Stoftavskiljning vid förbränning i sodapanna på Kappa

Kraftliner Piteå

Jonatan Rautio

Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola.

Abstract The flue gases that are formed during the combustion of black liqour contains not only carbon dioxide and water but also environmental hazardous substanses such as particles and sulphur dioxide. The flue gases goes through the economizer to an electrostatic precipitator system where most of the particles and dust are separated. After the electrostatic system the flue gases reaches a wet scrubber that cleans the sulphur dioxide. The cleaned flue gases is then emitted to the atmosphere. In this thesis, the formation of particles during the combustion of black liqour in a kraft recovery boiler, has been studied through a compilation of articles . Furthermore the performance of the electrostatic precipitators at Kappa Kraftliner Piteå has been investigated. Finally, the expansions of the electrostatic precipitators that will be needed if future enviromental demands for dust discharge are going to be fulfilled, have been investigated. In the report two years of continously made dust measurements have been summarized in diagrams showing expected dust discharge at different flue gas velocities. The diagrams showed that the difference between the precipitators was big. Precipitator 3 had the best performance with dust discharges often below the expected values. Precipitator 1 an 2 however performed badly with dust discharges sometimes far above expected. In order to analyze the reasons and patterns for these big differences variables such as temperature, difference pressure and oxygen excess have been summarized. Measurements of the dust concentration in the flue gases before the precipitators have been carried out and these indicated that there might be differences in the flue gases that reaches the different precipitators. Precipitator 1 seems to get flue gases with a high content of dust which makes the charging of the particles more difficult and therefore the removal efficiency will drop. However for these results to be verified more controlled measurements should be carried out. During the Autumn of 2005 the old air delivery system of three levels, in the kraft recovery boiler, will be renewed and a new vertical air delivery system of five levels will be installed. The new air system will make it possible to increase the production from 1900 to 2100 tons of dry substance/day, and as a result of this the dust amount reaching the electrostatic precipitators will also increase. 7 alternatives has been studied with the cost of expansion and expected dust disharge as criteria. The average discharge value of the precipitators has been obtained from the dust discharge measurements. The value has then been re-calculated with a reduction, expressed as a percentage, equal to that of what future environmental demand is expected to have. This new value has then been used as the maximum limit of what dust discharge the different alternatives of expansion are allowed to have . Expected dust discharges for the expansion alternatives have been calculated by Alstom Power. The calculations showed that if existing electrostatic precipitators are extended with a third chamber the expected enviromental demand of 100 mg/Nm3 dust is estimated to be fulfilled. The restriction however is that the total load of the boiler does not exceed 2100 tons of dry substance/day. If the load is increased more the precipitators must be further expanded and the best alternative in that case is suggested to be to add a fourth bigger electrostatic precipitator.

Sammanfattning Rökgaserna som bildas vid förbränning av svartlut i sodapanna innehåller förutom vatten och koldioxid även miljöbelastande ämnen som partiklar och svaveldioxid. Rökgaserna leds genom en ekonomizer vidare till ett elfiltersystem där den största andelen av partiklarna avskiljs. Efter elfiltersystemet når rökgaserna en våtskrubber som tvättar bort svaveldioxiden. De renade rökgaserna släpps därefter ut till atmosfären. I detta examensarbete har en litteraturstudie gjorts över bildningen av partiklar av olika storleksfraktioner som bildas i en sodapanna vid förbränning av svartlut. Vidare har det gjorts en utredning för hur de tre elfiltren på Kappa Kraftliner Piteå presterar i nuläget och har presterat under två års tid. Till slut har det också gjorts en bedömning över de nödvändiga utbyggnader av elfiltren som kommer att krävas för att framtida skärpta miljövillkor angående stoftutsläpp skall klaras av. I rapporten har två års kontinuerligt gjorda stofthaltsmätningar sammanställts i diagram som visar förväntad stoftemission efter elfiltren vid olika rökgashastigheter. Diagrammen visade att skillnaden mellan de tre elfiltren var betydande. Elfilter tre presterade klart bäst med stoftutsläpp under de förväntade vid given gashastighet. Elfilter 1 och 2 presterade dock dåligt, med stoftutsläpp ibland långt över det förväntade. Värden på variabler som temperatur, differenstryck och syreöverskott har sammanställts i ett försök att hitta möjliga orsaker och mönster till att elfiltren presterar så olika. Även mätningar på stofthalten före elfiltren har gjorts och dessa indikerade att det kan finnas skillnader i koncentrationen av stoft i rökgaserna som når elfiltren. Elfilter 1 verkar få rökgaser med hög koncentration av stoft vilket gör att uppladdningen av partiklarna blir svårare och därmed avskiljningen sämre. För att dessa resultat skall verifieras så måste dock fler mätningar göras vilket dock ligger utanför ramarna för detta examensarbete. Under hösten 2005 kommer befintligt luftsystem i tre nivåer bytas ut mot ett nytt vertikalluftsystem där luften införs i fem nivåer. Bytet kommer att innebära att produktionen kan öka från ca 1900 tTs/dygn till ca 2100 tTs/dygn. Därmed kommer även stoftbelastningen på elfiltren att öka. Totalt har 7 framtagna förslag bedömts utifrån kriterierna utbyggnadskostnad och förväntat stoftutsläpp. Utifrån resultaten från stofthaltsmätningarna har den genomsnittliga stofthalten i rökgaserna erhållits och räknats om med en procentuell sänkning motsvarande den som kommande miljövillkor förväntas ha. Detta värde har sedan använts som ett riktvärde för vilken stoftemission alternativen på utbyggnaderna av elfiltren skall klara av. Förväntade emissioner för de olika förslagen av utbyggnad har därefter beräknats av Alstom Power. Den slutgiltiga bedömningen resulterade i att 2 förslag ansågs vara möjliga alternativ. Om befintliga elfilter förlängs med en tredje kammare så bedöms det förväntade miljövillkoret på 100 mg/Nm3 stoft enligt beräkningar i rapporten att klaras av, dock med restriktionen att lasten inte överstiger 2100 tTs/dygn. Detta är också ett ekonomiskt bra alternativ där kostnaden kommer att ligga kring 19 miljoner SEK. Om lasten ökar ytterligare så måste elfiltren byggas ut ytterligare och då bedöms det bästa alternativet vara att utöka med ett fjärde större elfilter, kostnad 63 miljoner SEK.

Förord Detta examensarbete är utfört som en del av avslutningen till utbildningen som civilingenjör inom energiteknik vid Umeå Universitet. Under arbetets gång har elfiltren undersökts genom en mängd infallsvinklar och det är många personer som bidragit med information idéer och synpunkter runt detta projekt. Jag vill börja med att tacka mina handledare Bo Johansson och Urban Lundmark på Kappa Kraftliner Piteå som trots ett hektiskt arbetsschema tagit sin tid och kommit med goda råd. Jag vill också tacka Rholand Engström och Agneta Ridderström som ställt upp och genomfört de mätningar som har behövts. Vidare vill jag tacka Inga-Lill Samuelsson, Anders Karlsson, Mats Nilsson och Roger Eiderhäll vid Alstom Power som förutom gett mig mycket nyttig information även hjälpt mig att utvärdera testresultat. Till slut vill jag tacka alla på projektavdelningen samt övriga på Kappa Kraftliner Piteå som hjälpt mig under den tid som jag jobbat med detta examensarbete. Piteå 2005-01-18 Jonatan Rautio

Variabelförteckning Beteckning Storhet Enhet A area, effektiv utfällningsarea m2

B barometerstånd kPa C stofthalt mg/m3

M molmassa kg/mol m massa kg el.mg m& massflöde mg/s el. kg/h p absoluttryck Pa q gasflöde m3/s el.m3/h T temperatur K t provtagningstid, uppehållstid s el. h V gasvolym m3

ν gashastighet m/s y volymfraktion, molfraktion ρ gasdensitet kg/m3

n antal mätpunkter R allmänna gaskonstanten J/(grad.mol) c koncentration η verkningsgrad procent % ωm stoftpartiklarnas genomsnittliga m/s

vandringshastighet R avstånd mellan emissionselektrod meter (m)

och utfällningselektrod x exponent värde mellan 0,5-0,8 Indexförteckning d dynamiska k förhållande vid aktuell temperatur, tryck och fukthalt i kanal n normaltillstånd, fuktig gas (0 °C, 101,3 kPa) ntg normaltillstånd, torr gas (0 °C, 101,3 kPa) 1, 2, 3 filter index t total

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

1 INLEDNING 1

1.1 FÖRETAGSBESKRIVNING 1 1.2 BAKGRUND 1 1.3 SYFTE 1 1.4 METOD 2

2 PROCESSÖVERSIKT 3

2.1 SODAHUSET 3

3 LITTERATURSTUDIE ÖVER ASKBILDNING I SODAPANNAN 5

3.1 FÖRBRÄNNING I SODAPANNAN 5 3.2 PARTIKEL OCH STOFTFORMATION VID FÖRBRÄNNING AV SVARTLUT 6 3.2.1 ÖVERBÄRING ELLER ”CARRYOVERS” 7 Effekter av Cl och K innehåll 8 3.2.2 MELLANSTORA PARTIKLAR (INTERMEDIATE SIZE PARTICLE ISP) 9 3.2.3 FINA PARTIKLAR/STOFT ELLER AEROSOLER 10 3.3 SAMMANFATTADE SLUTSATSER AV FORSKNINGSARTIKLAR 13

4 TEORI FÖR ELFILTER 15

4.1 FUNKTION 15 4.2 ELEMENTÄR MODELL FÖR PARTIKELAVSKILJNINGEN I ELFILTER 16 4.3 UPPLADDNING OCH AVSKILJNING AV PARTIKLAR 17 4.4 FAKTORER SOM PÅVERKAR AVSKILJNINGEN 18 Resistivitet 18 Stoftets sammansättning 18 Partikelstorlek 19 Övriga faktorer 19

5 STUDIE AV ELFILTREN 20

5.1 MÄTUTRUSTNING 20 5.2 STOFTEMISSION EFTER ELFILTER 21 5.3 STRÖMSTYRKA 23 5.4 TEMPERATUR 23 5.5 RÖKGASERNAS SYREHALT 24

1

5.6 DIFFERENSTRYCK 25 5.7.1 MÄTMETOD 28 5.7.2 MÄTRESULTAT 29 5.8 SLAGVERKSTIDER 30

6 LUFTSYSTEMET 32

6.1 NUVARANDE LUFTSYSTEM 32 6.2 VERTIKALLUFTSYSTEMET 32 6.2.1 ERFARENHETER AV VERTIKALLUFT FRÅN BEFINTLIGA ANLÄGGNINGAR 34

7 UTBYGGNAD AV ELFILTER 36

7.1 BEDÖMNING AV UTBYGGNADSALTERNATIVEN 37 7.1.1 SAMMANFATTNING 38

8 DISKUSSION OCH SLUTSATSER 39

9 REFERENSER 42

10 BILAGOR 44

2

1 Inledning 1.1 Företagsbeskrivning Kappa Kraftliner Piteå är Europas största kraftlinerbruk och har som mål 2004 att producera 690 000 ton säljbart kraftliner. Hela koncernen Kappa Packaging har 17 000 anställda i 120 enheter spridda över Europa med en omsättning runt 30 miljarder SEK. Kappa Kraftliner Piteå har ca 630 anställda med en omsättning på 3,2 miljarder SEK.

1.2 Bakgrund För att producera energi och återvinna kemikalier på ett kombinerat massa/pappersbruk förbränns svartlut i en sodapanna. Vid förbränningen bildas en stor mängd partiklar och stoft som dels fastnar på pannans väggar och dels kan följa med rökgaserna längre i rökgassystemet. Innan rökgaserna släpps ut till atmosfären går de genom ett elfiltersystem och en våtskrubber. I elfiltren avskiljs den största delen partiklar och stoft medan våtskrubbern har till uppgift att rena rökgaserna från svaveldioxid. Under hösten 2005 kommer ett nytt luftsystem till sodapannan att installeras vilket kommer att göra att produktionen kommer att kunna ökas. Med maximalt utnyttjade elfilter klarar Kappa Kraftliner Piteå idag gällande miljökrav angående stoftutsläpp, men dessa krav kommer troligen att skärpas. Detta tillsammans med bytet av luftsystemet gör att filtren måste prestera maximalt för att klara kommande miljökrav. 1.3 Syfte Syftet med detta examensarbete är att: • Att genom teoristudier ta reda på vilka typer av stoft som bildas samt

bildningsmekanismerna för dessa. Att sammanställa de senaste studierna med viktiga resultat inom området

• Utreda hur elfiltren presterar samt om skillnader mellan dem finns och vad

dessa eventuella skillnader kan bero på. • Ta reda på fakta om det nya luftsystemet samt bedöma de nödvändiga

utbyggnadsalternativen av elfiltren som krävs för att Kappa Kraftliner Piteå ska klara kommande miljövillkor angående stoftutsläpp efter byte till nytt luftsystem.

1

1.4 Metod Arbetet har inletts med grundläggande teoristudier om hur rökgasreningssystemet och sodapannan fungerar följt av fördjupade studier om bildningen av olika storleksfraktioner av partiklar. Det grundläggande materialet för teoristudierna har erhållits från Kappa Kraftliners egna bibliotek samt internet. Materialet för de fördjupade studierna består främst av artiklar från gjorda försök inom området samt intervjuer med personer på universitet och massa/pappersbruk. En gång i månaden genomförs på Kappa Kraftliner Piteå stofthaltsmätningar efter elfiltren. I samband med dessa mätningar mäts förutom stofthalten faktorer som temperatur, fukt och rökgasflöde. Resultaten från dessa mätningar har i denna rapport sammanställts i Excel där beräkningar och plottning av data gjorts. För att få en uppfattning om hur elfiltren presterar så har stofthalten från dessa mätningar plottats in i diagram som visar kurvor på förväntad stoftemission efter elfiltren. Efter sammanställningen av mätvärden från stofthaltsmätningarna har olika faktorer som kan vara anledningen till att elfiltren presterar olika undersökts, dels genom experimentellt arbete och dels genom analys av befintliga data i Excel. Mycket information har också erhållits också genom kontakt med leverantören av elfiltren.

På Kappa Kraftliner Piteå har det tagits fram förslag på hur en utbyggnad av elfiltren skulle kunna se ut. Dessa förslag har i rapporten bedömts utifrån kriterier som ekonomi, utbyggnadsutrymme och framförallt förväntad stoftemission. Utifrån sammanställda värden från stofthaltsmätningarna har det också gjorts beräkningar på vilka stoftutsläpp som krävs för att eventuellt kommande miljövillkor skall klaras av.

2

2 Processöversikt

2.1 Sodahuset

Sodahuset är den gemensamma benämningen över sodapannan och övrig utrustning som krävs för att pannan skall kunna fungera både som ångpanna och återvinnare av kokkemikalier. En översiktlig bild av sodahuset ses i figur 1:

Figur 1: Översiktlig bild av sodahuset i Götaverken (12) Eldstadens väggar består av vattenfyllda ståltuber som kallas panntuber. Panntuberna är anslutna till ångdomen som är placerad ovanför pannan. Från en lagringscistern pumpas tjocklut till blandningstanken där natriumsulfat tillsätts för att minska kemikalieförlusterna. Vidare pumpas luten till lutspridarna som har till uppgift att sönderdela och sprida luten i pannan så att torkning och förbränning kan ske. Syret i pannan tillförs genom ett luftsystem som består av flera luftregister. Genom att det finns flera luftregister så kan luftmängden regleras i olika delar av pannan så att en effektiv förbränning kan ske, mer om detta i kapitel 6. I ugnen sker värmeöverföringen till panntuberna från rökgaserna till största delen genom värmestrålning. Allteftersom rökgaserna färdas högre upp i pannan och svalnar så

3

övergår värmeöverföringen från strålning till konvektion. All den värmeenergi som tas upp av vattnet inne i panntuberna får vattnet att koka och ångan stiger upp till ångdomen. Rökgaserna som stiger uppåt genom pannan viker av vid nässkärmen och strömmar mot screentuberna och ångöverhettaren. I överhettaren överhettas ångan så att den får en högre temperatur än vad som motsvarar ångbildningstemperaturen vid det rådande trycket. Temperaturen på ångan brukar vanligtvis överhettas till 400-480°C. Sedan fortsätter rökgaserna genom konvektionstuberna och genom ekonomizern. I konvektionstuberna sker värmeöverföringen genom konvektion där ytterligare ångbildning sker. I ekonomizern förvärms matarvattnet som tillförs pannan. En del av värmepptagningen i ekonomizern används också i luftförvärmaren för att förvärma förbränningsluften. Vidare går rökgaserna till elfiltren där stoftet som bildats vid förbränningen avskiljs. Slutligen tvättas rökgaserna i skrubbern och renas från svaveldioxid för att sedan släppas ut till atmosfären.

4

3 Litteraturstudie över askbildning i sodapannan 3.1 Förbränning i sodapannan Sodapannan har framförallt tre viktiga funktioner på ett pappersbruk, återvinna kokkemikalier, producera värme för ångproduktion samt förstöra miljöskadliga ämnen. För att återvinna kokkemikalierna så produceras en smälta innehållande. Na2CO3 och Na2S. Na2CO3 får i efterföljande process steg reagera med Ca(OH)2 och bildar då NaOH som tillsammans med Na2S används vid kokning av flisen för att angripa ligninet så att fibrerna i massan friläggs. Svartluten sprutas in i pannan genom olika munstycken som finfördelar luten till droppar som faller ned mot bädden. Vid förbränningen ned mot bädden så genomgår svartlutsdroppen olika förbränningsstadier. Det första stadiet är torkning då vattnet i lutdroppen avges som ånga. Nästa stadium är pyrolysen, som sker kring 200 grader, där det organiska materialet spjälkas och avgasas. De förbränningsbara gaserna som då avgår är t.ex. kol, syre, väte, svavel och kväve. Dessa gaser tänjer ut ytan på droppen som sväller avsevärt. Denna svällning påverkar förbränningshastigheten och droppens färd genom pannan. När droppen har slutat svälla så är pyrolysen slut och koksförbränningen börjar. Detta sker på smältbädden vid temperaturer över 800 grader, syret reagerar då med kolet och kolmonoxid bildas som sedan fortsätter att brinna till koldioxid. Det natriumet som fanns i svartluten finns kvar i koksen som natriumkarbonat och natriumsulfid. Vid dessa temperaturer så reagerar sedan natriumkarbonaten med kolet och bildar CO och CO2, natriumet reduceras därmed till elementärt natrium som förångas. Under koksförbränningen så krymper storleken på droppen och kvar blir en smälta bestående av natriumkarbonat och natriumsulfid som sedan kan återvinnas. Finns syre närvarande så oxideras däremot natriumsulfiden till natriumsulfat, dvs. det är viktigt med en reducerande miljö i bädden. En sammanfattning av de fysikaliska och kemiska processer som sker i sodapannan ses i figur 2:

Figur 2: De kemiska och fysikaliska processerna i sodapannan (12)

5

3.2 Partikel och stoftformation vid förbränning av svartlut Stoftet som bildas vid förbränning av svartlut i en sodapanna kan sägas bestå av tre olika typer. Rester av lutdropparna kallat ”carryovers” eller överbäring. Detta stoft är oftast >100µm. Den andra typen av partiklar som bildas är fragment från lutdroppar som har kastats ut under pyrolysen och koksförbränningen, storlek 1-100µm. Den sista typen är det riktigt fina stoftet <1µm som huvudsak består av förångat natrium som kondenserat ut i de kallare delarna av pannan och förenats med andra ämnen En sammanfattning av de stoftbildande reaktionerna som sker i en het sodapanna, vilket är fallet på Kappa Kraftliner Piteå, ses i figur 3:

Figur 3: Sammanfattning av de stoftbildande reaktionerna i en sodapanna med hög temperatur och låg sulfiditet (2) I de reducerande förhållandena längst ned i pannan så finns svavel i form av H2S och natrium i form av NaOH. När gaserna når den övre delen av pannan och förbränningen är klar så förändras svavel- och natriumföreningarna och bildar föreningar med varandra och andra ämnen. Den övre delen av figur 3 är utgången av rökgaserna från ekonomizern och in till elfiltren. Varje ruta representerar en eller flera reaktioner med reaktanterna som går in i rutorna. Bredden på linjerna är proportionell mot storleken av gasflödet. När bäddtemperaturen är hög som i figur 2 så används all SO2 till att bilda Na2SO4. Det Na som blir kvar och inte reagerar med SO2, reagerar istället med CO2 och bildar Na2CO3. Dessa två föreningar är också de två huvudkomponenterna som stoft från sodapannor med hög bäddtemperatur består av. Förutom dessa huvudkomponenter så berikas stoftet även med andra främst oorganiska element. De ämnen som är av störst intresse är framförallt Cl och K pga. dess påverkan på stoftets egenskaper. Cl existerar i stort sett enbart som NaCl och KCl i de nedre delarna av pannan. Kloriderna som förångats i gasfasen kondenserar när rökgaserna avkyls högre upp i pannan och bildar då de svåravskiljda aerosolerna, mer om detta senare.

6

3.2.1 Överbäring eller ”carryovers” Överbäringen består huvudsakligen av Na2CO3 och Na2S men även Cl och K som verkar smältpunktssänkande och ökar klibbigheten hos partiklarna. Sammansättningen av dessa ämnen är således viktig att veta men är inte så lätt att bestämma. En vanlig approximation som används är att bestämma sammansättningen på smältan och direkt relatera denna till sammansättningen på överbäringspartiklarna, se figur 4:

Figur 4: Kemisk sammansättning i smältan (a) samt i överbäringen (b) (2) Faktorer som påverkar sammansättningen hos överbäringen är innehållet av klor och kalium i luten, förbränningsförhållanden i nedre delen av pannan samt temperaturen och sammansättningen av rökgaserna. I en studie har Asghar et al. (1) undersökt hur sammansättningen av överbäringen påverkas av svartlutssammansättning, partikelstorlek, gasens sammansättning och temperatur. För att genomföra undersökningen så användes en ”Entrained Flow Reactor” (EFR) för att simulera en kontrollerad förbränningsmiljö. En schematisk bild av EFR ses i figur 5:

Fig

Prov matning

Gasbrännare

Partiklar

Panna

Sond Kamera

ur 5: Entrained Flow Reactor EFR (1)

7

Effekter av Cl och K innehåll Vid 12,3 % syre uppvisades ett linjärt förhållande mellan klorhalten i svartluten och klorhalten i överbäringen med ungefär 30 % kvar i överbäringen. Ett liknande linjärt förhållande erhölls för kalium men med ungefär 80 % kalium kvar i överbäringen. Detta tyder på att reduktionen av K var mycket mindre än för Cl. Liknande försök gjordes med varierande syrekoncentration och alla uppvisade liknande linjära förhållanden. Däremot så minskade reduktionen av både Cl och K när syrekoncentrationen sänktes, vilket medförde att halterna i överbäringen mer och mer liknade halterna i den ursprungliga svartluten. Det linjära förhållandet visar att mängden Cl och K som förångas är direkt proportionellt mot mängden av motsvarande ämnen i svartluten, se figur 6:

Figur 6: Korrelation mellan klorid (till vänster) och kaliuminnehållet (till höger) i överbäringen och i svartluten vid O2 koncentration av 12,3 % (1) Förångningen verkar följa Raoult’s lag som säger att det partiella trycket hos en substans som förångas är lika med den rena komponentens ångtryck gånger molfraktionen i den kondenserade fasen Att reduktionen av K är mycket mindre än för Cl beror på att K förångas som KCl medan Cl förångas som både KCl och NaCl. Dessutom avger sulfationen av KCl klorider i form av HCl till rökgaserna och behåller K i form av K2SO4 i överbäringen. För att verifiera dessa resultat gjordes även en fältstudie på en fullskalig sodapanna. Överbärings partiklar togs ut med en luftkyld sond i övre delen av pannan där rökgastemperaturen var omkring 900 °C. Vid en jämförelse med laboratorieförsöken så visade det sig att reduktionen av Cl var högre i sodapannan medan reduktionsgraden av K var liknande som i EFR. Den högre reduktionsgraden av Cl kan förklaras med högre förbränningstemperaturer men detta skulle i sin tur även leda till högre reduktionsgrad hos K vilket inte var fallet. En möjlig förklaring till detta kan vara att reaktioner mellan Cl och SO2 avger Cl i form av HCl. Den direkta innebörden av studien var att ökad syrekoncentration (ökar temperaturen och intensiteten av förbränningen) ökar reduktionen av Cl och K i överbäringspartiklarna, även de mellanstora partiklarna verkade följa samma mönster. I och med detta så kommer de allra minsta partiklarna, aerosolerna, att få en ökad berikning av Cl och K. Den här balansen resulterar i ett linjärt förhållande mellan innehållet av K och Cl i överbäringen, svartluten och det fina stoftet. Det här förhållandet störs endast om rökgaserna innehåller överflödigt svavel som kan göra att Cl även avges som HCl.

8

Ett annat viktigt resultat som studien visade var att sammansättningen av smältan kan vara en god första approximation av sammansättningen hos överbäringspartiklarna, men överbäring och överbäringsavlagringar innehåller i regel mindre kol, mer sulfat samt lägre innehåll av Cl och K än den oxiderade smältan. Hur Cl och K påverkar smältegenskaperna har undersökts av Förbränningskemiska forskargruppen på Åbo Akademi. Deras sammanställning ”Flygaskans sammansättning och nedsmutsande tendens i sodapannan” (3) visar hur Cl och K påverkar smältegenskaperna hos överbäringen samt det finare stoftet med hjälp av en datormodell kallad advisor. Åtta olika lutar undersöktes och resultaten sammanfattades. Undersökningen visade på att en ökning av klorhalten i luten gav en linjär sänkning i ”kladdningstemperaturen” samt i ”rinningstemperaturen”. En ökning av kaliumhalten gav liknande linjära förhållanden men med den skillnaden att ökad kaliumhalt även verkar sänka initialsmältpunkten hos återbäringen. Minskning av halten klor och kalium gav alltså positivt resultat hos återbäringen i form av minskad klibbighet och ökad initialsmälttemperatur. Ytterligare en slutsats i studien var att sammansättningen av överbäringen främst är beroende av lutens ursprungsammansättning och inte av driftsförhållanden i pannan vilket är helt i linje med först nämnda studie (1). 3.2.2 Mellanstora partiklar (Intermediate size particle ISP) Som tidigare nämnt så härstammar de mellanstora partiklarna framförallt från fragment av lutdroppar som kastats ut under pyrolysen eller koksförbränningen. Dessa partiklar tros ha en stor inverkan på stoftansamlingar i sodapannan. Dock så finns lite information om dess koncentrationer och om hur de bildas. En av de få studier som undersöker dessa partiklar är ”Particle size distributions in recovery boilers” (4). Partiklar samlades upp på tre olika delar i pannan med en sond som uppfyllde kraven för isokinetisk provtagning. De tre platserna var:

1. På framväggen 3 meter från centrum och 6 meter ovanför näsväggen, vid

temperaturer runt 900-950°C?

2. I centrum av framväggen 8 meter ovanför näsväggen, vid temperaturer runt 800-900°C.

3. Efter överhettarna före ekonomizern vid temperaturer runt 400°C.

Tre olika typer av mellanstora partiklar och överbäring hittades. Droppar i storleken 50µm-1mm, agglomerat 10-30µm och grovt sfäriska partiklar 2-10µm. Dropparna hittades bara vid 1 medan de andra två typerna hittades vid alla provtagningsställen. Alla partiklar innehöll framförallt Na, O, och S samt mindre mängder av K, Cl och C. Helt överens med vedertagen teori så minskade koncentrationen av klor med ökad partikelstorlek. Partiklarna var signifikant sulfaterade med karbonat som med endast stod för några få procent av det totala alkaliinnehållet. Dropparna bestod antagligen, baserat på morfologi och sammansättning, av svartlut och smälta droppar i olika steg av förbränningen. Ingen relation mellan droppstorleken och sammansättningen kunde detekteras pga. för få oberoende provtagningar.

9

Agglomeraten ansågs kunna ha bildats av åtminstone två mekanismer. Genom att små pärlor av oorganiskt material har samlats på ytan av svartlutsdroppar och därmed bildat agglomerat. Den andra mekanismen som agglomeraten kan ha bildats genom är deposition av fint stoft på panntuber eller i andra delar av pannan. Dessa ansamlingar har sedan växt till sig och lossnat som agglomerat. De grovt sfäriska partiklarna kan enligt studien ha bildats inuti svartluts koksen genom sammansmältning av oorganiskt material eller genom sintring och smältning av agglomerat i höga temperaturer. 3.2.3 Fina partiklar/stoft eller aerosoler De riktigt fina partiklarna, även kallad rök enligt svensk definition för partiklar <1µm, refereras inom svartlutsförbränningen till aerosoler bildade genom kondensation av förångat Na, K och Cl. De stoftbildande reaktionerna sker i gränsområdet mellan den smälta fasen och gasfasen. Sulfiden i smältan är en tillräckligt stark reducerande komponent för att producera ett ångtryck av natrium vilket medför att en del av natriumet lämnar smältan och övergår till gasen som natrium ånga. Syret i gasen kan då reagera med den lättflyktiga natrium ångan, vilket gör att en mindre lättflyktig typ som sedan kondenseras kan bildas. Partialtrycket av det lättflyktiga natriumet reduceras alltså till noll nära den smälta ytan vilket ökar koncentrationsgradienten och därmed masstransporten av natrium. Samma reaktioner sker även med kalium fast då i mindre skala. Förut så trodde man att det fina stoftet som bildades i nedre delen av pannan främst bestod av Na2CO3 och i övre delen av Na2SO4. Senare års teoretiska och experimentella studier av aerosolbildning har dock visat att den enda reaktion som ger någon nämnvärd bildning av stoft i nedre delen av pannan är:

OHgSONaOSOgNaOH 24222 )(21)(2 +⇒++ (1)

och att denna reaktion sker vid temperaturer under 1400 °C. Andra ämnen som finns i stoftpartiklar som alkali karbonater och alkali klorider bildas eller kondenseras på sulfatpartiklarna i ett senare stadium. Alkali karbonater kan inte existera som ånga så därför formas de inte direkt i gasfas reaktionerna i nedre delen av pannan. Istället sker detta högre upp de kallare delarna av pannan där ytreaktioner mellan kondenserade alkalihydroxider och CO2 eller SO2 och O2 sker enligt:

OHcCONaCOcNaOH 2322 )()(2 +⇒+ (2)

OHcSONaOSOcNaOH 24222 )(21)(2 +⇒++ (3)

Eftersom att förångningen av natrium styrs av partialtrycket av ämnet vid ytan av smältan så kommer den att vara starkt temperaturberoende. Högre temperatur i nedre delen av pannan ger en ökad förångning av KCl och NaCl men även en mindre bildning av SO2 pga. mindre svavel i form av gas släpps ut. Eftersom SO2 reagerar med KCl och NaCl och mindre av detta bildas så får det effekten att KCl och NaCl

10

kan stanna som ångor längre på vägen genom systemet för att sedan kondensera ut som aerosoler i de kallare delarna av pannan.

Effekten av temperaturen och temperaturfördelningen i bädden på stoftgenereringen har undersökts av Alarick et al. (6). Undersökningen gjordes på en fullstor sodapanna under drift. Bädden övervakades med två IR kameror och bäddens temperatur mättes med en temperatursond. Eftersom att det fina stoftet är den största delen i den interna stoftåtervinningen så användes detta som ett mått på mängden fint stoft som bildades. I figur 7 ses två temperaturprofiler i samma panna under samma dag och normal last. I profil A har bädden en bra temperaturdistribution medan den i B är dålig, medelvärdet på bäddtemperaturen är dock densamma i båda fallen.

Figur 7: Två temperaturprofiler med samma medelvärde på bäddtemperaturen (6) Vid en jämförelse av mängden återvunnet stoft som erhölls vid de olika profilerna så kunde ett klart samband ses mellan en bra temperaturprofil och låga stoftutsläpp. Se figur 8:

Figur 8: Mängden stoft i den interna återvinningscykeln som funktion av medeltemperaturen i bädden (6) Förångning av natrium nere i bädden som sedan kondenserar ger de allra minsta partiklarna <1µm (aerosoler). Stoft bildas också när alkalimetaller förångas från brinnande svartlutspartiklar. Dessa partiklar är också väldigt små och i storleksordningen kring 1µm. Hur stor del av det totala stoftinnehållet som kommer från förångningen av natrium i bädden respektive alkalimetaller från svartlutspartiklar har undersökts i ett fullskaligt experiment på två sodapannor A och B (7). I försöket så ändrades lasten genom att vissa lutsprutor stängdes av så att mängden lutdroppar minskade och storleken på dropparna hölls konstant. Både sammansättningen och mängden stoft mättes kontinuerligt i verklig tid. Den totala mängden stoft ökade nästan linjärt allteftersom

11

lasten av torrsubstans på pannan ökade. Vid punkten när lasten nådde ca 70-80 % av maximal last så ökade stoftmängden därefter nästan exponentiellt. Trenden var densamma för båda pannorna vilket ses i figur 9:

Figur 9: Massflödet av stoft som funktion av flödet svartlut uttryckt som flöde torrsubstans (7)

När massflödet av Na, K och Cl i stoftet plottades som en funktion av det ingående massflödet av respektive ämne så erhölls liknande linjära/exponentiella förhållanden. Mängden Na i stoftet var 6-9 % av mängden Na som kom in i svartluten, motsvarande siffror för K och Cl var 11-15 % respektive 25-35 %. Resultatet av detta är att allteftersom att fler svartlutsdroppar sprutades in i ugnen så ökade också mängden stoft i rökgaserna vilket pekar på att den största andelen av producerat finare stoft bildas under svartlutsdropparnas förbränning på vägen ned mot eller på själva bädden. För att verifiera detta så gjordes även försök där svartlutsinsprutningen under en kort period (några minuter) helt och hållet stoppades. Resultatet blev att mängden stoft drastiskt minskade under den tid som lutsprutorna var avstängda. Tidsförloppet för detta förfarande ses i figur 10, mätvärdena är behandlat för att ta bort bruset samt laggat pga. tidsförskjutningen som blir i datat vid processförändringar.

Figur 10: Totalt stoftflöde som funktion av tiden vid ett totalt stopp av svartlutssprutor (7)

Stoftbildningen minskar alltså drastiskt när svartlutsinsprutningen stängs av. Osäkerheten i detta experiment var att temperaturen i bädden inte kunde övervakas på ett pålitligt sätt men eftersom att svartlutssprutorna var avstängda under en kort tid så kan man med viss restriktion anta att temperaturen i det närmaste hölls konstant.

12

Partikelstorleken ändrades inte när lasten sänktes men när svartlutssprutorna helt stängdes av så rörde sig partikel distributionen mot mindre fraktioner. Detta berodde på att koagulationen och agglomerationen av partiklarna minskade pga. mindre koncentrationer av fint stoft i rökgaserna. Den kemiska sammansättningen verkade också ändras och då framförallt i sodapanna A. När lasten sänktes (24kgs→18kg/s) så ändrades SO4/CO3 förhållandet så att innehållet av karbonat i partiklarna nästan var obefintligt. Under stoppet av tillförseln av svartluten så innehöll partiklarna som bildades genom förångning från bädden dubbelt så mycket kol jämfört med partiklarna som bildas från förbränningen av svartlutsdropparna. Detta tyder på att utsläppet av svavel är mer dominant vid svartlutsdropparnas förbränning än för natrium, kalium och klor. För sodapanna B så kunde ingen signifikant förändring av samansättningen hos partiklarna detekteras. Resultatet för sodapanna A ses i figur 11:

Figur 11: Den kemiska sammansättningen hos partiklar i storleksordningen 1µm vid olika lastfall i sodapanna A (7) Innehållet kalium och natriumjoner var oberoende av partikelstorlek medan kloridkoncentrationen ökade med minskad partikelstorlek helt överens med vedertagen teori. Det finns också andra rön som tyder på att ökad pannbelastning inte bara ökar stoftkoncentrationen utan även ökar risken att både partikelstorlek och agglomeratstorlek blir mindre än normalt, detta har bland annat detekterats på verket i Karlsborg. Helt säkert så innebär högre temperaturer i pannan att partiklarna kan färdas längre som gaser innan de kondenserar ut i de kallare delarna vilket påverkar avlagringar och stoftansamlingar. Högre temperaturer i nedre delen av pannan ökar alltid stoftavgången och kan också öka andelen aerosoler. 3.3 Sammanfattade slutsatser av forskningsartiklar De forskningsartiklar som har sammanställts i kapitel 3 är representerar de senaste och mest relevanta rönen som berör bildningen och egenskaperna hos partiklar av olika storleksfraktioner. För överbäringspartiklarna eller även kallad ”carryovers” så var en viktig slutsats i artiklarna att en ökad syrekoncentration vid förbränningen ökar reduktionen av Cl och K i överbäringspartiklarna. Att dessutom minska halten klor och kalium i luten gav positiva effekter i form av minskad klibbighet och ökad initialsmälttemperatur vilket minskar risken för korrosion.

13

De mellanstora partiklarna består av tre olika typer, droppar i storleken 50µm-1mm, agglomerat 10-30µm och grovt sfäriska partiklar 2-10µm. Dropparna hittades bara vid framväggen medan de andra typerna kunde hittas i stort sett över hela pannsystemet. Alla partiklar innehöll framförallt Na, O, och S samt mindre mängder av K, Cl och C. Dropparna bestod av svartlut och smälta i olika steg av förbränningen. Agglomeraten verkade ha bildats genom två olika mekanismer. Genom att små pärlor av oorganiskt material samlats på ytan av svartlutsdroppar eller genom avlagringar av fint stoft på panntuber och andra delar i pannan. De grovt sfäriska partiklarna kan enligt studien ha bildats inuti svartluts koksen genom sammansmältning av oorganiskt material eller genom sintring och smältning av agglomerat i höga temperaturer.

För de små partiklarna så är temperaturfördelningen i bädden av central betydelse. En bädd med en jämn temperaturprofil generar betydligt mindre fint stoft än en med en ojämn profil. Den största delen av fint stoft som produceras sker under svartlutdropparnas förbränning ned mot eller på själva bädden. Innehållet av kalium och natriumjoner är oberoende av partikelstorlek medan koncentrationen av kloridjoner ökar med minskad partikelstorlek. Den i särklass mest betydande faktorn för hur mycket stoft som genereras är temperaturen i pannan. Högre temperaturer ökar alltid stoftavgången och påverkar avlagringar och ansamlingar eftersom att partiklarna kan färdas längre som gaser innan de kondenserar ut i de kallare delarna av pannan.

14

4 Teori för elfilter 4.1 Funktion Elfiltret är uppbyggt av två elektrodsystem där det ena är ansluten till en högspänd likström (30-75kV) och kallas emissionselektrod. Emissionselektroderna kan se ut på olika sätt, som spiraler band rör men på Kappa Kraftliner Piteå används något som kallas multipeakelektroder i A-systemet. Se figur 12:

Figur 12: Emissionselektrod av multipeaktyp Det andra elektrodsystemet är jordat och är oftast plana förstyvade plåtar och kallas utfällningselektroder. Mellan dessa elektroder så bildas ett starkt elektriskt fält som rökgaserna kan passera. Närmast emissionselektroderna, där fältstyrkan är som starkast, sker elektriska urladdningar, coronaurladdningar, vilket medför att gasen blir joniserad och på så vis bildas positiva och negativa joner. De positiva jonerna rör sig mot emissionselektroden medan de negativa jonerna börjar vandra mot de positiva utfällningselektroderna. På vägen dit så kolliderar de med de neutrala gasmolekylerna vilket medför att nya negativa molekyler uppstår. Dessa negativa molekyler fastnar sedan i sin tur på stoftpartiklarna i gasen och bär med dem till utfällningselektroderna. Principen för hur detta fungerar illustreras i figur 13:

d

Figur 13: Principen för uppladdning av partiklar i ett elfilter (9 Eftersom att stoft ansamlas både på emissionselektroutfällningelektroderna så måste dessa rensas med jämsättet att rensa emissionselektroderna är att låta en faelektroderna men det finns även andra metoder som akrafter. Utfällningselektroderna rensas även de med fskjuvkrafter i plåten vilket får stoftet att lossna och fa

15

Utfällningselektro

Emissionselektrod

)

derna och på na mellanrum. Det vanligaste

llhammare slå på ramverket till nvänder sig av elektriska allhammare som skapar lla ned till tranportörbanden och

transporteras bort. Detta stoft blandas in i svartluten och bränns på nytt i sodapannan. På detta sätt så återvinns en mängd kemikalier som annars skulle gå förlorad. 4.2 Elementär modell för partikelavskiljningen i elfilter För att kunna avskilja en partikel i ett elektriskt fält så måste en kraft appliceras på partikeln under så lång tid så partikeln når kontaktytan (utfällningselektroden) och kan avlägsnas ur avskiljarzonen. Den tid som partikeln kan befinna sig i avskiljarzonen utan att nå kontaktytan kallas uppehållstid och är en viktig faktor vid beräkningen av avskiljningen av partiklar. Uppehållstiden t beräknas genom:

qVt = (4)

där q= gasflödet och V= volymen på avskiljaren Ofta betraktas flödet som att alla delar av gasen rör sig med samma hastighet och då blir ekvation 4:

vL

qVt == (5)

där L är den karakteristiska längden på avskiljaren och v= gashastigheten I den grundläggande modellen som används för beräkning av ett elfilters avskiljnings antas att alla delar av gasen rör sig med samma hastighet enligt ekvation 5 , samt att omblandningen sker i lateral riktning, se figur 14: L

Hv

F

Vusl

igu

ida mträcäng

∫−c

c

2

1

r 14: Omblandning av ga

re antas att flödet ärot utfällningselektrodkan dL, och stoftmäden på elfiltret så erh

∫=L

dLHvu

cdc

0

dL

u

sflöde i lat

turbulenten. Undengden somålls:

eral riktning (vinkelrätt mot flödesriktningen)

och att alla partiklar har samma vandringshastighet r en viss tid, dt, så kommer gasen att röra sig

samlas upp är u.dt. Om detta integreras över hela

(6)

16

Eftersom att c1/c2=1-η så blir ekvation 6:

tHu

HvuL

t ee−−

−=−= 11η (7) Uttryck 7 är detsamma som den berömda ”Deutsch-Anderson ekvationen” för verkningsgraden hos ett elfilter:

RvL

t

m

eω

η−

−= 1 (8) Ekvation 8 förutsätter dock att ωm är konstant när avskiljningsgraden varierar vilket har gett upphov till en modifierad formel som beskriver stoftets egenskaper oberoende av filterutformningen:

x

qA

t

k

e⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

−=ω

η 1 (9) ωk bestäms av olika faktorer som gastemperatur, ström och spänning, fukthalt, resistiviteten, strömfördelning, partikelstorlek m.m. 4.3 Uppladdning och avskiljning av partiklar Hur bra ett elektrofilter fungerar beror framförallt på uppladdningen av partiklarna. Det finns två olika typer av laddnings mekanismer, laddning genom diffusion och fältladdning. För de minsta partiklarna < 0,5µm är diffusionen den dominerande mekanismen. En aerosol i en gasström blir ständigt utsatt av stötar från gasens molekyler vilket gör att aerosolen ständigt rör sig i slumpmässiga banor. Denna rörelse kallas Brownsk rörelse och får partiklarna att diffundera från områden med hög partikelkoncentration till områden med låg koncentration. Laddningen för dessa partiklar blir förhållandevis hög vilket tydligt syns i en typisk verkningsgradskurva för ett elfilter där effektiviteten ökar något för partiklar < 0,5µm, se figur 15:

Figur 15: Fraktionsverkningsgraden som funktion av partikelstorlek (10) Större partiklar kan inte laddas tillräckligt genom diffusion utan laddas istället genom nämnda fältladdningsmekanism. Genom att en ström av elektroner och joner skickas i

17

det elektriska fältets riktning så krockar de med partiklar i gasen vilket medför höga laddningsnivåer. Laddningen som en partikel får beror inte enbart på storleken utan även på faktorer som tid, koncentration av joner i laddningszonen, den elektriska mobiliteten av dessa joner samt olika interaktioner mellan partiklarna och gasen. 4.4 Faktorer som påverkar avskiljningen Resistivitet En betydande faktor som påverkar stoftavskiljningen i ett elfilter är resistiviteten hos stoftet, lämplig resistivitet ligger mellan 104-1010 ohm.cm-1. När resistiviteten är för låg så tappar partiklarna sin laddning snabbt vilket ger effekten att det infångade stoftet inte fastnar på uppsamlingselektroderna utan återvänder till gasen. Om resistiviteten är för hög så blir de elektriska krafterna hos stoftet för stark vilket gör att det blir svårt att samla upp stoftet vilket i sin tur gör att potentialen hos det elektriska fältet minskar (2). Vissa undersökningar pekar på att resistiviteten hos partiklar hänger ihop med svaveldioxidhalten i bränslet. När koncentrationen av SO2 är för låg så påverkas adsorptionen på ytan av partiklarna vilket medför att resistiviteten hos stoftpartiklarna blir för hög. Detta har visat sig vara ett problem hos sodapannor som körs så att temperaturen i nedre delen av pannan blir hög. Dessa höga temperaturer kan resultera i nästan obefintliga koncentrationer av SO2 i gaserna som når elfiltret (2). Det finns även de som menar att halten SO2 i svartluten inte är något problem eftersom att salterna som bildas vid förbränningen har så bra ledningsförmåga så att en låg svaveldioxidhalt inte påverkar elfilterdriften nämnvärt (11). Stoftets sammansättning De faktorer som påverkar sammansättningen av partiklarna som släpps ut är innehållet av Cl och K i luten, temperaturen i nedre delen av pannan, effekt på pannan och givetvis effektiviteten på elfiltret. Högre klor- och kaliumhalter i svartluten ökar mängden av dessa ämnen som förångas under förbränning. Högre temperatur i nedre delen av pannan ger ökad förångning av KCl och NaCl men även mindre bildning av SO2 (pga. mindre S gas som släpps ut). Eftersom SO2 reagerar med KCl och NaCl och mindre att detta bildas så får det effekten att KCl och NaCl kan stanna som ångor längre på vägen genom systemet för att sedan kondensera ut till fina aerosoler som elfiltret inte kan ta upp. Ytterligare ett problem med alkalikloriderna är dess svårhanterliga elektriska egenskaper. När en alkaliklorid kommer in i ett elektriskt fält så förflyttar sig alkalijonen mot den negativa polen medan den större negativa kloridjonen inte kan förflytta på samma sätt. Detta medför att partiklarna som fastnat på avskiljningsplåtarna är polariserade och binds till varandra och plåten med starka krafter vilket gör att det blir svårt att slå lös stoftet. Stoftlagret som då byggs upp reducerar spänningsfallet som används för att driva partiklarna mot utfällningselektroderna. Ett så litet spänningsfall som 1 % kan medföra att utsläppet av partiklar ökar med 5 % (2). Förutom detta så kan alkalikloriderna göra att det sker en fältförstärkning mellan två angränsande partiklar som ger upphov till elektriska

18

urladdningar i stoftkakan, dessa elektriska urladdningar kallas återstrålning. Eftersom att vissa partiklar laddas ur och andra partiklar laddas positiva och dras mot emissionelektroden kommer stoft att återinföras in i gasströmmen och därför försämra avskiljningsgraden. För att återstrålning skall ske måste dock alkalikloridhalten vara hög, >20 % räknat som NaCl, vilket är mycket sällsynt vid pappersbruk uppe i norden (11). Partikelstorlek Vid avskiljningen av partiklar så är det som redan nämnt de mindre partiklarna som är svårast att avskilja. Förutom att de små partiklarna är svåra att ladda upp till tillräckligt höga laddningsnivåer så kan även någonting som kallas koronastrypning inträffa när stoftet till största delen består av submikront material. Det finkorniga stoftet ökar den totala stoftarean vilket gör att det blir svårt att producera gasjoner. Eftersom att de flesta partiklarna från en sodapanna bildas genom kondensation av gasformiga komponenter så kommer den största delen av stoftet bestå av små partiklar 0,1- 5µm vilket gör att koronastrypning kraftigt begränsar strömmen och därmed avskiljningen (11). Övriga faktorer Förutom ovanstående faktorer som partikelstorlek och resistivitet finns det en mängd andra faktorer som mer eller mindre påverkar avskiljningseffektiviteten hos ett elfilter. Hastigheten är av central betydelse eftersom att en hög hastighet minskar uppehållstiden som en partikel befinner sig i det elektriska fältet. Är uppehållstiden för liten så hinner inte partikeln få tillräckligt stor laddning och kan därför inte avskiljas. Hög hastighet medför även att flödet kan bli turbulent vilket också har en negativ inverkan på effektiviteten på avskiljningen. Det är också viktigt att rökgaserna blir jämt fördelade över filtret så att hela den effektiva utfällningsarean utnyttjas maximalt. Detta görs normalt med gasfördelningsskärmar som riktar om gasflödet, bildas för stora stoftansamlingar på skärmarna så blir fördelningen sämre och därmed sjunker elfiltrets effektivitet. Temperaturen på rökgaserna har givetvis betydelse. En temperatursänkning innebär att gasens volym samtidigt minskar vilket i sin tur innebär lägre hastigheter i elfiltret. Men en låg temperatur kan också innebära problem eftersom att man då närmar sig daggpunkten för rökgaserna och då ökar dess byggande förmåga vilket innebär större stoftansamlingar på utsatta områden.

19

5 Studie av elfiltren Elfiltren på Kappa Kraftliner Piteå är tre till antalet och vardera består av två elektriska system, A och B. I A systemet sitter Alstoms multipeakelektroder medan det i B systemet sitter lite äldre så kallade spiralelektroder. De tre olika filtrena är mekaniskt likvärdiga med precis samma elsystem och övrig utrustning. För specifik data se [1]. Trots att elfiltren är mekaniskt lika så är stoftemissionen från dem olika. En mängd hypoteser om varför det är så har testats dels genom experimentellt arbete och dels genom samtal med elfilterleverantörer och drifttekniker och analys av data från stationära givare. Mätningar på stofthalten, rökgasflödet, fukthalten m.m. utförs kontinuerligt en gång i månaden efter varje elfilter av labbpersonalen. Det finns även en mängd andra variabler som mäts av statiska givare, värdena från dessa givare loggas i fabrikens infosystem Winmops där de sedan har hämtats. 5.1 Mätutrustning Medelhastigheten i rökgaskanalen mäts med ett L- pitotrör (prandtlrör). Pitotröret förflyttas till ett antal förutbestämda mätpunkter i mätplanet vilka vardera representerar lika stor delarea av mätplanet. Den fysikaliska grunden för mätningar med pitotrör är Bernoullis ekvation, principen och kravet vid dessa mätningar ges i [2]. En schematisk bild av L- pitotröret ses i figur 16:

Figur 16: Schematisk bild av L- pitotrör

L-pitotröret består av ett cylindriskt mäthuvud som är riktat vinkelrätt mot det i övrigt raka röret. Trycket i kanalen överförs via mäthuvudet till en öppning utanför kanalen. Totaltrycket överförs via tryckhålet i mäthuvudets spets som är riktad mot gasflödet, det statiska trycket överförs via tryckhålen runt mäthuvudet. Det givna gasflödet fås i enheten m3/s och omräkningar till enheterna m3

n/s och m3ntg/s görs enligt beräkningar

i [3]. Mätningen av stofthalten görs med manuell gravimetrisk metod. Metoden innebär att stoftet i ett känt provgasflöde avskiljs på ett filter. Provgasflödet sugs ut isokinetisk via en sondspets som riktas mot gasströmmen. För att få ett representativt prov sker provtagningen i ett antal förutbestämda mätpunkter som är jämt fördelade över mätplanet i rökgaskanalen. Provgasflödet transporteras ut ur kanalen via ett sondrör och partiklarna i provgasflödet samlas därefter upp på ett filter. Provtagningsfiltret torkas och vägs före och efter provtagningen och stofthalten beräknas som förhållandet mellan erhållen filterviktökning och uttagen provgasvolym. Beräkningar för att få densiteten och volymer uttryckt som normalkubikmeter och normalkubikmeter torr gas ges i [3]

20

5.2 Stoftemission efter elfilter För att få en överblick av stoftutsläppssituationen har de kontinuerliga stofthalts och flödesmätningar efter elfiltren sedan två år tillbaka sammanställts [4]. För att veta hur filtren presterar så plottas stoftemissionen som funktion av rökgashastigheten i ett diagram som visar en förväntad stoftemissionskurva. Antaganden och beräkningar för rökgashastigheten, stofthalt och stoftflöde ses i [5]. Förväntad stoftemissionskurva fås från leverantören Alstom och är i grunden baserad på Deutsch modifierade ekvation, se ekvation 9. Nedan i figur 17 ses diagrammet för filter 1 under året 2004.

Förväntad stoftemission för filter 3xFAA 2x36F - 70 - 80Filter 1, jan 04-okt 04

754,8

546,8

1014,6

1177

781

914

342,5

798

0100200300400500600700800900

10001100120013001400150016001700180019002000

0,8 0,9 1 1,1 1,2

Gashastighet [m/s]

Stof

tem

issi

on [m

g/N

m3

torr

gas

]

Figur 17: Uppmätt stoftutsläpp som funktion av rökgashleverantören Alstom Power beräknat förväntat stoftutsläp

I figur 17 syns tydligt att stoftutsläppen från filvärdena med höga utsläpp vid alla gashastighetär också över de förväntade värdena men inte msom 2004 [6]. Motsvarande diagram för filter 2

21

2

1557

1859

1,3 1,4 1,5

emissionFilter 1

astigheten i filter 1. Heldragna linjen är av p

ter 1 ligger klart över det förväntade er. Stoftemissionen år 2003 för filter 1 ed samma tydliga exponentiella trend ses i figur 18:

Förväntad stoftemission för filter 3xFAA 2x36F - 70 - 80Filter 2, jan 04-okt 04

457,4

818

423,3

798,1

358

521477

390439,9

374

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

Gashastighet [m/s]

stof

tem

issi

on [m

g/N

m3

torr

gas

]

emissionFilter 2

Figur 18: Uppmätt stoftutsläpp som funktion av rökgashastigheten i filter 2. Heldragna linjen är av leverantören Alstom Power beräknat förväntat stoftutsläpp

Även utsläppen från filter 2 ligger över det förväntade men inte med lika höga värden som filter 1. Trots att rökgasfläktarna är inställda på samma varvtal så får filter 2 mindre gas vilket syns på den i genomsnitt lägre gashastigheten i filtret. Värdena för 2003 uppvisar samma resultat [6]. Stoftdiagrammet för filter 3 ses nedan i figur 19:

Förväntad stoftemission för filter 3xFAA 2x36F - 70 - 80Filter 3, jan 04-okt 04

980,1

1129,1 1108,9

853,6

717

468522

560

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

Gashastighet [m/s]

stof

tem

issi

on [m

g/N

m3

torr

gas

]

emissionFilter 3

Figur 19: Uppmätt stoftutsläpp som funktion av rökgashastigheten i filter 3. Heldragna linjen är av leverantören Alstom Power beräknat förväntat stoftutsläpp Filter 3 är det filter som fungerar klart bäst med stoftemissioner som för det mesta ligger under de förväntade värdena. Eftersom att utsläppen ökar exponentiellt med ökad gashastighet så borde det vara optimalt att gasen vore så jämt som möjligt fördelad mellan filtrena men som synes i figur 19 så har filter 3 överlag de högsta

22

gashastigheterna. Trots detta så är utsläppen förhållandevis låga och håller sig under de förväntade utsläppen. Även under 2003 så håller sig stoftutsläppen under de förväntade med undantag för två riktigt höga värden [6].

5.3 Strömstyrka Eftersom att strömstyrkan är av central betydelse för avskiljningen i ett elfilter så plottades stoftemissionen som funktion av strömmen i filtrens A-system, se figur 20:

0200400600800

100012001400160018002000

0 200 400 600 800

Ström A system [mA]

Stof

tem

issi

on [m

g/nm

3]

Filter 1Filter 2Filter 3

Figur 20: Stoftemissionen som funktion av strömstyrkan i A-systemet I teorin betyder en låg strömstyrka ofta högre utsläpp, den trenden syns till viss del för filter 1 och 2. Filter 3 har mer utspridda data och någon tydlig trend verkar inte finnas. 5.4 Temperatur Temperaturen på rökgasen kan påverka avskiljningen samt ge information om eventuella skillnader i rökgaserna som når elfiltren. Före samt efter elfiltrena finns temperaturgivare som kontinuerligt mäter temperaturen, data och placering för givarna ses i [7] och [8]. Figur 21 visar temperaturen före filtren:

150

160

170

180

190

200

210

220

jan-03

mar-03

maj-03

jul-03

sep-0

3

nov-0

3jan

-04

mar-04

maj-04

jul-04

sep-0

4

Tem

pera

tur C

elsi

us

Filter 1Filter 2Filter 3

Figur 21: Temperatur före elfilter 1, 2 och 3. Varje värde i diagrammet är dygnsmedelvärdet av aktuell dag

23

Temperaturen före filter 2 är högst medan temperaturen före filter 1 och 3 följer varandra med liknande värden. Den period när temperaturen före filter 2 är konstant beror på ett givarfel. För att se om temperaturförhållandena fortfarande var densamma efter filtren så sammanställdes även dessa temperaturer i figur 22:

150

160

170

180

190

200

210

jan-03

mar-03

maj-03

jul-03

sep-0

3

nov-0

3jan

-04

mar-04

maj-04

jul-04

sep-0

4

Tem

pera

tur C

elsi

us

Filter 1Filter 2Filter 3

Figur 22: Temperatur efter elfilter 1, 2 och 3. Varje värde i diagrammet är dygnsmedelvärdet av aktuell dag Intressant att notera är att temperaturen i början av perioden i filter 1 är högre efter filtret än före. Temperaturen för filter 2 är stort sett alltid högst både före och efter. Filter 3 en medeltemperatur som i snitt är 10 grader lägre än filter 1 och 2. 5.5 Rökgasernas syrehalt En lägre temperatur och en lägre stoftkoncentration efter filter 3 skulle kunna tyda på att ett luftläckage finns någonstans vilket skulle späda ut rökgaserna samt sänka temperaturen. Därför kontrollerades variationen i syrehalten efter pannan före ekonomizern. Dessa mätningar är gjorda med stationära givare [9], resultatet ses i figur 23:

0

2

4

6

8

10

12

jan-03

mar-03

maj-03

jul-03

sep-0

3

nov-0

3jan

-04

mar-04

maj-04

jul-04

sep-0

4

nov-0

4

% O

2

% O2

Figur 23: O2 halten i rökgaserna efter pannan före ekonomizern

24

Varje specifikt värde på syrehalten är beräknad ur medelvärdet för varje dygn. Det totala medelvärdet under perioden är 3,8 % Syrehalten efter filtren mäts även de med stationära givare, se figur 24:

0

2

4

6

8

10

12

jan-03

mar-03

maj-03

jul-03

sep-0

3

nov-0

3jan

-04

mar-04

maj-04

jul-04

sep-0

4

nov-0

4

O2-

halt

[vol

%tg

]

Filter 1Filter 2Filter 3

Figur 24: Variationen i O2-halten från januari 03 till oktober 04 Värdena efter filtren pendlar mellan 3-10 % och medelvärdet för respektive filter från 1 till 3 är, 4,5 %, 4 % och 4,8 % vilket i samtliga fall är högre än före filtren. 5.6 Differenstryck Ett högt differenstryck över filtren skulle kunna tyda på att stoftansamlingar bildats och därmed försämrat verkningsgraden. Givarnas placering och data ses i [10]. I figur 25 har differenstrycken för filtren plottats som funktion av tiden:

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

jan-04

jan-04

feb-04

mar-04ap

r-04ap

r-04

maj-04

jun-04

jul-04

jul-04

aug-0

4

sep-0

4ok

t-04ok

t-04

Diff

eren

stry

ck [P

a]

Filter 1Filter 2Filter 3

Figur 25: Differenstrycket över samtliga filter under året 04 Svängningarna i differenstrycket är väldigt stora och hastiga vilket kan tyda på signalfel eller igensättningar av tryckgivarna. Om de stora skillnaderna i differenstrycket skulle bero på igensättningar av stoft i systemet så skulle det

25

antagligen märkas genom att fläktarna fått arbeta hårdare under perioder med stora differenstryck. Schema och data för givarna ses i [11] Variationen i varvtalet hos rökgasfläktarna ses i figur 26:

0100200300400500600700800

jan-04

feb-04

mar-04

apr-0

4

maj-04

jun-04

jul-04

aug-0

4

sep-0

4ok

t-04

nov-0

4

RPM

Fläkt 1Fläkt 2Fläkt 3

Figur 26: Variationen i rökgasfläktarnas varvtal under året 04 Varvtalet hos fläktarna verkar inte ha ändrats ned under perioder med höga differenstryck vilket tyder på att igensättningar av systemet inte kan vara anledningen till de höga differenstrycken. Tidpunkten i början av oktober då fläktarnas varvtal är noll är det årliga höststoppet av fabriken. Vid en felsökning av givarna visade det sig att det mycket riktigt var fel på dem och hade varit så väldigt länge. I figur 27 nedan ses differenstrycken för filter 1,2 och 3 under december månad efter det att givarna blivit lagade:

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1 53 105

157

209

261

313

365

417

469

521

573

625

677

729

Diff

eren

stry

ck [P

a]

Filter 1

Filter 2

Filter 3

Figur 27: Differenstrycket över filter 1,2 och 3 under december månad efter lagning av givare, x-axeln representerar timmarna under december månad Normalt tryckfall för elfilter av typen som finns på Kappa Kraftliner ligger enligt uppgift från leverantören mellan 150-200 Pa. I figur 27 ligger differenstrycken för filter 1 och 2 klart över det normala med toppvärden kring 700 Pa för filter 1 och 1000 Pa för filter 2. Differenstrycket över filter 3 är lågt under större delen av perioden fast med en stigande trend. Under en viss period verkar det som att differenstrycket till och med är negativt. Mätosäkerheten för tryckgivarna ligger dock

26

kring 100 Pa det mest troliga är därför att differenstrycket för filter 1 under den perioden är nära 0 Pa eller över. Variationen i varvtalet hos rökgasfläktarna under samma period ses i figur 28:

400

450

500

550

600

650

7001 47 93 139

185

231

277

323

369

415

461

507

553

599

645

691

737

RPM

Fläkt 1Fläkt 2Fläkt 3

Figur 28: Variationen i rökgasfläktarnas varvtal under december och januari, x-axeln representerar timmarna under december månad Rökgasfläktarna efter filter 1 och 2 arbetar med liknande varvtal medan rökgasfläkt 3 har aningen lägre varvtal. I slutet av perioden verkar rökgasfläkt 3 få arbeta hårdare med högre varvtal som följd. Anledningen till detta kan vara att stoft börjar täppa till gasfördelningsskärmarna, tryckfallet ökar, se figur 27, och därmed måste fläkten arbeta hårdare.

27

5.7 Stofthalt före elfilter 5.7.1 Mätmetod Förutom de kontinuerliga mätningarna efter elfiltren gjordes även 3 stoftmätningar före förgreningen till varje elfilter. Mätställena är utmärkta med pilar i nedanstående luft- och rökgasschema över sodafiltret, ekonomizern och de tre elfiltren.

Skrubber

Eko Sodapanna

Filter 1

Filter 2

Filter 3

Figur 29: Luft- och rökgasschema över sodapanna till skrubber Vid gasflödesmätningarna så flyttades pitotröret i ett antal mätpunkter som spänner upp det mätplan som bäst representerar flödet i kanalen. Vid stofthaltsmätningarna efter filtret så spändes sonden med filterbehållaren fast mitt i kanalen och togs bort när filtret är fullt. Vid mätningarna före filtret så flyttades sonden först med jämna mellanrum över kanalens area. Svårigheten med denna mätning var att få lika lång mättid vid varje mätpunkt eftersom att tiden det tog för att mätfiltret skulle bli fullt skiljde sig åt mellan mätningarna. Istället för att flytta mätsonden så placerades den istället mitt i kanalen. Denna metod användes vid mätning 2 och 3.

28

5.7.2 Mätresultat Fastän alla filter är identiska så presterar de ändå olika vilket är ett problem. En av hypoteserna till vad det beror på är att den ingående stofthaltskoncentrationen är olika för filtrena vilket undersöktes med mätningar före filtrena på mätplatser enligt tidigare figur 29. Resultaten från mätningarna ses i tabell 1: Tabell 1: Mätresultat av mätningar före elfilter Mätning Filter Stofthalt

mg/m3ntg

Lutflöde m3/h

Ångproduktion ton/h

Temperatur °C

1 1 19547 75,5 254 171 2 17797 75,7 238 176 3 12096 70,4 219 170 2 1 16839 80,8 239 183 2 16922 81,7 247 181 3 27892 81,9 247 174 3 1 21250 85,5 251 182 2 17385 82,8 240 192 3 17017 83,9 242 191 I värdena från mätning 1 ses att stoftkoncentrationen i rökgaserna är högst för filter 1 och lägst för filter 3. Mätning 2 visar motsatt resultat som mätning 1med högst koncentration av stoft i rökgaserna till treans filter Stoftkoncentrationen på 28 g/m3

ntg till filter 3 är dock extremt hög, den högsta stoftkoncentrationen man räknar med på Kappa Kraftliner Piteå är kring 22 g/m3

ntg.Mätning 3 visar på liknande resultat som mätning 1 med en stoftkoncentration som är högst i de rökgaser som når elfilter 1 med en koncentration kring 21 g/m3

ntg. Elfilter 2 och 3 får båda rökgaser med koncentration kring 17 g/m3

ntg

29

5.8 Slagverkstider Med ökad torrhalt på luten, minskad överskottsluft samt en effektivare ångproduktion har Kappa Kraftliner nästen exponentiellt ökat sin produktion. I figur 30 visas den genomsnittliga luttillförseln relaterad till den genomsnittliga ångproduktionen från 2001 till 2004. Mätvärden för ångproduktionen och lutflödet fås från stationära givare [12,13]

220

225

230

235

240

245

250

255

260

80,9 81,7 82,6 84,4

Genomsnittligt lutflöde[m3/h]

Ång

prod

uktio

n[to

n/h]

Ångproduktion

2004

Figur 30: Ångproduktionen som funktion av det genomsnittliga lutflödet från 2001 till 2004 Det årliga genomsnittet på lutflödet samt ångproduktionen är beräknad genom medelvärdet av dygnsmedelvärden för det aktuella året. Som jämförelse så producerades det 2,9 ton ånga/m3 lut 2001, motsvarande siffra för 2004 är 3 ton ånga/m3 lut. I syfte att försöka få ned utsläppen så mycket som möjligt så kontrollerades därför slagverksinställningarna på emissionsystemet, utfällningssystemet samt gasfördelningsskärmar, inställningarna ses i tabell 2: Tabell 2: Slagverksinställningar för A och B systemet för respektive filter

Emissionssystem Utfällningssystem Gasfördelningsskärmar Start Repetition Körtid Start Repetition Körtid Start Repetition Körtid Filter 1 A 0,01 0,05 1,02 0,02 0,05 2,02 0 0,01 1,02 B 0,03 0,04 1,3 0 0,15 1,02 0 0 0 Filter 2 A 0,02 0,05 1,02 0,03 0,05 2,02 0 0,01 1,02 B 0,04 0,04 1,02 0,02 0,15 1,02 0 0 0 Filter 3 A 0,03 0,05 1,02 0,06 0,05 2,02 0 0,01 1,02 B 0,02 0,04 1,02 0,14 0,2 1,02 0 0 0

2003

2002

2001

Kolumnen ”start” visar vid vilken minut slagverken startar, minuterna är olika för systemen och filtren för att allt inte ska gå samtidigt vilket skulle kunna överbelasta filtrena och därmed öka utsläppen. Kolumnen ”repetition” visar hur ofta slagverken körs, dvs. för filter 1 i A-systemet så körs slagverken var femte minut. I kolumnen ”körtid” visas hur länge slagverken går. Att start kolumnen för

30

gasfördelningsskärmarna enbart består av nollor innebär att slagverken går kontinuerligt. De aktuella tiderna ställdes in för fyra år sedan och då efter en mätning som gjordes på elfilter 2. Grundinställningen för slagverkstiderna är densamma och ytterligare ändringar har gjorts från studier av ström/spännings grafer. Alla dessa inställningar görs och styrs från Växjö av leverantören Alstom Power.

31

6 Luftsystemet 6.1 Nuvarande Luftsystem För att kunna styra förbränningen så måste luften tillföras i flera olika steg i sodapannan. På Kappa Kraftliner Piteå så används för närvarande ett system där luften införs i tre olika register, se figur 2 tidigare. Primärluften tillförs vid botten närmast bädden och styr därför reduktionen som sker där. Luften formar bädden, för mycket luft ger en liten bädd med dålig reduktionsgrad, för lite luft ger en för stor bädd vilket kan göra att bädden kommer så nära ugnsväggarna att luftportarna kan blockeras. Primärluften styr också hur mycket alkali som avdunstar från bädden och därmed hur mycket stoft som bildas. Sekundärluften tillförs under lutspridarna och reglerar temperaturen i torkzonen. Ju mer luft desto högre temperatur och därmed snabbare torkning av luten vilket innebär högre förbränningstemperatur i pannan. Viktigt är att lufttrycket inte är för högt för då kan oförbrända lutdroppar ryckas med och bilda beläggningar och igensättningar i överhettaren och ekonomizern. Om däremot luftrycket är för lågt dvs. för lågt lufttryck så kan en stor del av sekundärluften gå längs pannväggarna vilket gör att det bildas stråk av oförbrända gaser och svavelväte i ugnens mittsektion. Tertiärluften tillförs ovanför lutspridarna och har till uppgift att ta hand om slutförbränningen av de brännbara gaserna som bildats i pannans nedre delar. I denna övre del av sodapannan så finns bara gas och ingen lut och därför tillförs tertiärluften med högt tryck vilket möjliggör en effektiv slutförbränning. Eftersom tertiärluften inte deltar i den primära förbränningen så används den tillsammans med sekundärluften till att reglera temperaturen. Vid låg förbränningstemperatur minskas tertiärluften och sekundärluften ökas. 6.2 Vertikalluftsystemet Under hösten 2005 kommer Kappa Kraftliner Piteå installera ett nytt luftsystem, ett så kallat vertikalluftsystem. Istället för att som förut införa luften i tre olika nivåer så kommer luften att införas i fem olika nivåer. Vertikalluftsystemet innebär i grunden att luften tillförs i vertikala rader på fram och bakvägg i motsats till det gamla systemet där luftportar är placerade runtom alla väggar i pannan. Placeringen av luftportarna gör att omblandningen av luften i horisontalplanet blir god och de vertikala stråken med höga rökgashastigheter försvinner vilket medför att lutöverbäringen minskar avsevärt. Bästa omblandning har enligt datorsimuleringar visat sig vara ”femfingersystemet” där ena väggen har tre vertikala rader med luftportar och motsatta har två, effekten ses i figur 31:

32

Figur 31: Vänstra bilden visar flödesmönstret i ett horisontellt snitt av ugnens nedre del där de ”fem fingrarna syns tydligt”. Den högra bilden visar det horisontella strömningsfältet högre upp i ugnen där full penetration av luftflödena åstadkommits Femfingersystemet används i hela pannan förutom närmast bädden där luftportarna traditionellt är placerade runtom för att bränsle och luft skall tillföras över bäddens yta så jämt som möjligt. Fördelar som kan förväntas med vertikalluftsystemet är: • En jämnare vertikal hastighetsprofil som hjälper till att hålla kvar bränslet i

eldstadens nedre del, förbränningen stabiliseras därmed och svavelemissionen minskar

• Förbränningskapaciteten kan öka eftersom att lutöverbäringen minskar, dvs.

bränslet hålls kvar i eldstaden istället för att följa med gaserna uppåt i pannan • Den horisontella omblandningen av luften utjämnar koncentrationsskillnader

samt håller den lokala syrehalten låg vilket medför att NOx-halten väntas sjunka • Omblandningen medför även att luftöverskottet (syreöverskottet) kan minskas

för slutförbränningen av CO och H2S vilket sänker rökgashastigheten. Stoftavskiljningen i elfiltren blir därmed effektivare

• Fler luftregister innebär en stabilare förbränning vilket gör styrningen enklare

• Zoner med vertikala virvlar som gör att styrningen blir svårhanterlig elimineras

vilket gör att styrningen kan bli helt datoriserad

33

6.2.1 Erfarenheter av vertikalluft från befintliga anläggningar På Billeruds i Karlsborg där det i maj 2003 installerades ett liknande vertikalluftsystem som ska installeras på Kappa Kraftliner Piteå så har leverantören av elfiltrena upptäckt att inte bara stoftmängden ökat utan även sammansättningen hos stoftet. Det verkar som att stoftet har fått en ökad andel av submikrona partiklar vilket gör att avskiljningen i elfiltrena blir svårare. Detta har dock inte inneburit något större problem på bruket i Karlsborg där elfiltrena är väl dimensionerade för den ökade lasten. Även pH på stoftet ökade från att vara surt och svårhanterligt till att vara basiskt med pH kring 12-13, detta beror troligtvis på den ökade temperaturen i pannan. Enligt driftingenjören Lars Andersson i Karlsborg (15) har man dock fått andra oväntade problem efter bytet av luftsystemet. Luftdysorna i pannan har helt enkelt brunnit upp pga. de höga temperaturerna vilket har gjort att mycket tid har gått åt att byta dessa. Problem med smältavgången har också förekommit. Smältan har kommit väldigt ojämnt i löprännorna, ibland ingenting och ibland allt på en gång. Bädden verkar inte heller vara lika ”uppdelad” som förut med en stelnad skorpa och en smält fas under den, istället verkar bädden vara en blandning av smältor med olika densitet. På grund av de ökade temperaturerna i pannan så har problem med lutinsprutningen uppkommit. Det har varit svårt att få ned lutdropparna i bädden innan de helt har brunnit upp i flykten, idag sprutas därför luten ned under högt tryck och skarp vinkel ned mot bädden. De nya luftportarna som installerades var för stora vilket gör att det är svårt att hålla tryck speciellt vid låga laster, vid körningar så uppkom spikar av CO-halten i tertiärnivån vilket tyder på ofullständig förbränning. Vertikalluften har gjort att man kunnat öka lasten från 1500-1700 tTS/24h, dock har det kompromissats mellan lastökning och reduktionsgrad eftersom att ökad last innebar försämrad reduktionsgrad. De flesta av problemen har nu blivit lösta och man är mycket nöjd med resultatet av bytet till vertikalluftsystemet. På Södra Cells i Mörrum installerades ett vertikalluftsystem under våren 2004 och sedan dess har lasten ökats och därmed produktionen. Driftingenjör Jan Sehlin (16) har upplevt vissa problem under de första sex månaderna med det nya luftsystemet. Intrimningen har varit besvärlig och än så länge har inte riktigt optimala förhållanden för förbränningen lyckats ställas in. Det svåra har inte varit, som man först trodde att ställa in de nya luftflödena i de olika nivåerna, utan istället har det mest handlat om att ställa in lutspridarna på lämpligt sätt. Man har haft samma problem som i Karlsborg med att lutdropparna hinner brinna upp innan de nått bädden vilket gör att man nu sprutar in luten under högt tryck och skarp vinkel. Problemen med smältavgången har även de varit liknande dem i Karlsborg med smälta som ibland täpper igen systemen så att ingenting kommer för att sedan göra så att allt kommer på en gång. Reduktionsgraden har pendlat kraftigt med värden mellan 70 och 90 % och även en ökad avgång av SO2 har tillkommit. Än så länge så fortsätter arbetet på Södra Cells med finjusteringen av inställningarna på vertikalluftsystemet och det verkar som att man börjat komma närmare väl fungerande inställningar. På Stora Cell i Skutskär (14) installerade ett vertikalluftsystem i juni 1996 för att kunna öka kapaciteten från 1900tTS/24h till 2300tTs/24h. En del kompromisser gjordes för att inte hela pannan skulle behöva byggas om, bl.a. så behölls primärluftregistret närmast bädden, lutsprutorna utökades från två till sex och

34

placerades på sidoväggarna (optimalt hade varit fram och bakvägg). Tillsammans med gamla luftportar så bildades ett femfingersystem. Resultatet av bytet var att överbäringen av lutdroppar avtog, bäddens yttemperatur steg och blev också jämt fördelad över hela bäddens yta. Utrinningen av smälta skedde jämt och reduktionsgraden låg mellan 91-98 %. Stofthalten visade sig ha ett starkt samband med kvaliteten på förbränningen i eldstaden och användes därför som ett kvalitetsmått på förbränningsprocessen under intrimningen av systemet. NOx och SOx halterna förblev oförändrade. Efter fyra månader gjordes en uppföljning och inga spår av igensättningar i överhettare eller tubsatser upptäcktes.

35

7 Utbyggnad av elfilter I samarbete med Alstom Power har följande förslag tagits fram för utbyggnaden av elfiltren. Dessa förslag är de som i första hand ansågs vara realistiska alternativ utifrån layout och kostnader.

1. Förlängning av befintliga filter med en tredje kammare 2. Höjning samt förlängning med en tredje kammare 3. Höjning av hela filtret i två system 4. Riva alla gamla filter och bygga 2st nya större filter 5. Bygga ett fjärde större filter som kan ta 70 % av lasten 6. Riva ett av filtren och bygga ett nytt större 7. Bygga 2st nya filter ovanpå de gamla filtren

För året 2004 var stoftemissionen efter elfiltren i genomsnitt (från [4]): • 1220 mg/m3

ntg för filter 1 • 520 mg/m3

ntg för filter 2 • 871 mg/m3

ntg för filter 3 • totalt 2611 mg/m3

ntg Dagens utsläpp är 150 mg/m3

n efter stora skorstenen och förväntat miljövillkor är 100 mg/m3

n, en sänkning med 33 %, efter ombyggnad av elfilter och luftsystem. Om antagandet görs att alla filter presterar lika bra så är stofthalten i genomsnitt 870 mg/m3

ntg efter varje filter. För att komma ned mot nivån 100 mg/m3n så måste

stofthalten efter filtren, med en marginal på 10 %, ned mot:

3ntgmg/m500870%)10%67( ≈⋅−

vilket motsvarar en sänkning på 43 %. Beräkningen är gjord med antagande av linjära förhållanden mellan stofthaltsökning och utsläpp. Alstom Power har med deras dimensioneringsprogram gjort en beräkning på vad de olika alternativen kan ge, se tabell 3: Tabell 3: Garanterade samt förväntade stoftemissioner för de olika utbyggnadsalternativen

Förslag Garanterad

Stoftemission (mg/m3

ntg)

Förändring i %

Förväntad Stoftemission(mg/m3

ntg)

Förändring i %

Last (tTs/dygn)

1 450-500 (-) 48-43 300-340 (-) 65-61 2100 2 250-280 (-) 71-68 160-180 (-) 81-79 2100 3 380 (-) 56 270 (-) 69 2100 4 50 (-) 95 - - 2500 5 50 (nytt filter) (-) 90-95 - - 2500 6 50 (nytt filter)

1000 (gammalt filter) (-) 95 (+) 15

- 750

(-) 14

2500

7 50 (nya filter) (-) 95 - - 2500

Den garanterade stoftemissionen har ett konfidensintervall på 90 % och den förväntade 50 %.

36

7.1 Bedömning av utbyggnadsalternativen

1. Förlängning av befintliga filter med en tredje kammare En förlängning av elfiltren klarar målet 100 mg/Nm3 efter stora skorstenen precis. Förlängningen innebär att ett tredje system sannolikt med multipeaksystem läggs till vilket kommer öka uppehållstiden för stoftet och därmed ge bättre avskiljning. Rökgashastigheten kommer däremot inte att sänkas vilket är negativt. Planerar Kappa Kraftliner inte en högre lastökning än till 2100 tTs/dygn så är detta ett bra och billigt alternativ. Planeras en större lastökning så måste sannolikt ett fjärde filter byggas till.

2. Höjning samt förlängning med en tredje kammare Är en bättre lösning än 1 ur stoftavskiljningssynpunkt eftersom att den ökade tvärsnittsarean innebär att rökgashastigheten kommer sänkas. Problemet är hur utformningen mellan kammare två och tre skall se ut. En diffusor måste installeras mellan andra kammaren och den tredje för att gasen ska bli jämt fördelad över hela filtret samt att det måste finnas en sträcka där gasen kan ”lugna ned sig” för att en effektiv omstyrning ska kunna ske, totalt en utbyggnad på ca 7 meter. Utrymmet bakom befintliga filter är dock begränsad vilket gör att det inte finns tillräckligt med plats som krävs för en sådan utbyggnad som det här alternativet kräver

3. Höjning av hela filtret i två system Detta alternativ sänker rökgashastigheten vilket är positivt. Längd/höjd -förhållandet ska idealt vara kring 0,8 vilket det inte är i detta fall. Kan vara svårt att utnyttja hela arean på filtret effektivt vilket gör effektiviteten på avskiljningen mer tveksam. Rensningen av plåtarna blir också svårare ju högre systemet är eftersom att skjuvkrafterna från rensningssystemet avtar med höjden.

4. Riva alla gamla filter och bygga 2st nya större filter Två stycken nya större elfilter skulle sänka stoftutsläppen mycket men stopptiden skulle bli lång. Befintliga rökgaskanaler måste också byggas om för att anpassas till de nya filtrena. Alternativet skulle bli mycket dyrt

5. Bygga ett fjärde större filter som kan ta 70 % av lasten Det här alternativet skulle ge garanterat låga utsläpp. Problemet är utformningen av rökgaskanalerna föra att få den önskade fördelningen av rökgaserna mellan filtren. För att stoft inte ska ansamlas i systemet så är en rasvinkel på 60 grader rekommenderat. Befintliga lösningar på rökgaskanalerna har en rasvinkel på 45 grader.

6. Riva ett av filtrena och bygga ett nytt större Fördelen med denna lösning är att befintliga rökgaskanaler kan användas utan ombyggnad, vilket förkortar stopptiden avsevärt. De höga utsläppen från de gamla filtren talar emot det här alternativet

7. Bygga 2st nya filter ovanpå de gamla filtren Ger nog de lägsta utsläppen men två stycken nya filter får inte plats ovanpå de gamla. Alternativet skulle också bli väldigt dyrt.

37

7.1.1 Sammanfattning Utifrån mina beräkningar, på vilken stoft halt som krävs efter filtren för att klara 100 mg/Nm3 efter skrubbern, Alstom Powers beräkningar på vad de nya alternativen skulle ge, samt vilka alternativ som är bäst sett ur ekonomisk och byggnadstekniskt synpunkt föreslås följande: Idag arbetar nästan alla moderna elfilter med tre system, en förlängning av befintliga filter skulle öka uppehållstiden för partiklarna. Enbart en förlängning skulle göra att Kappa Kraftliner precis klarar utsläppet 100 mg/Nm3 efter skrubbern men detta gäller bara om det inte planeras någon större lastökning än till 2100 tTs/dygn. Kostnaden för detta har uppgivits till ca 19 miljoner SEK. Om man senare önskar att ytterligare öka lasten så måste nya byggnationer göras. Det bästa då vore att utöka systemet med ett fjärde elfilter som byggs parallellt med de befintliga (eg. alternativ 5), kostnad ca 63 miljoner SEK. Om det nya förlängda systemet består av multipeak eller spiralelektroder kommer inte ha någon större effekt på det direkta utsläppet. Ett multipeaksystem skulle dock underlätta underhållet och rengöringen vilket indirekt i längden kommer att behålla utsläppen på en låg nivå.

38

8 Diskussion och slutsatser Sammanställningen av två års stoftmätningar visade att elfilter 3 är det filter som presterar bäst med lägre utsläpp än det förväntade. Både elfilter 1och 2 presterar dock klart sämre med utsläpp ibland mycket över det normalt förväntade. Trots att alla filter mekaniskt är i lika bra skick och exakt identiska i utformningen så skiljer sig avskiljningsgraden mellan dem avsevärt. Mätningarna före elfiltrena var inte helt problemfria. Eftersom att mätfiltret blev fullt såpass fort pga. den stora stoftmängden så var det svårt att få in tillräckligt stor mängd gas. På grund av den korta mättiden gav inte fukthaltsmätningarna några rimliga resultat utan vid beräkningarna antogs istället en fukthalt på 21 % i rökgaserna. Tanken från början med mätningen var att provsonden skulle traverseras i ett mätplan över hela kanalens diameter för att få ett så bra genomsnittsvärde som möjligt, men detta blev svårt pga. tidsvariationen i mätningarna före filtrena, dvs. tiden tills det att mätfiltret blev fullt varierade väldigt mellan de olika positionerna. Eftersom att en traversering i rökgaskanalen inte var möjlig så kan inte värdena på den ingående stoftkoncentrationen användas som ett mått på hur hög stoftkoncentrationen i rökgaserna är. Resultatet av mätningen ger endast skillnaden i stoftkoncentrationen i rökgaserna som når de olika elfiltren under den aktuella tidsperioden som mätningen ägde rum. Mätning 1 före elfiltret visade att stoftkoncentrationen in till filtren är olika vilket kan förklara varför stoftutsläppen är så olika för filtren. Får filter 1 rökgaser med hög koncentration innebär det att den totala stoftytan i de inkommande rökgaserna är stor. Den stora ytan medför att det blir svårt att ladda upp stoftpartiklarna tillräckligt vilket gör att de kan passera filtret utan att avskiljas och därmed släppas ut. I filter 3 är stoftkoncentrationen lägre och därmed är också den totala stoftytan mindre. Partiklarna får högre laddning och stoftutsläppen blir lägre. I mätning 2 så var stoftkoncentrationen i rökgaserna till filter 3 extremt hög. Anledningen till detta höga mätvärde kan förklaras med att under mätningens gång så gick troligen en eller flera sotblåsare igång inne i ekonomizer 1 nära den sida som filter tre ligger på. Sotblåsarnas uppgift är att rengöra ytor och mellanrum från stoftansamlingar vilket kan ha gjort att stoft har lossnat från ytor i ekonomizern och på så sätt tillfälligt ökat stoftkoncentrationen i rökgaserna. När mätning 3 gjordes så stängdes sotblåsarna i ekonomizer 1 av för dessa inte tillfälligt skulle öka stoftkoncentrationen i rökgaserna. Mätningen påvisade samma resultat som mätning 1 gjorde med högst stoftkoncentration i rökgaserna som når elfilter 1. Sammanfattningsvis kan sägas att mätningarna före elfiltren gav väldig stor spridning i datat liksom mätningarna efter elfiltret. Både mätning 1 och 3 tyder på att koncentrationen av stoft i rökgaserna är snedfördelat mellan filtren, med en högre stoftkoncentration till filter 1. För att man med säkerhet ska kunna säga att det finns en snedfördelning av stoftkoncentrationen i rökgaserna så måste dock fler mätningar under en längre tidsperiod göras.

39

Vad anledningen till att temperaturen efter filter 3 i snitt är 10 grader lägre än efter filter 1 och 2 är fortfarande en gåta. En möjlig anledning var först att det helt enkelt var fel på givarna men de manuella temperaturmätningarna efter filtren uppvisade samma resultat som de stationära med lägre temperatur efter filter 3. En låg temperatur i sig kan vara positivt eftersom att volymen på rökgaserna blir lägre och därmed också hastigheten men ibland är effekten den motsatta. Lägre temperatur kan betyda att man kommer närmare stoftets daggpunkt vilket i sin tur kan betyda större stoftansamlingar vilket då i vanliga fall brukar betyda sämre verkningsgrad. I detta fall innebär dock de tio graderna i teorin inget problem vilket verkar uppbackas av de praktiska resultaten. Det finns även inget som tyder på att temperaturskillnaden skulle ha något att göra med den bättre avskiljningsgraden hos filter 3. Analysen av syrehalten före samt efter filtren visar att det kan finnas inläckage av luft någonstans i systemet. Filter 2 har ingen nämnvärd ökning av syrehalten om man jämför värdena före ekonomizern samt efter filtren. Filter 1 och 3 har en ökning med 0,7 respektive 1 %. Ett riktvärde för halten O2 i rökgaserna för en typ av panna som finns på Kappa Kraftliner ligger kring 3 %. Vid det årliga stoppet av fabriken hittades inga hål i rökgaskanalerna eller ekonomizern men rökgaskanalerna är relativt enkla att inspektera efter läckor medan ekonomizern är desto svårare. I ekonomizern finns många dolda utrymmen som är svåra att komma därför är det troligt att det kan finnas ett eller flera läckage där. Anledningen till att filter 1 och 3 har en högre syrehalt i rökgaserna än filter 2 kan bero på inläckage i själva filtret eller i anslutningarna mellan filtren och rökgaskanalerna. Kan inläckagen av luft hittas och tätas så skulle rökgashastigheten minska vilket skulle förbättra avskiljningen i elfiltren. På ström/stoftutsläpps –graferna kan de tillfällen då strömmen är hög samtidigt som stoftutsläppen är höga ge viktig information. Drivor av stoft kan ha ansamlats i någonstans i systemet t.ex. före gasfördelningsskärmarna vilket gör att rökgaserna blir snedfördelade över filtret. Eftersom inte hela filtret exponeras för rökgaserna så kommer strömmen att krypa till de områden där motståndet är som lägst, dvs. där rökgaserna inte träffar elektroderna är stoftkoncentrationen låg och ger kan därmed göra att strömmen blir hög. Mer kontinuerliga stoftmätningar samt studier av ström/spänningsgrafer skulle därför kunna visa på när stora mängder stoft fastnat någonstans i rökgaskanalerna eller elfiltren. Ett högt differenstryck skulle kunna tyda på stoftansamlingar med igentäppningar som följd i t.ex. gasfördelningsskärmarna. Dock så svängde differenstrycket väldigt mycket både upp och ned samtidigt som fläktarnas varvtal inte gått upp vid de tillfällen då differenstrycket varit högt vilket ledde till misstankar om att det var fel på givarna. En närmare undersökning visade att det mycket riktigt var så. Efter att två av givarna blivit fixade så låg differenstrycket under december månad över det normala för filter 1 och 2 medan filter 3 låg under fast hade en stigande trend. Eftersom att varvtalet för rökgasfläkten efter filter 3 ökar samtidigt som differens trycket så kan det vara en indikation på att stoft har börjat ansamlas i systemet, troligtvis då i gasfördelningsskärmarna. För att förebygga onödiga stopp av elfiltren så borde därför graferna på differenstrycken över elfiltren samt varvtalet på rökgasfläktarna kontrolleras då och då. Med tanke på den ökade produktionen på Kappa Kraftliners anläggning så skulle en uppdatering av slagverkstiderna behövas. Lutflödet och därmed stofthalten har

40

ändrats avsevärt från det att tiderna ställdes in för fyra år sedan. Alstom Power har kommit med ett förslag som innebär att man minskar antalet slagningar samt använder sig an något som kallas ”power down rapping”. Power down rapping innebär att strömmen i elfiltren minskar eller helt stängs av under själva slagningen. Tanken med detta är att låta det stoft man slagit ned fortsätta hela vägen ned genom elfiltret till uppsamlarna samt att eliminera de elektromekaniska krafterna från coronaströmmen under själva renslagningen. Eftersom att en utbyggnad på elfiltren kommer att göras under hösten 2005 så har det på Kappa Kraftliner Piteå beslutats att det vore lämpligt att göra en uppdatering då. För att få bästa resultat då så borde även en separat grundinställning för varje filter göras utgående från tre separata mätningar i respektive filter. Exakt vad det nya luftsystemet kommer att ha för totaleffekter på Kappa Kraftliner Piteå är svårt att veta. Man kommer att kunna öka produktionen eftersom att temperaturen inte bara blir högre utan också lättare att styra. Temperaturprofilen kommer att kunna flyttas upp och ned i pannan beroende på var det är optimalt att ha vissa temperaturer. Fler inställningar på luftflöden tryck, temperaturer osv. gör det möjligt att hitta optimala förbränningsförhållanden. Problem som verkar vara återkommande är hur lutsprutorna ska ställas samt problem med smältavgången.

Med vertikalluftsystemet kommer rökgashastigheten att minska eftersom att luftöverskottet kommer att kunna sänkas vilket är positivt för stoftavskiljningen. Men med ökad produktion och ökad temperatur så kommer även stoftbildningen att öka. Indikationerna på att även stoftstorleken kommer att minska försvårar stoftavskiljningen ytterligare. Alla tre elfilter är idag maximalt utnyttjade vilket leder till att de måste byggas ut för att klara den ökade stoftmängden som en ökad last innebär. Det bästa alternativet sett ur stoftavskiljningssynpunkt vore att bygga ut med ytterligare ett fjärde elfilter, men detta alternativ är också ganska dyrt Det bästa alternativet vore då som redan nämnt att utöka befintliga filter med en tredje kammare. Enligt mina beräkningar kommer Kappa Kraftliner Piteå då att klara förväntat kommande miljökrav angående stoftutsläpp på 100 mg/Nm3 med restriktionen att lasten på sodapannan inte överstiger 2100 tTs/dygn.

41

9 Referenser

1. Asghar Khalaj, David Kuhn och Honghi Tran, ”Composition of carryover particles in recovery boilers”, 2004 International Chemical Recovery Conference

2. Terry N. Adams, ”Kraft Recovery Boilers”, 1997

3. Mikael Forssén, Rainer Backman, Jonas Wallén, Mikko Hupa, ”Flygaskans sammansättning och nedsmutsande tendens i sodapannan”, 1999 Åbo Akademi

4. Larry L. Baxter, Tertalissa Lind, Marc Rumminger, Esko Kaupinnen, ”Particle size distributions in recovery boilers”, 2001 Sandia National Laboratories, Livermore, CA

5. P. J. McKeough, E. K. Vakkilainen, ”Effects of black liqour composition and furnace conditions on recovery boiler fume chemistry”, 1998 International Chemical Recovery Conference

6. Alarick J. Tavares, Honghi Tran och Timothy P. Reid, ”Effect of char bed temperature and temperaure distribution on fume generation in a kraft recovery boiler”, Tappi Journal September 1998

7. Tarja Tamminen, Jukka Kiuru, Reiju Kiuru, Kauko Janka, Mikko Hupa, ”Dust and flue gas chemistry during rapid changes in boiler load – Full scale mill studies”, 2001 International Chemical Recovery Conference

8. M. Pirita Mikkanen, Esko i Kauppinen, Jorma K. Jokiniemi, Scott A. Sinquefield, William J. Frederick, ”Bimodal fume particle size distributions from recovery boiler and laboratory black liquor combustion”, Vol. 77, No. 12 Tappi Journal december 1994

9. Jörgen Grubbström, Anneli Andersson Chan, ”Kompendium i Rökgasrening”, Institutionen för Samhällsbyggnadsteknik avdelningen för VA-teknik Luleå tekniska Universitet, oktober 2000

10. Zevenhoven & Kilpinen, ”Kap 5 Particulates”, 2004

11. Inga-Lill Samuelsson, ”Sodafiltret i Aracruz, förbättrad filterfunktion vid svåra driftkonditioner”, Sodahuskonferensen 2003

12. Mats Kassberg, ”Lutförbränning”, Skogsindustrins utbildning i Markaryd AB 1998

13. Erik Uppstu, Oy Polyrec Ab, ”Ny riktning på sodapannans luftregister”, sodahuskonferensen 1996

14. Kaj Bäckman, Erik Uppstu, ”Erfarenheter från sodapanna 7 stora cell Ab skutskär”, sodahuskonferensen 1996

42

15. Driftingenjör Lars Andersson på Billeruds i Karlsborg

16. Driftingenjör Jan Sehlin på Södra Cells i Mörrum

43

10 Bilagor 1. Specifik data för elfiltren

2. Principen och krav för mätning med pitotrör

3. Beräkningar för enheterna normalkubikmeter och normalkubikmeter torr gas

4. Insamlade data från stofthalts och flödesmätningar för elfiltren för 2003-2004

5. Antaganden och beräkningar för rökgashastigheten, stofthalten och stoftflödet i

elfiltren

6. Stoftemission efter elfilter år 2003

7. Schema över temperaturgivare före elfilter

8. Schema över temperaturgivare efter elfilter

9. Schema över givare för mätning av O2-halt

10. Schema över givare för mätning av differenstryck

11. Schema över givare för mätning av varvtal för rökgasfläktar

12. Schema över givare för mätning av ångproduktion

13. Schema över givare för mätning av lutflöde

44