Förbränningskarakterisering och

En förbränningskarakterisering har genomförts med syfte att kartlägga avfallsfraktionernas inverkan på homogenitet avseende gastemperatur samt syre/bränsle-kvot i eldstadens övre tvärsnitt. För dessa mätningar användes följande tekniker:

- Sugpyrometrar

- Tidsupplösta lambdasondsmätningar - IR-pyrometrar

- Filmning med vattenkyld eldstadskamera

Rökgasernas och flygaskans korrosivitet och beläggningstendens har undersökts m h a: - IACM, Insitu Alkaliklorid mätning

M a med en specialanpassad provtagningsutrustning

koncentrationerna i rökgaserna jämförs ktuellt mätspektra med ett kalibrerspektra för respektive mätkomponent med hjälp av en algoritm i ett datorprogram. Mätdata presenteras on-line med uppdatering ungefär var tionde sekund på datorskärmen respektive sparas på mätdatafil. Spektra för kaliumklorid och natriumklorid ligger till stor del överlappande varför IACM mäter summan av de två komponenterna men kan inte skilja dem åt. Vid biobränsleeldning dominerar KCl över NaCl varför resultatet normalt presenteras endast som "KCl". Vid

- Beläggningsmätningar med påslagssonder (exponering, kemisk analys). - Korrosionsmätningar med gradientsond

- Impaktormätningar av flygaskan.

Konventionell kartering med sugpyrometer – temp, O2 & CO

Vid förbränningskarteringarna mättes O2-, CO- och NO-halter samt lokala temperaturer i eldstaden med en sugpyrometer. Pyrometern traverserade in i pannan och på så sätt har mätvärden erhölls i olika punkter (instick från höger sidovägg till mitten på pannan).

Mätning med lambdasond - syrehalt

ed hjälp av lambdasonder försedd

mättes syrehalten med god tidsupplösning, ca 1 s, i ett antal positioner i pannan. I projektet användes ett system med fyra lambdasonder. Sonderna mäter på rökgas ca 1 m innanför eldstadsväggen.

IR-pyrometer – gastemperatur

Med IR-pyrometer för gas (analyserar CO2-strålning) mättes gastemperaturen i ett område 0-3 m innanför eldstadsväggen med god tidsupplösning (ca 1 s). Mätningarna genomfördes under ca 20 minuter i varje provpunkt.

Eldstadsfilmning

I projektet dokumenterades (på videoband) huvuddragen hos förbränningsförloppet genom filmning med en vattenkyld eldstadskamera. Filmningen gjordes genom lämpliga hål i eldstaden i sekvenser om ca 5 minuter per hål. Två alternativ, med

ameran vinklad 22 eller 45° relativt sonden, användes. k

IACM

IACM (In-situ Alkali Chloride Monitor) är ett optiskt instrument utvecklat av Vattenfall för kontinuerlig mätning av kaliumklorid, natriumklorid och svaveldioxid i gasfas i pannor, t ex i området kring överhettare. Principen för mätningen är att en stråle av UV-ljus sänds genom rökgaserna från den ena sidan av pannan till den andra, där en

mottagare är placerad (”cross-stack”). Mottagaren mäter intensiteten av det nkommande UV-ljuset. För att utvärdera

i a

a

här den totala alkalikloridhalten som (K,Na)Cl. Mätonogrannheten för alkaliklorider vid t

ordes IACM-mätningar kontinuerligt under hela mätperioden i Johannes

panjmätningen i Högda unde in

användas pga a visade hög

r användes en variant so het till kort cka,

m optisk väglängd. Nackdelen med denna variant är att m.

rovringarna tillverkas av ståltuber. I de aktuella försöken användes ringar i 400 och 475°C) samt X20 (550°C).

R ggningsmätning eftersom liten

mellan beläggning och ringmaterial förväntas. Dessa ringar används därför

mätningar

(se bild i bilaga B.1). Två temperaturregulatorer vererar varsin styrsignal till två reglerventiler, vilka förser sonden med kylluft. vfallseldning kan koncentrationerna av KCl och NaCl vara likvärdiga, därför uttrycks io meters mätsträcka är ca +/- 1,5 ppm.

I projektet gj

och under den första kam len. I Högdalen k te den normala

”cross-stack” varianten av IACM tt rökgaserna upp en mycket

optisk dämpning. Därfö m ger möjlig are mätsträ

en s k ”spegelsond” med 1,6

mätonogrannheten ökar till ca +/- 10 pp

Beläggningsmätningar

För beläggningsmätningarna användes en speciell beläggningssond med plats för sex provringar. Via en genomföring i pannväggen förs sonden in i pannan så att prov-ringarna exponeras för rökgaserna. Beläggningarna på de exponerade provprov-ringarna analyseras för att ge upplysning om tillväxthastighet och kemisk sammansättning. Med hjälp av luftkylning hålls provringarnas temperaturer vid förinställda värden. På så sätt efterliknas miljön för olika värmeöverförande ytor (t ex överhettartuber) och beläggningar som förväntas motsvara de som uppkommer på den efterliknade ytan erhålls på provringarna. Under försöken reglerades ringarnas temperaturer till 400, 475 samt 550°C och exponeringstiden var 3 timmar. I Högdalen genomfördes även mätning under 11 timmars exponering.

e använda p D

kvalitet SS2352 (400, 475 och 550°C), SS2216 ( ingarna tillverkade i 2352 används för ”ren” belä interaktion

till våtkemisk analys. Materialen 2216 och X20 är mer oädla och här är det av intresse att studera (t ex m h a en oxidanalys) vad som händer mellan beläggning och metall. Kemiskt innehåll, storlek mm för de olika ringarna återfinns i bilaga B.1. Där redovisas även mer detaljerat hur tillväxthastigheten för beläggningarna uppskattas och hur den kemiska sammansättningen analyseras.

Syftet med beläggningsmätningarna är att undersöka hur olika bränslefall samt eventuell svaveltillsats påverkar beläggningstendensen. I bilaga B.1visas en analysplan för sondmätningarna.

Korrosions

För att studera metalltemperaturens inverkan på korrosionen användes en gradientsond med kontinuerlig temperaturgradient från 400 till 560°C. Med denna kan korrosion mm uppskattas vid upp till tio olika materialtemperaturer. Sonden kan delas upp på tre komponenter: själva sonden, luftkylare och ett temperaturregleringssystem. Sonden har två kylluftskanaler, en inre och en yttre

Sonden är bestyckad med 18 provringar och 3 temperaturmätringar (placerade på position 1, 11 och 21). Aktuella temperaturer registreras med en logger. I bilaga B.1 visas sondbestyckningen under mätningarna.

Vid mätningarna exponerades sonden under en period, varefter metallförlusten som funktion av temperaturen analyserades. För analysen mättes ringarnas godstjocklek före exponeringen med en mikrometerskruv i 24 punkter jämnt fördelade runt varvet. Efter xponeringen kapades ringarna i nivå med de 24 mätpunkterna. Tvärsnittet slipades och läggningstillväxten registrerades som ägning före och efter exponeringen. För att studera den kemiska sammansättningen hos oxid och beläggning skickades tre utvalda ringar från varje sond på våtkemisk

a V analys (med DSC⁵).

till pannans konvektionsstråk. När

r under 1

projektet har impaktormätningar gjorts vid de mätkampanjer som framgår av T resultaten från ett pågående Värmeforskprojekt [23] utnyttjats

e

polerades och studerades sedan i ett mikroskop där återstående godstjocklek, intern korrosion och oxidskiktets tjocklek mättes upp. Ur dessa mätvärden beräknas sedan korrosionshastighet och korrosionsangrepp. Be

v

nalys. idare användes två ringar för smältpunkts

Impaktormätningar av flygaskan

I förbränningsutrymmet förångas en del oorganiska komponenter till gasformiga öreningar som följer med de heta rökgaserna

f

temperaturen sjunker i pannans värmeöverförande delar så kondenserar de gasformiga oorganiska föreningarna ut som ett fast material. De gasformiga föreningarna kan dels nukleera, d.v.s. falla ut som submikrona partiklar, och dels kondensera på befintliga större partiklar som ej varit i gasfas och ryckts med från förbränningsutrymmet (heterogen kondensation, 1-20 µm). De bildade submikrona partiklarna växer förutom genom kondensation också genom koagulation, d.v.s. sammanslagning av partiklar,

0.1-.0 µm. Det är sedan tidigare känt att alla submikrona partiklar (flygaskpartikla 1

µm) som mäts i pannans konvektionsstråk någon gång har varit i gasfas i förbränningsutrymmet. Därigenom kan man studera vilka komponenter som förångats från förbränningsutrymmet genom att kemiskt analysera samt kvantifiera de submikrona

artiklarna. Det är också dessa gasformiga ämnen samt submikrona partiklar som kan p

bilda beläggningar på tex överhettartuber genom kondensation, termofores, impaktion och diffusion.

Inom

abell 10. Dessutom har

där det också har gjorts impaktormätningar på de aktuella anläggningarna (december 2003). Dessa mätningar har dock gjorts på andra mätpunkter i anläggningen än i detta projekt (se Tabell 11), samt vid andra tidpunkter, men mätningar är i högsta grad jämförbara. Flygaskan har provtagits isokinetiskt men det bör påpekas att det alltid är svårt att exakt uppskatta koncentrationerna av supermikrona partiklar i rökgasstråket pga stråkbildning, pulserande flöde etc.

5

Tabell 11. Översikt över vilka impaktormätningar som har gjorts samt provpunkter och metod för kemisk analys.

Table 11. A summary of impactor measurements and measurement places and methods for chemical analysis.

Försöksnamn Provpunkter för

impaktormätning

Metod för kemisk analys

Johannes, Bark+30 % RT, Dec 2003* Mellan Eco 2 och 3 SEM-EDX Johannes, Bark+20 % PTP Innan elfilter Våtkemisk Johannes, Bark+20 % PTP+Sulfat Innan elfilter Våtkemisk Högdalen P6, PTP, Dec 2003* Mellan Eco 1 och 2 Våtkemisk Högdalen P6, PTP+Svavel granul 0,1 gS/MJbr Innan rökgasrening Ingen Högdalen P6, PTP+Svavel granul 0,25 gS/MJbr Innan rökgasrening Våtkemisk *mätningar inom ett annat Värmeforskprojekt [23].

Vid impaktormätningen fraktionerades flygaskan upp på olika steg med avseende på partikelstorlek. De uppsamlade partikelfraktionerna vägdes därefter och därigenom kunde flygaskans masstorleksfördelning beräknas, för vidare metodbeskrivning se bilaga B.1. I detta projekt analyserades även de uppsamlade partikelfraktionerna våtkemiskt för att bedöma på vilka partikelfraktioner de oorganiska komponenterna sitter. En våtkemisk analys kan ej analysera oxider eller hydroxider varvid dessa ej kan

edömas, men den kan mycket exakt kvantifiera olika oorganiska huvudkomponenter

o e

partikelfraktioner ihop (2-3 st) därför blir storleksfördelningen för de kem e

informatio

toder för doseri ve

ser va am

t d r am

nivå G enligt Figur 5). Sulfaten förvarades i förrådsbehållare om 1 m³ (s k

sulfatflödet till 75 l/h baserat på ätsignalen från IACM-instrumentet. Svaveltillsatsen motsvarade ungefär 0,04 g svavel per MJ bränsle.

Högdalen

Dosering av ammoniumsulfat i Högdalen genomfördes på liknande sätt och med samma utrustning som i Johannes. Skillnaden var att doseringen i Högdalen skedde i genomföringar på avskiljarens sidoväggar med en dyslans på varje sida. Vid intrimning bestämdes lämpliga sulfatflöden till 150 l/h respektive 300 l/h. Detta motsvarar ca 0,05 respektive 0,1 g svavel per MJ bränsle.

b

ch spårelement (se bilaga B.1). Under den kemiska analysen slogs flera närliggand iska ämnena j lika upplöst som masstorleksfördelningen av flygaskan men det ger ändå mycket

n.

Me ng av sulfat och sva lgranuler Johannes

I Johannes do förbränningsrumme

rocessen (

ades en 40 %

i det övre befintliga

ttenlösning av oseringsplanet fö

moniumsulfat till moniak till SNCR-p

’Cipax-backar’) och pumpades upp till dysplanet med en mobil pumpstation. Sulfatlösningen späddes med vatten för att få rätt arbetstryck för doseringslansarna. Vattenlösningen atomiserades i dysorna med hjälp av tryckluft. I Johannes användes totalt fyra insprutningslansar, två stycken monterades på vardera sida av eldstaden.

nder en intrimningsperiod bestämdes ammonium U

G il s p förser änsle. det b 6 kg ave d som su å 30 br skarakte is n

bmikrona partiklarna, vilka kan bidra till beläggningsbildning på värmeöverförande rymmet. Masstorleksfördelningen av flygaskan från impaktormätningarna och de efterföljande kemiska analyserna har även utnyttjats för att undersöka flygaskkvaliteten i de båda anläggningarna. Mätpunkterna för impaktormätningarna framgår av Tabell 11.

I Johannes gjordes askkarakterisering vid inblandning av PTP med och utan svaveltillsats. Under mätkampanjerna i Johannes togs det dessutom ut aska från 2:a stråket som siktades för att avgöra innehållet av bäddsand (resultatet visas i bilaga C.2). I Högdalen karakteriserades askan vid normal förbränning av PTP utan svaveltillsats samt vid tillsats av svavelgranuler (försök: PTP+S-granul 0,25).

Sintringstemperaturer

Bränslevalet påverkar askans sammansättning och kan även ha betydelse för bäddmaterialets sintringstemperatur. För att utreda effekten av inblandning av avfallsbränsle på bäddens sintringstemperatur har laboratorieförsök genomförts på Umeå Universitet i en fluidbädd i bänkskala för bäddsandprover från Gävle vid förbränning med och utan tillsats av papper och plast. Liknande försök har även gjorts på Umeå Universitet för Högdalen P6 utanför detta projekt samt inom tidigare Värmeforskprojekt [24], [25] för andra bäddsandsprover. Metoden för laboratorieförsöken redovisas i bilaga C.1.

Resultaten från studierna kring askkvalitet och sintringstemperatur redovisas i kapitel 6.5.

ranulärt svavel doserades tillsammans med bränslet med hjälp av en mob kruvdoserare. Granulaten förvarades i säckar om 1 ton (s k bigbag) som lyftes upp till

annans topp där doseraren var placerad. Ett spridarrör fördelade granulaten från doserarens utlopp någorlunda jäm

br

nt ned till de tre skraptransportörerna som pannan med

ca 0,1 respektive 0,25 g svavel per MJ bränsle. Svavelflö estämdes till 3

Tillsatsen av 36 kg svavelgranuler/h ger /h samt 90 kg/h, vilket motsvarar således samma sv lmäng lfattillsatsen p 0 l/h.

Resultaten från för från analy änning de askre riseringen redov terade driftp

as i kapitel 6.3 medan resultate

serna av la roblemen (beläggningsbildning och

högtemperaturkorrosion) återfinns i kapitel 6.4. 5.2.3 Askkvalitet och bäddsintringsrisk

Hur askkvalitén påverkas av en ökad inblandningsgrad av utsorterade avfallsfraktioner i form av PTP samt vid dosering av svaveladditiv har studerats inom projektet. Askor har karakteriserats med hjälp av kemisk analys av uttagna prover av flyg- och bottenaska samt flygaskfraktioner från impaktormätningarna.

Impaktormätningarna beskrevs tidigare i kapitel 5.2.2 som en metod att studera de su

In document Förbränning av utsorterade avfallsfraktioner (Page 59-65)