbränslen blir lika kvalitativt, konkurrensmässigt och kommersiellt som trädpellets. Andra problem som också förknippas med dessa bränslen är halter av N, S och Cl som bränslet innehåller. Vid förbränning bildas NOx, SOx, och HCl som är miljöförstörande ämnen. Även andra ämnen som olika kolväten som är extremt hälsofarliga kan emitteras.

1.3 Syfte Huvudsyftet med projektet är att bestämma förbränningsegenskaperna hos olika pelleterade biobränslen med avseende på slaggningstendens samt gas- och partikelemissioner. Delmålen var för respektive förbränningsförsök att undersöka: i) slaggens sammansättning, smältförlopp och sintringsgrad; ii) utgående gasemissioner av SO2, NO och HCl; iii) påverkan av beläggningsbildning av utgående partikelemissioner (totalhalten och partikelsammansättning).

1.4 Avgränsningar Eftersom projektet ingår inom ramen för delprojekt 6 i SLUP-programmet innefattar det att redan tidigare metoder har bestämts. Därav kommer vissa premisser att efterföljas för att öka omfånget och det kvalitativa resonemanget för den slutliga rapporten.

7

2 Teori

2.1 Bränslen Begreppet biobränslen involverar en mängd olika bränsletyper. De biobränslen som omfattas inom ramen av detta projekt uppdelas i skogsbränslen och agrara bränslen. Avverkningsrester, virke utan industriell användning och biprodukter från industrin dvs. bark, GROT och träd-pellets tillhör skogsbränslen medan exempel på agrara bränslen är halm, hampa, rörflen och salix. Indelningen bygger förutom på lokalisering/odling även på deras kemiska sammansättning. Biomassa som båda grupperna klassificeras inom är framförallt uppbyggda av olika andelar cellulosa, hemicellulosa, lignin, och extraktivämnen. Ur ett mer elementbasiskt perspektiv består biomassa i huvudsak av C, H och O. Andra aspekter som också inverkar på bränslets kemiska sammansättning är avverkningsmetod, transport, lagring, skördetid etc.

2.1.1 Skogsbränslen Bark är det yttersta skyddet mot uttorkning, eld och mekanisk påverkan. Olika trädarter har olika sorters barkkvalitéer. Bark som innehåller ovanligt höga halter av Si har oftast blivit kontaminerat under uppväxt, avverkning, frakt eller beredning. GROT är det skogsbränsle som tillvaratas mest enligt Clason [11]. Vid hantering av GROT förekommer föroreningar som sten och grus som påverkar förbränningen negativt. GROT som inte lagras flisas direkt efter avverkning. Varken barren eller näringen hinner då återgår till marken vilket kan leda till att askhalten blir högre beroende på att barren innehåller höga halter K och Si. K och Si är dessutom de främsta slaggbildande elementen. För GROT som lagras i vältor en längre tid finns möjlighet att barren kan återgå till skogen vilket är bättre ur både ett energi och ett långsiktigt hållbart perspektiv. GROT som flisas direkt och lagras i stackar kan halten av askbildande ämnen öka markant, då stacken under mikrobiell aktivitet ökar askhalten. Dagens Träpellets framställs utav sågspån och kutterspån huvudsakligen från stamved från trädslagen tall och gran. Stamvedspellets är det klart det bästa ur förbränningssynpunkt. Det genererar låga halter av aska och generellt låga utsläpp av SOx, NOx och HCl.

2.1.2 Agrara bränslen Generellt för stråväxter är att de innehåller höga halter av Cl och K. Ämnena reagerar och bildar föreningar vid förbränning som ger upphov till korrosiva beläggningar och låga asksmälttemperaturer. För att minimera problemrisken bör de agrara bränslena skördas på senvintern/våren beroende på att de askbildande elementen d.v.s. mineralerna har återgått till jorden eller rotsystemet. Andra fördelar med att skörda sent är att fukthalten i bränslet sjunker dramatiskt och det underlättar vid transport, förvaring, pelletering och förbränning. Jordens sammansättning är också en viktig aspekt som styr stråbränslenas förbränningsegenskaper, men även klimatet påverkar i vilken skala stråbränslena växer [13]. Generellt kan också förmedlas att stråbränslena har oftast en högre askhalt, lägre densitet och lägre värmevärde än träbränslena, se tabell 2 och 3. Vetehalm som biobränsle nyttjas inte i samma som utsträckning i Sverige som exempelvis i Danmark. I Sverige beräknas överskottshalm, vilket är den halm som blir kvar då foder och

8

ströhalm är tillvaratagna inom jordbruket, att generera ca 120 GWh [4]. Vetehalm är en ettårig växt som odlas främst för andra ändamål. Den är lättodlad och enkel att förädla samt kommersiell. [14] Rörflen är en flerårig stråväxt som i våra breddgrader blir ca 2 m hög. Den odlas på samma sätt som vete och har ungefär samma egenskaper förutom att avkastningen per ha (6-8 ton) är högre. Beroende på att den är flerårig bör hänsyn tas till markens bärighet vid skörd så att de nya skotten inte skadas. [14] Hampa är en energigröda som är relativt ny för biomassaproduktion i Sverige. Den är en ettårig växt med potential att bli 6 m hög men med vårt klimat ca 2-3 m hög. Hampans användningsområde är vitt. Den kan nyttjas förutom till biobränsle även till framställning av papper, strö och vegetabilisk olja. Avkastningen varierar mellan 8-14 ton TS/ha vilket är högre än de två förgående. [14] Salix som är ett åkerbränsle är mest likt i sammansättningen ett skogsbränsle. Salix tillhör samma släckte som bl.a. vide, sälg och pil. Det är en flerårig växt som kan ge hög avkastning i ca 30 år om plantering sker i södra/mellersta Sverige. Nackdelen gentemot de andra stråbränslena är att salix har en fukthalt på 50 % vid avverkning och att det krävs en speciell maskinpark för plantering och skörd vilket bromsar den kommersiella aspekten. Avkastningen beräknas ligga på ca 5 ton TS/år. [14]

2.2 Aska Askans kemiska egenskaper beror först och främst på sammansättningen av bränslet men även hur förbränningen har gått till. I huvudsak består askan framförallt av oorganiska metallföreningar men även av oförbrända organiska föreningar. Vid förbränning delas askan oftast in i botten- och flygaska. Bottenaska är den aska som till större delen består av ask- partiklar som stannar kvar i eldstaden medan flygaska är lättare och följer med rökgaserna ut. Flygaskan innehåller högre halter av klor och svavel medan bottenaskan består i högre grad av Si-, Ca- och K-silikater. Biobränslets generella innehåll av K, Ca, Mg, S, P, Si och Cl styr i första hand askans egenskaper. Ca och Mg ökar smälttemperaturen för de bildade askorna. Si i kombination med K har dessutom en benägenhet att bilda lågsmältande faser i bottenaskan redan vid 700-800ºC. Dessa kan klibba ihop med andra partiklar så pass att rostret kan bli igentäppt. När föreningar smälter bildas beläggningar (slagg) som försämrar förbränningsförhållandet i pannan.

2.3 Partikelemissioner I en förbränningsprocess bildas en mängd antal kemiska föreningar. Förbränningsresultaten beror bland annat på bränslesammansättningen, eldteknik och teknisk utformning. De skeden som är mest utpräglade ur emissionssynpunkt är inlednings- och avslutningsfasen. I en ideal förbränningsprocess sker ett antal delreaktioner. Kol och väte oxiderar under förbränning genom en exoterm reaktion och bildar koldioxid och vatten. I realiteten förekommer knappast en ideal förbränning utan där sker ständiga utsläpp av föroreningar. Kolmonoxiden används ofta för att mäta hur bra förbränningen sker. En optimal förbränning har oftast låga halter av CO. Höga halter av CO tyder på att utblandningen med O

9

är låg, vilket ger större emission av föroreningar. Andra utsläpp som är direkt kopplade till låga syrehalter då organiska material förbränns är flyktiga kolväten (VOC) och polyaromatiska kolväten (PAH). PAH består av en komplex blandning av föroreningar, tyngre kolväten och andra organiska föreningar med hög kokpunkt och som är starkt cancerogena. VOC som släppts ut i luften kan reagera under solljusets inverkan med kväveoxider som bildar ozon vid markytan och andra fotokemiska oxidanter, som påverkar växtlighet och människors hälsa negativt [11]. Bränsleaskans kemiska sammansättning tillsammans med förbränningstemperaturen och temperaturen i själva systemet är faktorer som påverkar vilken mängd av bl.a. Cl, K och S som frigörs till gasform. Bränsleaskans sammansättning skiljer sig ganska markant när det gäller skogsbränsle respektive agrara bränslen. Dock sker emissionen av dessa ämnen ganska likartat. K frigörs från bränslet i temperaturer runt 700°C och däröver. I 1050°C frigörs 50-90 % av det totala K. Om bränslet innehåller stora mängder av silikater frigörs inte alls lika stora mängder K eftersom det binds upp med silikatet och blir mindre reaktiv. Cl frigörs i två steg. Ca 60 % frigörs när temperaturen ligger mellan 200-400°C. Resterande frigörs när temperaturen är mellan 700-830°C. Kaliumklorid förångas och kloriden frigörs och kaliumet reagerar med kisel och bildar kaliumsilikater. Vid 830°C och däröver bildas kaliumhydroxid. [6]

2.4 Gasemissioner Det största problemet ur ett växtlighetsperspektiv när det gäller emissioner är svavel och kväveföreningar. Eftersom Sverige framförallt har svårvittrade mineraler är buffertförmågan mot försurning starkt begränsad. Svavel- och kväveföreningar är en starkt bidragande orsak till övergödning och försurning av mark och vatten. Kväveföroreningar (NOx) medverkar även i olika fotokemiska processer i atmosfären som bland annat ökar halten av marknära ozon. NOx bildas vid all förbränning. Det är viktigt att bränslet innehåller låga koncentrationer av kväve för att få ett lågt utsläpp av NOx. [6] Svavelföreiningar (SOx) som bildas vid förbränning av biobränslen är framförallt SO2. Det mesta av svavlet förångas och kyls ned mot pannväggar varvid kondensation av svavlet på flygaskan sker.0-90 % av den totala svavelinnehållet i bränslet reagerar med askan. Det resterande svavlet lämnar rökgaskanalen som SO2 med flygaskorna. Förutom inverkan på miljön påverkar svavlet även korrosionsprocessen i förbränningssystemet. [6] Under förbränning av biobränslen förångas klor och bildar föreningar som HCl(g) och andra alkaliklorider(s). Pannans temperatur avgör hur mycket av alkalie och jord alkaliklorider som kondenseras på flygaskan eller på pannsystemet. En del av kloriderna kommer att reagera med flygaskan medan HCl kommer att följa med rökgaserna ut. Det finns tidigare studier som påvisar att mellan 40-85 % av Cl i biobränslet reagerar med askan. Detta kan leda till stora korrosionsproblem i både panna, rökgaskanaler samt skorsten.[6]

10

3 Metod

3.1 Bränslen De biobränslen som omfattas av projektet är rörflen med hög askhalt (HA), rörflen med låg askhalt (LA), fiberhampa med hög askhalt (HA), oljehampa med låg askhalt (LA), bark från gran, tall och björk, salix, två olika GROT och en vetehalm. Även ett referensbränsle av stamved (träref.) undersöktes. Samtliga agrara bränslen skördades under våren förutom salix och vetehalm som skördades under höstperioden. Salix som lagrades i flisstackar odlades på Röbäcksdalen i Umeå vilket även hampa (HA) (exakthackade i storsäck) och rörflen (HA) (briketter) gjorde, medan vetehalm (balad) odlades i Svalöv. Rörflen (LA) lagrades som briketter och odlades i Glommersträsk. Hampa (LA) lagades balad och odlades i Degernäs. Vad gällande skogsbränslena kommer de från olika områden i västerbotten som har lagrats i stackar förutom GROT 2 som lagrades i välta i 6 månader. Bränslena pelleterades på SLU Röbäcksdalen i Umeå i en SPC 300 pelletspressanläggning med kapacitet på 200-300 kg/h, till en diameter på 8 mm, med en fukthalt mellan 8,5-11 wt-% och en bulkdensitet på 635±55 kg/m3. Tabell 2 visar bränslenas fukthalt och bulkdensitet. Bulkdensiteten och fukthalten bestämdes enligt SS 18 71 78 och SS 18 71 70. Bränsleaskanalysen utfördes av SLU:s biobränslelaboratorium i Umeå respektive AnalyCen Nordic AB i Linköping. Cl-, S- och N halten i bränslet bestämdes av SLU via standardmetoden SS 18 71 54, SS 18 71 77, LECO-metod 1 för respektive ämne. AnalyCen bestämde bränsleaskans sammansättning av bland annat Si, K, Na, Ca, Fe, Mg, Al, P och Mn via XRF. Askans smältförlopp bestämdes enligt SS ISO 540, bränslets värmevärde enligt SS-ISO 1928 och askhalten enligt SS 18 71 71 för respektive bränsle.

3.2 Förbränningsförsök

3.2.1 Brännare och panna Pannan är en standardpanna av märket Combifire. Pannan är framtagen för förbränning av pellets och har en eldstadsvolym på 120 liter och en vattenvolym på 200 liter. Kylningen av systemet sker via en värmeväxlare på 10 kW som i princip har obegränsad kylkapacitet (kranvatten) se Figur 1. Kylflödets temperatur styrs via en magnetventil för att uppnå en så nära konstant temperatur som möjligt. Pelletsbrännaren är en undermatad brännare med märket *EcoTec* med en märkeffekt på 20 kW. Om den godkända bränslespecifikationen följs ska pannan inte behövas asktömmas oftare än med ca 3-4 veckors mellanrum. Brännaren med tillhörande matningssystem är under drift helt automatiserad och styrs via pannans termostat. Brännarens matningseffekt är inställbar mellan 30-100 procent för bränsle med varierande energiinnehåll. Beroende på bränslets bulkdensitet, energiinnehåll och dess angivna värmevärde bestämdes matningshastigheten till antingen 11/10, 13/8 eller 15/6 dvs. en gångtid på 11 sekunder och paustid på 10 sekunder o.s.v. Det motsvarar en effekt på matarskruven på mellan 50-70 % av dess maximala effekt. Inställningarna gjordes för att erhålla en optimal förbränning och snarlika driftinställningar (bränsleeffekt, syreöverskott) för respektive bränsle. Försöken utfördes under ett intervall på ca 24 timmar, där mängden ingående bränsle bestämdes till ca 50 kg. Generellt pågick försöken mellan 16-18 h. Det motsvarar en

11

kontinuerlig drift på ca 14 kW. De försök som inte fortlöpte under den perioden bildade så pass svår beläggning att förbränningen avstannade helt. Tre stycken termoelement placerades i och omkring rostret och kartlade temperaturprofilen i brännaren för varje förbränningsförsök. Placeringarna på de två första givarna var i mitten och på slutet av rostrets lufthål och den tredje ca 15 cm centrerat över brännarkroppen där lågans maximala temperatur beräknades ligga. Se figur 1. Mätsonderna för gas och partikelprovtagning monterades upp på ett bestämt intervall i en raklång rökgaskanal för att störas någon form av turbulens. Se figur 1. Vid antändning av bränslet sprutades tändväska över bränslet i brännarkoppen. Labwiev sattes igång och den loggade under ett bestämt tidsintervall olika mätdata. Undertrycket bestämdes till ca 0,24 mPa för att få så snarlika resultat som vid tidigare utförda experiment. Kylvattnet och skrubben slogs på.

Figur 1. Schematisk bild över förbränningsanläggning. Efter varje förbränningsförsök bestämdes mängden avsatt aska, och slaggbildning. Mängden vägdes på en våg med 0,001 g noggrannhet för senare analys.

12

3.2.2 Gasanalyser I projektet analyserades rökgaserna med två instrument, TESTO och FTIR. Förutom skillnaden inom vilket mätomfång instrumenten mäter skiljer de sig även i mättekniken. I rapporten redovisas utsläppshalterna som mg/Nm3 outspädd gas vid 10% O2. TESTO 300 XXL är ett elektrokemiskt analysinstrument för mätning av rökgasens innehåll av O2, CO2, NO (torr) och temperatur vid en given mätpunkt [14]. Mätdata skickas till LabVIEW som loggar det under 10 sekunders intervaller. Mätningen av dessa gaser pågick under hela förbränningsförsöket. [14]� FTIR 9100 används för att mäta koncentrationen av bland annat gaser som SO2, NO, NO2, N2O, CO, CO2, NH3, HCl, HF och H2O. Gaser som är heterogena har egenskapen att absorbera infrarött ljus med en specifik våglängd och mängden ljus som absorberas vid varje specifik våglängd är en funktion av gasens koncentration och gascellens våglängd. Analysen baseras på Bomem FTIR spektrometer. Spektrometern mäter absorbationen över hela spektrum av våglängden [15]. Efter en timmes förbränning då en relativt konstant förbränning erhölls rökgassammansättningen (SO2, NO, NO2, N2O, CO, CO2, NH3, HCl, HF och H2O), partikelmängden samt storleken och rökgasflödet. Mätningen pågick under 1 timme och data från rökgassammansättningen loggades vart 30:e sekund.

3.2.3. Partikelprovtagning och mätning Provtagning av totalstoftet gjordes utifrån en standardmetod (SS-EN 13284-1). Instrumentet som användes för att samla upp stoft från rökgaserna innehåller två filter av kvarts. Totalstoftfiltret placerades först i en 550°C varm ugn under två timmar för att säkerställa goda resultat vid senare provtagningar. Därefter fick den ligga i en exsickator (fuktfri behållare) för att svalna och minimera risken för nya yttre påverkningar. När försöken för respektive bränsle påbörjades placerades de två filtren i totalstoftfiltrets instrument. Dessförinnan hade vikten på filterna bestämts med en analysvåg med en upplösning på 0,01 mg. Försöket påbörjades efter drygt en timme efter antändning av bränslet. Efter provtagning vägdes filtren igen för att bestämma den avsatta mängden stoft.

3.2.4 Partikel-, ask- och slagganalys Elementsammansättningen hos partikel-, ask- och slaggproverna analyseras med hjälp av ett svepelektronmikroskop med tillhörande energy-dispersiv spektroskopi (SEM/EDA). Slaggens fassammansättning analyseras aven med pulverröntgendiffraktion (XRD). Svepelektronmikroskop (SEM) används för att avbilda föremål i mycket höga förstoringar. Ett traditionellt mikroskåp använder ljus och linser för att skapa en avbild av ett föremål. SEM utnyttjar istället elektroner vid bildalstringen. Genom att nyttja elektroner ges en betydligt bättre upplösning än vid nyttjande av ljus. [16] Instrumentet som använts i detta arbete är en Phyllis XL30 med en energy-dispersiv spectroscopy EDA och en röngendetektor X som ger möjlighet att analysera provets element

13

sammansättning genom att detektera röntgenstrålningar som avges från det elektronbelysta provet. Med svepelektronmikroskopet bestämdes den kemiska sammansättningen på slaggen, botten askan och rökgaspartiklarna på kvartsfiltret. Proverna från slagg och aska göts in i epoxipuckar som putsades med olika grova SiC-papper för att uppnå en jämn yta och för att slutligen kunna analyseras. För att säkerställa en kvalitativ elementsammansättning vid analys av puckarna valdes innan ingjutning olika spridda områden i pannan och i brännarkoppen där bottenaskan och slaggen togs ifrån. Både areaanalys och punktanalys utfördes på mycket väl valda områden på proverna. 10 olika areaanalyser (200 x 200µm) på respektive puck gjordes samt några punktanalyser där sammansättningen inte såg homogen ut. Areanalyserna valdes systematiskt utefter en fiktiv diameter på puckarna allt för att elementsammansättningen skulle stämma över med verkligheten. Samma analysmetod användes även vid stoftanalysen, med undantaget att enbart 1 cm2 av kvartsfiltret analyserades. Dessa fragment klistrades på ”kolstubbar” och analyserades. Pulverröntgendiffraktionen (XRD) är en grundläggande teknik för att karaktärisera olika solida material. XRD kan tillhandahålla information om kristallina faser i provet. Röntgenstrålen passerar Göbelspeglar och med hjälp av Baggs lag beräknas olika förhållanden vilket resulterar i ett diffraktogram. Ca 4 g slagg av respektive bränsle maldes till pulver och pressades fast i en plasthållare. Provet består av flera slumpvis ordnade större antal mikrokristaller. Provet bestrålades och analyserades. [17]

3.2.5 Visuell bedömning av sintringsgrad hos slagg Sintringsgraden för de uttagna beläggningsproverna från brännkroppen studerades visuellt och i mikroskåp och klassificerades enligt följande kriterium [1]. Kategori 1: Mycket lätt sintrad aska som faller sönder vid beröring. Kategori 2: Något sintrad aska som håller ihop vid beröring men bryts mycket enkelt isär. Det går fortfarande att enkelt urskilja en kornstruktur i materialet. Kategori 3: Sintrad aska som fortfarande går att bryta isär. Man kan visuellt urskilja enskild

kornstruktur men askan har dock börjat få en slaggliknade struktur där smält material av glas kan urskiljas visuellt.

Kategori 4: Totalt sintrad aska, askan går inte att bryta isär för hand. Askan är sammansmält till större block (slagg). Ingen enskild kornstruktur går att urskilja visuellt.

14

3.2.6 Sintringstest Smältförloppet för den avsatta slaggen från förbränningsförsöken bestämdes genom ett sintringstest. Sintringstestet utfördes på ett kontrollerande sätt med hjälp av en 5 kW fluidiserande bädd pilotanläggning på ETPC vid Umeå Universitet, se Figur 2. Pilotanläggningen av rostfritt stål har en höjd på 2 m, 100 och 200 mm i diameter i respektive bädd och ”freebord”. Anläggningen är isolerad och utrustad med ett antal elektriskt uppvärmda väggelement för att minimera påverkan från den kalla väggen för att uppnå en så optimal isoterm process som möjligt.

Figur 2. Schematisk bild över fluidbäddsreaktorn där askans smälttemperatur bestämdes. För att uppnå rätt förbränningsatmosfär användes en gasolbrännare som är förlagd under bäddens distributionsplatta. Den maximala temperaturen som anläggningen är dimensionerad för är temperaturer upptill 1050°C. Fluidiseringsbädden bestod innan användning av 400 g Silversand innehållande 98 % SiO2 som siktades till en kornstorlek på 125 – 250 µm. De bränslen som användes avsatte mer än 100 g slagg under förbränningsförsöken. Slaggen maldes ner för hand med mortel och siktades. Tabell 1 visar den procentuella fördelningen på slaggens kornstorlek för att uppnå goda fluidiseringsegenskaper Den siktade slaggen vägdes och fördelades så att samma procentuella mängd av varje kornstorlek för varje slagg erhölls.

15

Tabell 1. Kornstorleksfördelning hos beläggningsproverna. Sålldiameter (µm) Procent Vikt (g)

125-250 20-30 8

250-350 40-60 13

350-500 20-30 9

Bädden värmdes upp till 600°C med hjälp av både gasolbrännaren och värmarna. Slaggen hälldes i och setpoint för temperaturökningen i programmet Gasifier Control Program ställdes in på 3°C/minut till dess att bädden agglomererade. Om bädden inte agglomererade vid 1050°C avbröts testet. Fluidiseringshastigheten hölls till konstant 4* Umf och syrgashaltan till ca 8-12 % [1]. Under och övertrycket samt respektive temperatur i bädden loggades grafiskt. När slaggen smälter blir det klibbigt och påverkar fluidiseringsegenskaperna, sandkornen agglomererar och bäddtemperaturen samt differenstrycket ändras vilket åskådliggörs i Figur 3.

0

200

400

600

800

1000

1200

15:1

3:49

15:2

2:09

15:3

0:29

15:3

8:49

15:4

7:09

15:5

5:29

16:0

3:49

16:1

2:09

16:2

0:29

16:2

8:49

16:3

7:09

16:4

5:29

16:5

3:49

17:0

2:09

Tem

pera

tur

(gra

der

C)

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Tryc

k (m

bar)

Ö bäddtemp

U bäddtemp

U bäddtryck

Ö bäddtryck

Figur 3. Trycktemperaturgraf utifrån försök med slagg producerad från försök med tallbark.

16

4 Resultat

4.1 Bränslekarakteristik AnalyCens analys av bränsleaskans hela kemiska elementbasiska sammansättning redovisas i Bilaga 2. I Tabell 2 visas resultaten utifrån klassificeringen av bränslepellets enligt SS 18 71 20 för respektive bränslepellets. Tabell 2. Resultat utifrån klassificeringen av bränslepellets enligt SS 18 71 20.

Egenskap Provnings-metod

Enhet Vete-halm

Rörflen hög

askhalt

Rörflen låg

askhalt

Hampa hög

askhalt

Hampa låg

askhalt

Salix Gran-bark

Tall-bark

Björk-bark

GROT 2

GROT 1

Trä-ref.

Askhalt SS 18 71 17 Vikt-% av TS

6.6 10.7 3.1 5..9 1.6 2.0 3.6 1.9 2.7 6.4 2.2 0.31

cal. HVb

SS-ISO 1928 MJ/kg 18.5 17.9 19.5 18.91 19.6 19.7 20.1 21.1 23.1 19.9 20.7 20.3

Total Svavelhalt

SS 18 71 70 Vikt-% av TS

2.1

0.8

3.9

1.4

3.8

1.5

0.8

1.6

1.1

0.5

1.4

3.2

Klorider SS 18 71 85 Vikt-% av TS

3.33

0.47

0.65

0.51

1.25

0.50

0.28

0.53

1.11

0.16

0.45

3.23

Skrymdensitet Vikten av 10 liter pellets

kg/m3 584 604 593 602 689 593 650 656 679 633 577 646

Totla fukthalt SS 18 71 70 Vikt-% 8.6* 11.1* 9.8* 9..4* 8.6* - - - - - - - Asksmält-

förlopp

SS-ISO 540 Initila-temp. (IT) °C

820 1390 1112 1170 1250 >1550 1400 1350 1200 1170 >1550 -

Askhalten i de olika pelleterade biobränslena varierar från 0,31 % till 10,7 % av TS. Vad som framgår tydligt är att högre askhalt medför ett lägre värmevärde. Rörflen (HA) med den högsta andelen askhalt har det lägsta värmevärdet. Generellt kan också sägas att agrara bränslen hade en lägre skrymdensitet samt lägre värmevärde jämfört med skogsbränslen. Cl- och S- halten är högre för stråbränslen än för träbränslen. Enligt provningsmetod SS-ISO 540 är bränslets initiala asksmälttemperatur i vissa fall högre än den uppmätta maximala temperatur som råder i flamman eller omkring rostret vid respektive försök. Fukthalten för samtliga bränslen ligger mellan ca 8-11 % Tabell 3. Elementsammansättningen hos de studerade biobränslena.

Vete-halm

Rörflen hög

askhalt

Rörflen låg

askhalt

Hampa hög

askhalt

Hampa låg

askhalt

Salix Gran-bark

Tall-bark

Björk-bark

GROT 2

GROT 1

Träref.

Ca 46.2 44.2 48.2 47.2 48.8 48.8 n.a. n.a. n.a. 49.4 51.2 51.9 Ha 5.6 5.5 6.0 5.7 5.8 6.0 n.a. n.a. n.a. 5.6 5.8 6.0 Oa 40.34 38.66 41.46 40.29 43.42 42.9 n.a. n.a. n.a. 38.3 40.4 41.8 Na 0.9 0.8 1.1 0.8 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.4 <0.1 Sa 0.14 0.09 0.12 0.08 0.06 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 <0.01

Cla 0.22 0.05 0.02 0.03 0.02 <0.01 0.01 0.01 0.03 <0.01 0.01 <0.01 Sic 22 36 22 26 13 2.6 4.6 7.0 12 29 12 3.5 Alc 0.093 2.9 2.6 3.8 3.2 0.51 <1.3 4.7 3.7 6.0 3.7 1.0 Fec 0.15 1.0 1.0 3.1 2.1 0.5 0.28 0.84 3.2 2.4 3.2 0.7

Cac 5.9 2.7 11 9.6 23 23 29 22 21 4 21 30 Mgc 1.3 0.68 2.5 0.94 2.6 2.0 1.9 2.0 2.2 1.1 2.2 6.7

Pc 1.5 0.84 4.3 1.3 1.8 2.8 1.3 1.6 1.1 0.54 1.1 3.0 Nac 0.19 0.49 0.28 0.97 0.87 0.47 0.21 0.54 0.81 1.7 0.81 0.03 Kc 18 3.4 7.4 4.4 5.1 13 5.9 7.0 5.7 4.6 5.7 14.5

awt % of db bMJ/kg db cwt % ash

17

Ur figur 4 framgår att de askbildande elementen i huvudsak är Si, Ca och K för stråbränslen medan för skogsbränslen är det istället Ca, Si och K. För vetehalm var K-Ca förhållandet olikt resterande agrara bränslen. Si halten är betydligt högre i förhållandet mellan Ca- K i rörflen (HA).

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Al P Fe Ca K SI Mg Mn Na Cl S

Vik

ts-%

av

brän

slea

skan Vetehalm

Rörflen HA

Rörflen LA

Hampa HA

Hampa LA

Salix

Figur 4a. Bränsleaskans sammansättning i vikts-% hos agrara bränslen. En annan signifikant skillnad är GROT 1:s innehåll av Ca och Si. Innehållet av Ca är 6 ggr lägre och innehållet av Si är 3 ggr högre än övriga skogsbränslen. Viktigt att påpeka är att biobränslena GROT 1 och 2 är färsk respektive lagrad GROT utan att vara samma bränsle. Askhalten av den lagrade GROTen är betydligt högre än den färska GROTen.

0

10

20

30

40

50

60

70

Al P Fe Ca K SI Mg Mn Na Cl S

Vik

ts-%

av

brän

slea

skan Granbark

Tallbark

Björkbark

GROT 1

GROT 2

Träref.

Figur 4b. Bränsleaskans sammansättning i vikts-% hos skogsbränslen.

18

4.2 Beläggnings-/slaggbildning

4.2.1 Avsatt mängd och sintringsgrad Mängden bränsle som matades in för samtliga försök har varit runt ca 50 kg, förutom för hampa (LA) där enbart 27 kg fanns att tillhandagå. Av dessa 27 kilo förbrändes 19 kg på grund av att hampapelletsens utformning medförde problem vid matning från silot till brännaren. I samtliga försök fastnade sammanlagt ca 5 kg bränsle i matningsskruvarna därav var ingående bränsle ca 45 kg. Förbränningsförsök med både vetehalm och rörflen (LA) indikerar tydligt att förbränningen avstannat pga. slaggbildning då endast 12 kg respektive 29 kg förbrändes. Vad som även går att urskilja är ur bilaga A att hampa (HA) och GROT 1 slaggar relativt fort dessutom har de en högre slaggningskvot mot ingående mängd bränsle vid jämförelse med resterande bränslen. Efter förbränningen bestämdes mängden oförbränt organiskt material visuellt i askan. För respektive bränsleaska var mängden oförbränt material obetydlig. I större slaggformationer där förbränningsegenskaperna var dåligt gick det att urskilja oförbränt material som dock klassificerades under slagg. I Figurer 5a framgår hur slaggbildningen kan se ut efter en förbränning. Bränslen med sämre/bättre bränslekarakteristik åskads på den vänstra/högra sidan.

Figur 5. Vänstra bilden visar slaggbildningen i brännkoppen respektive avsatt bottenaska/slagg i pannan vid förbränning av stamvedspellets. Högra bilderna visar rörflenens (LA) restprodukter efter förbränning.

19

Figur 6a visar hur mycket slagg som bildas av andelen teoretiskt ingående bränsleaska (vikts-%) för respektive försök. Vetehalm, rörflen (LA), hampa (HA) och GROT 2 är det bränslena som enligt grafen uppskattas ha störst benägenhet att slagga. Salix och träref. slaggade minimalt eller inte alls.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

Vet

ehal

m

Rör

flen

HA

Rör

flen

LA

Ham

pa H

A

Ham

pa L

A

Sal

ix

Trä

ref.

Gra

nbar

k

Tal

lbar

k

Bjö

rkba

rk

GR

OT

1

GR

OT

2

And

el s

lagg

av

ingå

ende

brä

nsle

aska

(vi

kts-

%)

Figur 6a. Andel slagg av ingående bränsleaska i vikts-%. Mängden bildad slagg av ingående bränsle hade stor inverkan på förbränningsförhållandet. I Figur 6b framgår det att vetehalm, hampa (HA) och GROT 2 bildar mest slagg.

4

0.0%0.5%1.0%1.5%2.0%2.5%3.0%3.5%4.0%4.5%5.0%

Vet

ehal

m

Rör

flen

(HA

)

Rör

flen

(LA

)

Ham

pa(H

A)

Hap

ma

(LA

)

Sal

ix

Gra

nbar

k

Tallb

ark

Bjö

rkba

rk

GR

OT

1

GR

OT

2

Trär

ef

2

Män

gd b

ildad

sla

gg a

v to

talt

förb

ränt

4

44

112 3

2

23

Figur 6b. Andel bildad slagg för respektive bränsle av total mängd förbränd. Figur 6b skiljer sig från figur 6a genom att andelen bildad slagg mot mängd bränsle in bestäms istället för andelen mängd slagg mot ingående bränsleaska. Figurerna visar snarlika resultat. Dessutom visar även figur 6b sintringsgraden som klassificerades enligt tidigare benämnda kriterier i kap 3.6. Det som framgår enligt tabell 3 är att sintringsgraden och mängden slagg beror främst på bränslesammansättningen. Sintringsgraden är högre för bränslen med högre slaggningsbenägenhet. Salix och träref. är de bränslena som har lägst sintringsgrad.

20

Beroende på bränsle och brännteknik kan en glasartad beläggning bildas på insidan av brännkroppen som är så pass hård att den enbart kan avlägsnas genom att med skruvmejsel och hammare spettas bort. Dock fanns det ingen sådan bildad beläggning på brännkroppens insida för samtliga förbränningsförsök. Maxtemperaturerna runt och omkring rostret under förbrännings-processen återfinns i bilaga C uppskattas ligga mellan 1200-1250°C I vissa fall indikeras även en regelbunden temperatursänkning, främst hos rörflen (LA), hampa (HA), vetehalm och GROT 1. När askan börjar klibba kan den fastna på termoelementet och isolera den för faktiska tempertauråtergivning därav erhålls en fiktiv temperatursänkning. Dessutom förändrades termoelementets läge under förbränning då bränslet hade en hög slaggningstendens.

4.2.2 Smältförlopp Samtliga sintringstester i avseende på fluidbäddens under- och övertryck relaterad till temperaturen såg i princip ut som i figur 3. Temperaturen på bädden var alltså mycket enkel att läsa av då fluidbädden defluidiserade. Defluidiseringstemperaturen hos bränslena bestämdes med en noggrannhet på ±2°C. I bilaga A framgår det att den initiala defluidiseringstemperaturen för respektive beläggning ligger mellan 950-1030°C, förutom för beläggningar orsakade av förbränning av vetehalm som har en betydligt lägre initial defluidiseringstemperatur (830°C). För salix, träref., GROT 2 och granbark erhölls inget resultat på grund av att slaggmängden var för låg för att ett sintringstest skulle vara genomförbart.

4.2.3 Kemisk karakterisering Kemisk karakterisering på bottenaskan och slaggen utfördes m.h.a. ESEM med tillhörande EDS. Figur 7 illustrerar väl hur ett avbildat slaggprov kan se ut.

Figur 7. Avbildat slaggprov, 200 gångers förstoring från granbark(V) och salix(H). Bilden till vänster är ett slaggprov från granbark medan den till höger är ett slaggprov från salix. De svarta fläckarna på figurerna är områden som inte analyseras. Generellt gäller att områdets färgnyans avspeglar innehållet. Ljusare områden innehåller tyngre element och vise versa. Bilden till vänster är en homogen smälta som framförallt består av bland annat kalciumkaliumsilikater med små andelar Mg och Al. Bilden till höger består främst av olika sandpartiklar (de två olika mörknyanserade områdena). Det mörkaste partiet är ett sandkorn

21

beroende på den höga Si halten medan det lite ljusare området domineras av Si, Al, K, Ca och består av en fältspatspartikel. Det ljusaste området är själva smältan vilket analyserades. Följande figurer 8a-9b illustrerar resultaten över elementsammansättningen av bottenaskan hos slaggen. Medelvärdet över areaanalysens elementbasiska sammansättning såväl som standaravvikelsen har bestämts.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe

A%

Vetehalm

Rörflen LA

Hampa LA

Hampa HA

Rörflen HA

Salix

Figur 8a. Elementsammansättningen hos bildad bottenaska (O-, och Cfri bas) vid förbränning av agrara bränslen.

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A%

Granbark

Tallbark

Björkbark

GROT 2

GROT 1

Träref

Figur 8b. Elementsammansättningen hos bildad bottenaska (O-, och Cfri bas) vid förbränning av skogsbränslen. I figur 8a-8b framgår det att bottenaskan för respektive pelletsbränsle består generellt av höga halter Si, Ca och K. Ytterligare framgår det att vetehalm motsatts till hampa (LA) har den klart högsta halten av K och bland de lägsta halterna Ca. Vetehalmen skiljer sig från övriga agrara bränslena med dess låga halter av Si och Ca och höga halter av Cl, K och S. Rörflen (HA) har en låg halt av både Ca och K men en betydligt högre halt av Si. Skogsbränslenas bottenaska domineras allmänt av Si, Ca och K. GROT 1 är det enda av skogsbränslena som har ett annat CaK förhållande. Si halten är lägst för tallbark som har en snarlik sammansättning som hampa (LA).

22

0

10

20

30

40

50

60


A%

Vetehalm

Rörf len HA

Rörf len LA

Hampa LA

Hampa Ha

Salix

Figur 9a. Slaggens elementsammansättning för agrara bränslen på (O-, och Cfri bas).

0

10

20

30

40

50

60


A%

Björkbark

Tallbark

Granbark

GROT 1

GROT 2

Figur 9b. Slaggens elementsammansättning för skogsbränslen (O-, och Cfri bas). Si, Ca och K är de element som dominerar i beläggningarna för stråbränslen. Ur beläggningsproverna som likhet med askproverna framgår det att vetehalm har betydligt högre K- än Ca-halter. Rörflen (HA), hampa (LA) och salix har betydligt högre Ca- än K-halter. P-halten i rörflen (LA) är den högsta för samtliga bränslen vilket även bränsleanalysen bekräftar. Det som påvisas ur figur 9b är att Si- och Ca- halten är relativt lika förutom för GROT 1 där Si halten är 6 gånger högre Ca halten. Märkligt är att Al halten i beläggningsproverna överskrider den naturliga halten som bränslena består av. Det kan härröra från bland annat att i bark och i GROT är kontaminering av sandpartiklar vanligt. Många sandpartiklar är fältspater och dessa innehåller bland annat höga halter av Al. K-halten och Si halten för träbränslen är lägre än för stråbränslen, även Ca-halten skiljer sig där träbränslen innehar en högre halt.

23

Vetehalm

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

Al P Fe Ca K Si Mg Mn Na Cl S

A-%

Bränsleaska

Slagg

Rörflen LA

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00


A-%

Bränsleaska

Slagg

Rörflen HA

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00


A-%

Bränsleaska

Slagg

Hampa LA

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00


A-%

Bränsleaska

SlaggHampa HA

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00


A-%

Bränsleaska

SlaggSalix

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00


A-%

Bränsleaska

Slagg

Granbark

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00


A-%

Bränsleaska

SlaggTallbark

0,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,00


A-%

Bränsleaska

Slagg

Björkbark

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00


A-%

Bränsleaska

Slagg

GROT 1

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00


A-%

Bränsleaska

SlaggGROT 2

0,0010,0020,0030,0040,0050,0060,0070,0080,00


A-%

Bränsleaska

Slagg

Figur 10. Elementsammansättningen av den bildade slagget Figur 10 jämförs bränsleasksammansättning med slaggsammansättning. Klara likheter finns mellan mängden askbildande ämnen i 7 av 11 fall. Den bränslesammansättning som skiljer sig åt mellan de två olika metoderna är rörflen (HA), salix, granbark och tallbark, dock i olika grad. För de bränslesammansättningar som skiljer sig åt mellan de två analysmetoderna framgår det vagt att K- koncentrationen i bränsleaskan är högre. Även här framgår som i tabell 3 att Si-halten är högre i slaggen än i bränsleaskan för 8 av 11 bränslen.

24

Tabell 5. Fasidentifiering med XRD för slaggproverna FAS Vete Rörflen Rörflen Hampa Hampa Salix Gran Tall Björk Grot Grot

halm HA LA HA LA bark bark bark 1 2 Wt-% kristallina ämnen i slaggproverna 8 22 25 18 58 35 48 50 47 36 57

SiO2 2 28 7 18 4 4 48

CaMg(SiO4)2 11

NaAlSi3O8 11 17 21

KAlSi2O6 10 13 6 8 5 6 19

Ca2Mg(Si2O7) 77 53 40 69 62 31

Ca2SiO4 12 27 41

KAlSiO4 4 10 8 8 11

Ca3Mg(SiO4)2 13 18 24 11 17

CaSiO3 20 32 7 33 9

KCaPO4 72

KCl 9

K2SO4 11

Ca9MgK(PO4)7 12 93 10

KAlSi3O8 13 10

Rwp 3.2 3 4 3.5 7.1 5.6 6.9 9.6 5.3 5.8 5.9

XRD analysen visade att slaggen från rörflen (HA), hampa (HA) och GROT 2 innehåller höga halter av kvarts, albite och microcline. Dessa sandmineraler förekommer inte naturligt i bränslet utan har kontamineras under processens gång. Genom att jämföra resultaten från XRD (tabell 5) med resultatet ur SEM/EDS analysen på slaggerna (figur 10) kunde smältans sammansättning uppskattas. Smältan består framförallt av Si, Ca, K och Al förutom för vetehalm där Si och K dominerade. GROT 1, hampa (LA) och alla barker domineras av Ca-Mg och Ca-baserad silikater. Även en mindre mängd K-Al baserade silikater återfinns i smältan. Även mängden amorft material kunde bestämmas. Andel amorft material för salix, GROT 2 och de agrara bränslena förutom för hampa (LA) ligger på 64-92 vikt-%. Barken och GROT 1 har en lägre andel smälta på 45-53 vikt-%. Dessa värden speglar dock inte verkligheten vid 1200ºC eftersom en del slagg har kristalliserat ut och en del förblir amorft (glas) under nedkylningsfasen från 1200ºC.

4.3 Gasemissioner En vedertagen regel är att CO-halten under förbränning fluktuerar mot hur ideal förbränningsprocessen är. CO-halten ökar för de bränslen som slaggar kraftigt. Samtidigt sker då även en förändring i temperaturåtergivningen. När CO halten ökar med en ökad slaggning sjunker temperaturen. Det påvisas framför allt vid förbränning av hampa (HA). Faktum är att den grafen inte är likt någon annan. Dessutom framgår det ur bilaga D att CO-halten är relativt låg för de bränslen som bildar en beläggning på mindre än 100g. CO-halten vid förbränning av granbark varierar onormalt. För referenspellets skedde inga nämnvärda variationer varken vid uppmätt CO eller temperatur. Samma fenomen gällde salix.

25

Resultaten i figur 11 visar medelvärdesbildade emissioner för SO2, HCl och NO under timme 2-3 från antändning av bränslet.

mg/Nm3 (vid 10% O2)

0

10

2030

4050

60

70

8090

100V

eteh

alm

Rör

flen

HA

Rör

flen

LA

Ham

pa H

A

Ham

pa L

A

Sal

ix

Tal

lbar

k

Gra

nbar

k

Bjö

rkba

rk

GR

OT

2

GR

OT

1

Trä

ref.

SO

2, H

Cl

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

NO

SO2

HCl

NO

Figur 11. Emissioner av SO2, HCl och NO under timme 2-3 från antändning vid en 10% O2 halt. Gasemissioner av HCl, NO och SO2 styrs mycket av hur stor halt av Cl, N och S element bränslet består av. Stråbränslena gav upphov till höga halter av utsläppt SO2 (20-80 mg/Nm3 10% O2), HCl (10-35 mg/Nm3 10% O2) och NO (400-800 mg/Nm3 10% O2) vid förbränning. Skogsbränslena samt salix visade samma tendens nämligen mycket låga emissioner av Cl, under detektionsnivån vid mätning av SO2 och NO låg på 100-500 mg/Nm3 10% O2.

mg/Nm3 (vid 10% O2)

0

200

400

600

800

1000

0 0.5 1 1.5

N (vikt-%/Ts)

mg/Nm3 (vid 10% O2)

0

20

40

60

80

100

0 0.05 0.1 0.15

S (vikt-%/TS)

mg/Nm3 (vid 10% O2)

05

101520253035

0 0.1 0.2 0.3

Cl (vikt-%/TS)

Figur 12. Mängden emitterad NO, HCl och SO2 mot halten N, Cl och S i bränslet uttryckt i mg/Nm3 (vid en 10 % O2 halt). Figur 12 visar tydliga samband mellan bränslets innehåll av Cl och S mot mängd utsläppt SO2 och HCl. För N är det betydligt svårare att se något samband dock finns det tendenser som påvisar att NO utsläppen ökar för bränslen med högre andel N.

26

4.4 Partikelemissioner Elementsammansättningen bestämdes aven för totalstoftfiltret. Av figur 13 framgår hur avbilningen kan se ut. Vad som inte framgått är att kvartsfiltret är Si baserade därför i SEMet redovisas analysresultaten på Si fri bas. Beroende påt tekniska problem vid förbränning av salix kunde varken totalstoftet eller sammansättningen bestämmas.

Figur 13. Totalstoftfiltret avbildad och förstorat i SEM efter förbränning av bränsle med lite stoft respektive mycket stoft. Bilden till vänster visar totalstoftfiltret hos träref. efter en timmes provtagning. Där framgår det tydligt att stoftmängden är betydligt lägre än bilden till höger, beroende på att skiktet stoft är tjockare. Bilden till höger visar totalstoftfiltret efter en timmes provtagning då rörflen (LA) förbränns.

460

0.0020.0040.0060.0080.00

100.00120.00140.00160.00

Ve t

eha l

m

Rör

f len

HA

Rö r

fl en

LA

Ham

pa H

A

Ha m

p a L

A

Gra

nb a

rk

Tal

lbar

k

Bj ö

rkba

rk

GR

OT

2

GR

OT

1

Trä

ref.

Tot

al m

ängd

sto

ft

Figur 14. Totalmängden stoft uttryckt som mg/Nm3 vid 10 % O2. Ur figur 14 framgår det att vid förbränning av vetehalm var mängden totalstoft betydligt högre än för resterande bränslen. För bränslena träref. och björkbark var utsläppen av stoft låg. Vid visuell färggranskning av samtliga 12 stoftfilter efter respektive förbränningsförsök resulterade det i 4 st. mörka filter, dock utan någon som helst tendens till svärta. De totalstoftfilter med en mörkare beläggning var vetehalm, GROT 1, björkbark och hampa (LA). Utifrån SEM/EDS analysen framgick dock att C-halten hos dessa 4 partikelprover var lägre än 25 vikts-%.

27

Figurer 15a-15b illustrerar resultaten över areaanalysen av stoftfiltret. I respektive figur bestäms medelvärdet av areaanalysens elementbasiska sammansättning på Si-, C-, och Ofri bas. Detta ger en tydligare och bättre bild av hur elementsammansättningen kan se ut. Då enbart Si fri bas bestämdes, konstaterades att huvuddelen av partikelemissionen består av oorganiska material.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Na Mg Al P S Cl K Ca Mn Fe

A%

Vetehalm

Rörflen LA

Hampa LA

Hampa HA

Rörflen HA

Figur 15a. Partikelemissionens sammansättning för stråbränslen på oorganisk bas. Figur 15a visar att partiklarnas sammansättning för stråbränslen domineras av K, Cl, S och Na. Ett undantag är rörflen (LA) som har betydligt högre halter av P än resterande bränslen. Bränsleaskanalysen indikerar samma resultat nämligen att P halten är några procent högre i rörflen (LA) än i resterande askor. Halten Zn redovisas ej i denna rapport.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Na Mg Al P S Cl K Ca Mn Fe

A%

Granbark

Tallbark

Björkbark

GROT 2

GROT 1

Träref

Figur 15b. Partikelemissionens sammansättning för skogsbränslen oorganisk bas. Partiklarna från skogsbränslena domineras av K, S, Na och Cl förutom för GROT 1 och björkbark där rökgas sammansättningen består av K, Na, Cl och S.

28

5 Diskussion

5.1 Slaggbildning Utifrån resultatet framgår det att slaggbildningen beror bland annat av hur K-Ca fördelningen är i bränslet. Tidigare studier visar att K sänker smältpunkten i silikatsmältan i motsats till Ca. Samma resultat påvisas även i detta projekt. Vetehalms K-Ca förhållande förhåller sig 3-1 enligt slagganalysen från SEM/EDS och utgör det bränsle med högst andel slagg av ingående bränsleaska. Även för Rörflen LA och GROT 1, där K-Ca förhållandet är hög jämförelse med resterande slagganalyser, har en hög slaggningstendens. Salix, GROT 2 och tallbark har däremot ett K-Ca förhållande på 1-4 och slaggar minimalt. Även Si:s förhållande till K och Ca verkar inverka på slaggningstendensen. Det bränsle som borde slagga mindre enlig slagganalyserna från SEM/EDS är granbark om hänseende ska tas till K-Ca förhållandet. En förklaring till varför slaggningsgraden var högre än det förväntande resultatet var att förbränning av detta bränsle inte skedde optimalt, vilket även påvisas av bilaga D där CO halten var extremt hög. Hårdheten på slaggen klassificerades visuellt. Resultaten utifrån bränsleaskanalysen visar att när det gäller Si mängden i askan så finns klara samband som bekräftar att Si halten påverkar asksmältans hårdhet. Högre andel Si ger generellt en högre sintringsgrad. Samband som motstrider detta resultat är att sintringsgraden påverkas av bland annat hur mycket slagg som produceras. Slaggen bildas över en längre tidsperiod ett cylinderformad rör på rostret. Eftersom insidan av slaggcylindern påverkas ständigt av temperaturfluktuationer från lågan så bildas tillslut en glasartad beläggning. Därav kan temperaturen styra mer sintringsgraden än vad själva Si-innehållet och ge ett missvisande resultat. Förutom råvarans asksammansättning som påverkas av markförhållandena och kontamineringsgrad påverkas även slaggningshänseendet av temperaturprofilen. Temperaturen i rostret är relativt hög i förhållande till vad som behövs. Om det gick att sänka blästerlågans höga temperatur skulle problemet med slaggning för bränslen med högre sintringstemperatur reduceras eller helt och hållet försvinna. Sänkningen av temperaturen måste då göras kontrollerad och förmodligen också kompenseras med en längre uppehålls tid och högre temperaturer för rökgaserna för att undvika att skadliga föreningar bildas Två experimentella metoder användes för att bestämma den initiala smälttemperaturen på askan, SS-ISO 540 och ett fluidbäddagglorimeringstest. SS-ISO 540 nyttjar askan av respektive bränsle medan sintringstestet nyttjar den bildade slagget av respektive bränsle. Resultaten av metoderna skiljer sig märkbart åt förutom hos vetehalm där smälttemperaturen var påfallande lika. Skillnaden låg i att den initiala smälttemperaturen var betydligt högre vid användning av SS-ISO 540 än vid agglorimeringstestet. Det kunde skilja sig upp emot 300°C mellan dessa försök, men minskade med ökad andel askhalt i bränslet. Metoden som gav ett mer sanningsenligt resultat är sintringstestet beroende på att temperaturprofilen runt och omkring rostret vid förbränning aldrig översteg 1250°C vilket SS-ISO 540 metoden dementerade. Tendens finns att om SS-ISO 540 sänker sin initiala smälttemperatur med ca 200°C överensstämmer det ganska bra med sintringstestet. Fördelen med SS-ISO 540 metoden är att en initial smälttemperatur på bränslet alltid kan bestämmas. En annan metod för att prediktera bränslenas asksmälttemperaurer är att använda sig av ett fasdiagram. Ett fasdiagram byggd av hur Ca-Si-K förhåller sig till varandra valdes ut från [19]. Resultatet bekräftar generellt att fluidbäddagglomeringstestet fungerar bra, eftersom samma resultat erhölls.

29

5.2 Emissioner Mätning av gas- och partikelemissionen var viktig i avseendet för att få veta hur beläggningsbildningen påverkade utsläppen. Det finns klara samband på att emission av partiklar beror främst på vilket biobränsle som används. Partikelemission från vetehalm är signifikant högre än partikelemission från resterande biobränslen. Det beror främst på att halmbränslet innehåller högre halter av K, S och Cl. Resultaten bevisar samma fenomen att högre koncentration i biobränslet av dessa ämnen gav också högre utsläpp av HCl, SO2 och NO vid förbränning. Därför är det viktigt att optimera bränslesammansättning för småskaligt pellets användning att få en lägre emission av hälsoskadliga men även miljöförstörande ämnen. En jämförelse mellan CO halten i början respektive slutet av förbränningsperioden utfördes för att få svar på frågan om beläggningsbildningen försämrar förbränningsegenskaperna. Utifrån resultaten framgår det att det finns tydliga tendenser. Det som inte kunde läsas ut är om CO halten och mängden bildad slagg hade något samband. Tendensen verkar vara att slaggbildning under 1,5 % av mängd förbränt pellets ökar CO halten marginellt. Totalstoftet mättes också, dock enbart under 2-3 timmen efter antändning av biobränslet. Resultaten var att för bränslen med lägre beläggningsbildningshastighet var det svårt att urskilja några samband mellan partikelemissionen, slaggbildning och förbränningsegenskaperna. Därför hade det varit betydligt bättre att mäta totalstoftet minst en gång till, några timmar innan förbränningen skulle avstanna. De pelletsbränslen som hade snarlika förhållanden när det gäller CO halt, slaggmängd av totalt förbränt bränsle och temperaturfluktrationer var rörflen (HA), hampa (LA), tallbark, björkbark, GROT 1, salix och träref. CO halten låg hos samtliga på <500 ppm förutom hos salix där CO halten låg på ca 1000 ppm. Förbränningen kunde klassa därför som mycket god. För respektive bränsle var andel slagg av totalt förbränt bränsle på � 0,5%. Detta möjliggör att några av dessa bränslen har en stor potential att bli ett kommersiellt bränsle. Sailx är dock det bränsle som redan idag uppfyller kraven vid småskalig förbränning och därför skulle kunna tas i drift. Dessvärre finns det ännu inte ett bränsle som har lika goda förbränningsegenskaper som trä referens bränslet. Vetehalm ,hampa (HA), granbark, GROT 1 och rörflen (LA) är bränslen som gav både höga utsläppsvärden av CO, HCl, NO och SO2 och dessutom slaggade mer än motsvarande bränslen. Därför bör inget av dessa bränslen nyttjas idag för småskalig förbränning.

30

6. Slutsats GROT 1 samt stråbränslena vetehalm, rörflen (LA), hampa (LA) hade en kraftig slaggningstendens där hela 60-80 vikt-% av ingående bränsleaska slaggade. Hampa (LA), granbark bjökbark slaggade mer moderat där 20-40 vikt-% av ingående bränsleaska slaggade. Salix och rörflen (HA), GROT 2 och tallbark slaggade enbart 0-10 vikt-% av ingående bränsleaska. Ur slaggningshänseende var biobränslets sammansättning av K, Si och Ca huvudsakliga skälet till hur slaggningstendensen skulle se ut. K och Si rika bränslen som bland annat stråbränslena sänkte smältpunkten för askan och därmed erhölls en högre slaggningsgrad medan Ca rika bränslen, exempelvis träbränslen, hade en motsatt effekt. Stråbränslena gav upphov till höga halter av utsläppt SO2 (20-80 mg/Nm3 10% O2), HCl (10-35 mg/Nm3 10% O2) och NO (400-800 mg/Nm3 10% O2) vid förbränning. Skogsbränslena samt salix visade mycket låga emissioner av Cl (100-500 mg/Nm3 10% O2), under detektionsnivån vid mätning av SO2 och NO. Bränslenas innehåll av Cl, S och N var den avgörande faktorn på hur hög halt av emitterad HCl, SO2 och NO som erhölls. Mängden totalstoft mellan de studerade bränslena skiljde sig kraftigt. Vetehalm hade den högsta andelen bildad stoft på ca 400 mg/Nm3, medan rörflen och hampa visade på relativt låg stoftbildning på 30-60 mg/Nm3. Barkerna förutom björken samt GROT bildade stoftmängd på mellan 100-140 mg/Nm3. Björk gav förvånansvärt låga halter bildad stoft, dock inte lägre än träreferenspellets. Partiklarna innehåller framförallt element av K, Cl, S och Na. Inget av de undersökta biobränslena hade samma goda kvalitet vad gällande emissions nivåer och slaggningshänseende som träreferens bränslet. Salix var det i särklass bästa alternativet till referensbränslet som uppfyllde både kravet på låga emissioner och kravet på låg slaggbildning.

31

8 Källförteckning

1. Öhman, M. Boman, C. Hedman, H.(2000) Beläggnings-/slaggbildning samt gas och partikelutsläpp vid förbränning av olika pelletskvalitéer i pelletsbrännare (<20 kW). ETC 200-2, Piteå

2. Öhman, M. Gilbe, R. Boström, D. Slagging characteristic during residential

combustion of biomass pellets. 2nd World Conference on Pellets, 30 May-1June 2006- Jönköping, Sweden.

3. Öhman, M. Lindström, E. Gilbe, R. Backman, R. Samuelsson, R. Burvall, J.(2006)

Predicting slagging tendencies for biomass pellets fired in residential appliances: A comparision of diffrent prediction methods. 2nd World Conference on Pellets, 30 May-1 June 2006- Jönköping, Sweden.

4. Lindström, E.(2004) Utvärdering och utveckling av AgroTec spannmålsbrännare.

Examensarbete inom Energiteknik och Termiska Process Kemi (ETPC), Umeå universitet.

5. Boman, C. (2005) Particulate and gaseous emission from residential biomass

combustion. Energy Technology and Thermal Process Chemistry, Umeå Universitet, Sweden.

6. Wiinikka, H.(2005) High temperature aerosol formation and emission minimisation

during Combustion of wood pellets. Physics and Mechanical Engineering, Luleå University, Sweden

7. Lindström, E. Boström, D. Öhman, M. Effect of kaolin and limestones addition on

slag formation during combustion of woody biomass pellets. (2005), 14th European Biomass for energy industry and climate protection, Paris, France, 17-21 Oktober.

8. Obenberger, I. Brunner, T. Aerosols in biomass combustion, Formating,

Characterisation, behaviour, analysis, emissions, health effects. (2005), Volume 6 in Thermal Biomass Utilization

9. Ryderbrant, A. Energi Nytt en valfråga. Newsfactory AB, Aftonbladet (12-02-2006)

10. Novator Media,(2006)Vedpärmen www.novator.se/bioenergy/wood/index.html

11. Classon, Å.(1999) Energi från skogen, SLU Uppsala

12. Gas Analyzer Model 9100 User’s Guide, BOMEM revision 2.0 July 1997

www.bomem.com

13. Granström, E., SLU, Bioenergihandboken, Tidskrift Bioenergi, 1997

14. Instrument för rökgasmätning, www.nordtec.se

15. Åmand, L. Tullin, C. The theory behind FTIR analysis. Chalmers University

32

16. Universty of Umeå, Kemiska institutionen (1999) Manual for SEM/EDS.

17. Umeå universitet, Kemiska institutionen, Oorganisk Kemi. (1999) Röntgendiffraktion pulvermetodik

18. Sjaak van Loo, Koppejan, J.(2002) Handbook biomass. Twente University Press

19. Levin, E. Robbins, C. McMurdie, H. (1974) Phase diagrams for ceramists s. 149 Fig.

391-393

33

Bilaga A. Beläggningsbildning för respektive bränsle. Bränsle

Ingående

mängd bränsle (kg)

Ingående mängd bränsleaska

(kg)

Mängd aska och oförbränt kvar i brännare

(kg)

Mängd slagg i utrustning

(kg)

Sintringsgrad hos beläggningen

Initial sintringstemperatur

(°C)

Vetehalm* 12 0.722 0.737 0.568 4 830

Rörflen HA 46 4.398 4.573 0.141 2-3 1030

Rörflen LA* 29 0.810 0.973 0.572 4 1010

Hampa HA** 43 2.286 2.127 1.632 4 1030

Hampa LA 16 0.229 0.311 0.045 2 ***

Salix 46 0.819 0.717 0.007 1 ***

Träref. 41 0.113 0.455 0.000 1 ***

Granbark 46 1.479 1.791 0.514 2 970

Tallbark 45 0.765 0.974 0.085 2 950

Björkbark 40 0.980 0.986 0.215 2-3 970

GROT 1** 41 2.344 2.167 1.402 4 1020

GROT 2 46 0.907 0.773 0.040 3 *** *) Under dessa försök stannade förbränningen pga. beläggningsbildning. **) Pga. hög beläggningsbildning påverkades förbränningsegenskaperna. ***) Under 100 g, sintringtest ej genomförbart.

34

Bilaga B. Ask- och bränsleasksammansättning

Vetehalm

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

Rörflen HA

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

Rörflen LA

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

Hampa HA

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

Hampa LA

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

Salix

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

35

Granbark

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

Tallbark

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

Björkbark

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

GROT 2

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

GROT 1

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

Träref

0

10

20

30

40

50

60

70

80


A-%

Bränsleaska

Aska

36

Bilaga C

. Temperatur och tid grafer över förbränningen.

Vete

halm

0

500

1000

1500

2000

11:19:56

13:49:38

16:19:38

18:49:38

21:19:38

23:49:38

02:19:38

04:49:38

07:19:38

Temperatur (grader C)

Burn

er te

mp, 1

Burn

er te

mp, 2

Burn

er te

mp, 3

Rörflen H

A

0

5001000

1500

2000

12:39:04

13:53:38

15:08:38

16:23:38

17:38:38

18:53:38

20:09:39

21:24:39

22:39:39

23:54:39

01:09:39

02:24:39

03:39:39

04:54:39

06:09:39

07:24:39


Burner tem

p, 1

Burner tem

p, 2

Burner tem

p, 3

Rörflen LA

0500

100015002000

10:34:56

11:49:26

13:04:26

14:19:26

15:34:26

16:49:26

18:04:26

19:19:26

20:34:26

21:50:28

23:05:28


Burner tem

p, 1

Burner tem

p, 2

Burner tem

p, 3

Ham

pa HA

0200400600800

100012001400

12:21:52

14:04:09

15:46:39

17:41:13

19:23:43

21:06:13

22:48:43

00:31:13

02:13:43

03:56:13

05:38:43

07:21:13


Burner tem

p, 1

Burner tem

p, 2

Burner tem

p, 3

37

Ham

pa LA

0200400600800

100012001400

13:35:23

14:13:26

14:51:56

15:30:26

16:08:56

16:47:26

17:25:56

18:04:26

18:42:56

19:21:26


Burner tem

p, 1

Burner tem

p, 2

Burner tem

p, 3

Salix

0200400600800

100012001400

00:13:13

01:52:47

03:32:47

05:12:47

06:52:47

08:32:47

10:12:47

11:52:47

13:32:47

15:12:47

16:52:47

Temperatur(grader C)

Burner tem

p, 1

Burner tem

p, 2

Burner tem

p, 3

Träref

0200

400600800

1000

1200

1400

Time

16:30:17

18:04:47

19:39:17

21:13:47

22:48:17

00:22:47

01:57:17

03:31:47

05:06:17

06:40:47

08:15:17

09:49:47


Burner tem

p, 1

Burner tem

p, 2

Burner tem

p, 3

Granbark

0200400600800

100012001400

12:26:47

14:19:47

16:13:17

18:06:47

20:00:17

21:53:47

23:47:17

01:40:47

03:34:17

05:27:47

07:21:17


Burner tem

p, 1

Burner tem

p, 2

Burner tem

p, 3

38

Tallbark

0200

400

600

800

1000

1200

1400

11:43:36

13:27:48

15:12:18

16:56:48

18:41:18

20:25:48

22:10:18

23:54:48

01:39:18

03:23:48

05:08:18


Burn

er temp, 1

Burn

er temp, 2

Burn

er temp, 3

Bjö

rkbark

0200

400

600

800

1000

1200

1400

10:32:52

11:43:17

12:53:47

14:04:17

15:14:47

16:25:17

17:35:47

18:46:17

19:56:47

21:07:17


Burn

er te

mp, 1

Burn

er te

mp, 2

Burn

er te

mp, 3

GR

OT 2

0200400600800

100012001400

13:07:22

15:21:15

17:20:15

19:19:15

21:18:15

23:17:15

01:16:15

03:15:15

05:14:15

07:13:15

09:12:15


Burner tem

p, 1

Burner tem

p, 2

Burner tem

p, 3

GR

OT 1

0200

400

600

800

1000

1200

1400

13:14:18

15:20:45

17:27:15

19:33:45

21:40:15

23:46:45

01:53:15

03:59:45

06:06:15

08:12:45

10:19:15


Burn

er te

mp, 1

Burn

er te

mp, 2

Burn

er te

mp, 3

39

Bilaga D

. CO

-, NO

- och O2 halten under förbränning.

Ve

teh

alm

0

10

00

20

00

30

00

40

00

50

00

60

00

11:31:19

11:46:10

12:02:50

12:19:30

12:36:10

12:52:50

13:09:30

13:26:10

13:42:50

13:59:30

14:16:10

14:32:50

14:49:30

15:06:10

15:22:50

15:39:30

15:56:10

16:12:50

16:29:30

CO, NO (ppm)

0 5 10

15

20

O2 (%)

pp

m C

O

pp

m N

O

% O

2

R

örfle

n L

A

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

11:00:31

12:06:17

13:12:57

14:19:37

15:26:17

16:32:57

17:39:37

18:46:17

19:52:57

20:59:37

22:07:18

23:13:58

00:20:38

01:27:18

CO, NO (ppm)

0 5 10 15 20 25

O2 (%)

ppm C

O

ppm N

O

% O

2

R

örfle

n H

A

0

500

1000

1500

2000

2500

12:45:12

13:35:14

14:28:44

15:22:14

16:15:44

17:09:14

18:02:44

18:56:14

19:50:45

20:44:15

21:37:45

22:31:15

23:24:45

00:18:15

01:11:45

02:05:15

02:58:45

03:52:15

04:45:45

05:39:15

CO, NO (ppm)

0 5 10 15 20 25

O2 (%)

ppm C

Oppm

NO

% O

2

H

amp

a HA

0500

1000150020002500300035004000

16:23:57

17:29:33

18:36:13

19:42:53

20:49:33

21:56:13

23:02:53

00:09:33

01:16:13

02:22:53

03:29:33

04:36:13

05:42:53

06:49:33

07:56:13

CO, NO (ppm)

0 5 10 15 20

O2 (%)

ppm

CO

ppm

NO

% O

2

40

Ham

pa LA

0

500

1000

1500

200013:39:44

14:03:50

14:28:50

14:53:50

15:18:50

15:43:50

16:08:50

16:33:50

16:58:50

17:23:50

17:48:50

18:13:50

18:38:50

19:03:50

19:28:50

CO, NO (ppm)

0 5 10 15 20 25

O2 (%)

ppm C

O

ppm N

O

% O2

Salix

0100020003000400050006000

00:15:25

01:04:22

02:03:34

02:53:44

03:43:54

04:34:04

05:24:14

06:14:24

07:04:34

07:54:44

08:44:54

09:35:04

10:25:14

11:15:24

12:05:34

12:55:44

13:45:54

14:36:04

15:26:14

16:58:25

17:48:35

CO, NO (ppm)

0 5 10 15 20 25

O2 (%)

ppm C

Oppm

NO

% O

2

G

ranbark

0100020003000400050006000

12:59:49

13:50:34

14:42:14

15:33:54

16:25:34

17:17:14

18:08:54

19:00:34

19:52:14

20:43:54

21:35:34

22:27:14

23:18:54

00:10:34

01:02:14

01:53:54

02:45:34

03:37:14

04:28:54

05:20:34

06:12:14

07:03:54

07:55:34

CO, NO (ppm)

0 5 10 15 20 25

O2 (%)

ppm C

O

ppm N

O

% O2

T

allb

ark

0

1000

2000

3000

4000

5000

11:48:45

12:46:10

13:44:30

14:42:50

15:41:10

16:39:30

17:37:50

18:36:10

19:34:30

20:32:50

21:31:40

22:30:00

23:28:20

00:26:40

01:25:00

02:23:20

03:21:40

04:20:00

05:18:20

06:16:40

CO, NO (ppm)

0 5 10 15 20 25

O2 (%)

ppm C

Oppm

NO

% O

2

41

Bjö

rkb

ark

0100020003000400050006000

11:58:01

12:29:42

13:03:02

13:36:22

14:09:42

14:43:02

15:16:22

15:49:42

16:23:02

16:56:22

17:29:42

18:03:02

18:36:22

19:09:42

19:44:12

20:17:32

20:50:52

21:24:12

CO, NO (ppm)

0 5 10 15 20 25

O2 (%)

ppm C

O

ppm N

O

% O

2

GR

OT

2

0

1000

2000

3000

4000

15:13:55

16:08:40

17:04:20

18:00:00

18:55:40

19:51:20

20:47:00

21:42:40

22:38:20

23:34:00

00:29:40

01:25:20

02:21:00

03:16:40

04:12:20

05:08:00

06:03:40

06:59:20

07:55:00

08:50:40

CO, NO (ppm)

0 5 10 15 20 25

O2 (%)

ppm C

O

ppm N

O%

O2

G

RO

T 1

0100020003000400050006000

13:16:14

14:19:20

15:23:30

16:27:40

17:31:50

18:36:00

19:40:10

20:44:20

21:48:30

22:52:40

23:56:50

01:01:00

02:05:10

03:09:20

04:13:30

05:18:10

06:22:20

07:26:30

08:30:40

09:34:50

CO, NO (ppm)

0 5 10 15 20 25

O2 (%)

ppm C

O

ppm N

O

% O

2

T

räre

f

0500

1000150020002500300035004000

15:04:24

16:01:04

16:59:14

17:57:24

18:55:34

19:53:44

20:51:54

21:50:04

22:48:14

23:46:24

00:44:34

01:42:44

02:40:54

03:39:04

04:37:14

05:35:24

06:33:34

07:31:44

08:29:54

09:28:04

10:26:14

CO, NO (ppm)

0 5 10 15 20 25

O2 (%)

ppm C

O

ppm N

O

% O

2

Beläggnings-/slaggbildning och emissioner vid förbränning ... · 2 och NO mättes med ett FTIR...

Documents

Transcript of Beläggnings-/slaggbildning och emissioner vid förbränning ... · 2 och NO mättes med ett FTIR...