Omvandlingen av ett fast bränsle kan delas upp i tre mer eller mindre konsekutiva steg: torkning, avgasning och koksförbränning. Det flyktiga brännbara materialet lämnar bränslet som CO, CH4 och olika kolväten, vilka förbränns i gasfasen nedströms det fasta
bränslet. Bränslena i detta projekt var ganska lika i storlek, form, fukthalt och flykthalt. För att utvärdera hur askhalten påverkar torknings- och avgasningsfaserna hos de olika bränslepartiklarna krävs en annan experimentell ansats, så detta undersöks inte här. Från generell kunskap kan effekter från hög askhalt på torkning och avgasning anses vara liten. Här tas endast hänsyn till koksförbränningen.
Från kolförbränningsteori, se bland andra [2], kan hög askhalt ha följande effekter: 1. Termiska effekter
Aska konsumerar energi när den värms till hög temperatur och ändrar fas. 2. Strålningsegenskaper
Askan kan ha strålningsegenskaper som skiljer sig från koksens. 3. Partikelstorlek
Partiklarna delas mot slutet av förbränningen. 4. Katalytiska effekter
Mineraler kan förändra koksens reaktivitet. 5. Diffusionshinder
Askan hindrar syret från att nå koksytan. Mjukning och smältning kan förvärra effekten.
Från teori om förbränning av biomassa kan följande effekt hämtas: 6. Koksens reaktivitet kan skilja sig mellan olika biomassor.
För att utvärdera (1) – (4) och (6) krävs detaljerade experiment. I detta projekt antas att termiska effekter, strålningsegenskaper och katalytiska effekter är marginella eftersom använda bränslen, jämfört med kol, har ganska låga askhalter. Delning av partiklar har inte utvärderats. Reaktivitet har inte undersökts, men eftersom förbränningen är diffusionskontrollerad (se nedan) är skillnader i reaktivitet inte avgörande. Den parameter som kvarstår är diffusionshinder (5) som i detta projekt anses vara en viktig parameter. Förbränning av askrika pellets kan beskrivas med krympning vid konstant volym- modellen, se Figur 50. Denna modell beskriver diffusionskontrollerad förbränning av en ganska stor partikel i en het omgivning. I denna modell kommer allt syre att konsumeras så snart det når ytan av kokspartikeln. Därför kommer partikeln att krympa tills all koks är uppbrunnen, och densiteten på den krympande kärnan är konstant under förloppet. Oorganiskt material (aska) blir kvar som ett ”skal” som täcker den brinnande kokspartikeln. Detta skal fungerar som ett diffusionshinder för syre och koksförbränningen går långsammare.
Från förbränningstesterna i detta projekt drogs slutsatsen att ökad askhalt kan ge försämrad förbränning och t.o.m. utsläckning av glödbädden. Försämrad förbränning manifesteras av höga CO och (i ett fall) låg rökgastemperatur.
Figur 50. Krympning vid konstant volym-modell för stora partiklar i en het omgivning. [3]
Från (5) dras slutsatsen att aska hindrar diffusionen av syre. Aska kan fungera som ett hinder på två sätt:
1. Aska transporteras inte bort från rosten utan ansamlas ovanpå det tillförda bränslet.
2. Aska bildar ett skall kring varje enskild bränslepartikel och minskar syrets diffusionshastighet.
När syre hindras från att nå koksen kommer koksförbränningstiden att ökas och risken för en ökning av andelen oförbränt i bottenaskan är uppenbar, trots att detta inte var fallet för något av bränslena här. En annan följd av lägre diffusionshastighet kan vara sänkt avgiven effekt. Eftersom inte alla bränslen testades i alla brännare kan inte slutsatser om avgiven effekt dras från detta projekt.
4.2
Brännarna
De tre brännare som användes i projektet uppfyller höga kvalitetskrav. Brännare A och B är konstruerade och P-märkta för träpellets. Brännare C är konstruerad för havre. Dom representerar tre konstruktionstyper: brännare A har inget mekaniskt som transporterar bottenaska på rosten under förbränningen, och glödbädden täcks av flamriktare, se Figur 1. Brännare B knuffar bränsle och aska och glödbädden är exponerad för omgivande förbränningsutrymme. Brännare C knuffar bränsle och aska framåt, inuti cylindern. In brännare A var det möjligt att elda barkpellets med en askhalt på 3,4 %, men avgiven effekt måste sänkas och rosten rengöras efter 3 timmar (full last) och 2 timmar (minsta last.) Förbränningen var inte optimal med högre CO och lägre rökgastemperatur än vad som normalt förväntas från förbränning av träpellets. Detta indikerar ofullständig förbränning av koksen med låga temperaturer i glödbädden, vilket i sin tur leder till lägre temperatur i gasfasen, vilket i sin tur ger ofullständig förbränning av CO. Askan som samlas ovanpå glödbädden fungerar som ett hinder för syre att nå koksytan. Med ännu högre askhalt accentueras detta och stabil förbränning var inte möjlig att upprätthålla. Vid normal användning av brännare A i ett hus är förbränningsperioderna kortare och därmed sker rengöring av rosten oftare varför ett bränsle som bark inte borde vara ett problem, förutsett att injustering utförs. Dock bör man, för att få en god gasförbränning och god utbränning av koksen, se till att syrediffusionen ökar och/eller att temperaturen ökar i bädden.
Brännare B knuffar kontinuerligt koks och aska uppåt och över kanten på brännaren. Beroende på volymen och strukturen på askan kommer den att samlas till en viss höjd som täcker koksen innan den ramlar av. Den ansamlade askan fungerar som en “hatt” som effektivt täcker koksen. Syre hindras från att nå koksen och temperaturen sjunker. Varken rörflenspellets eller rapshalmspellets kunde eldas i denna brännare. I denna konstruktion kommer glödbädden att exponeras mot omgivningen, varför temperaturen i
glödbädden blir lägre än i brännare C. Ändå nådde kornhalmspelletsen en temperatur där de sintrade till hårda bitar som kvävde förbränningen.
Brännare C knuffar kontinuerligt aska och koks framåt. I denna process kommer färskt bränsle och glödbädd inte att täckas av aska och nås enklare av syre jämfört med brännare B. Dessutom kommer den inneslutande designen på brännaren att hålla temperaturen i glödbädden högre.