I detta avsnitt förklaras tillvägagångsättet i form av hur data har erhållits och hur olika beräkningar och analyser har utförts. En beräkningsmodell byggdes i Excel där datan applicerades. Modellen presenteras mer ingående i Bilaga C.
4.1 Litteraturstudie
Studien inleddes genom att utföra en bränslekartläggning på Billingfors Bruk. De befintliga pappersmaskinerna, pannorna och mesaugnen studerades för att utgöra en referensram till analysen av fossilfria bränslen. Datan som samlades in vid bränslekartläggning erhölls från Brukets processdata för år 2017. Relevant litteratur som behövdes har hämtats ifrån vetenskapliga artiklar, rapporter, hemsidor och handböcker.
4.2 Utförande och analys
Första steget för att bedöma möjligheterna att konvertera till biobränslen var att undersöka behovet för varje förbränningssystem i form av bränsleflöde och motsvarande effekt. Då bränslen har olika värmevärden fick mängden bränsle justeras för att leva upp till det befintliga effektbehovet. Andra steget var en teknisk analys som grundar sig i följande faktorer som påverkar förbränningssystemet:
o Adiabatisk flamtemperatur o Luftmängd
o Rökgasmängd
Den adiabatiska flamtemperaturen och rökgasmängden påverkar värmeöverföringen. Vid analys av värmeöverföring i form av konvektion och strålning har ekvation (2.5) och (2.6) varit till hjälp. Parametrar som area och emissionstal har antagits vara konstanta då värmestrålningen är mer komplex än för konvektion.
För att uppnå en god förbränning av bränslet erfordras en specifik luftmängd.
Luftmängden beror på bränslet som förbränns och då ett antal olika bränslen analyserades behövdes luftmängden beräknas för samtliga, se (4.1) för gaser och (4.3) för fasta och flytande bränslen. I ekvation (4.1) står x för antalet kolatomer och y för antalet väteatomer i bränslet. Även en beräkning av rökgasmängden gjordes då den bygger på luftmängden och bränslemängden (bortsett ifrån askan) samt avgassammansättningen, se (4.2) för gaser och (4.4) för fasta bränslen.
𝑙= =4,S"
Vissa förbränningssystem kräver specifika temperaturer och för att avgöra huruvida rätt temperatur i pannorna kan uppnås analyseras den adiabatiska flamtemperaturen.
Vid beräkning av den adiabatiska flamtemperaturen antogs inga värmeförluster till omgivningen och värmemängder som avges med aska försummades. Förbränningen antas ske med stökiometrisk luftmängd. Den reflekterar inte ett verkligt fall då det alltid finns förluster till omgivningen utan är enbart ett kvantitativt mått som gör det möjligt att jämföra bränslen.
Luft- och rökgasmängd beräknades även vid ett luftöverskott på 10 % och 20 % där det verkliga flödet beräknas genom att använda det teoretiska flödet och ett specifik luftöverskott i (4.5) och (4.6).
𝑙;= 𝑙=(1 + 𝑙ö) (4.5)
𝑔; = 𝑔=(1 + 𝑙ö) (4.6)
Den adiabatiska flamtemperaturen beräknades enligt (4.7) och bygger på en massbalans över förbränningskammaren. Alla parametrar i en massbalans påverkas av ett bränslebyte och förhållandet mellan parametrarna avgör temperaturen i förbränningskammaren. Parametrarna in i förbränningskammaren som den adiabatiska flamtemperaturen är beroende av var följande: bränslets värmevärde, luftmängd, luftens specifika värmekapaciteten vid konstant tryck samt temperatur.
Parametrarna ut var: rökgasmängden och den specifika värmekapaciteten för rökgasen vid konstant tryck. Den specifika värmekapaciteten är beroende av gasens sammansättning samt temperatur för gaser med två och tre atomer därav användes framräknade värden från Figur 7 och 8 vid beräkning av den adiabatiska flamtemperaturen för biogas respektive produktgas.
𝑡J =flmInmopq∗=q
Jn∗opr (4.7)
För eldningsolja, gasol och biogas stämmer den beräknade adiabatiska temperaturen överens med allmänna tabellerade värden. Inga tabellerade värden kunde hittats för produktgas, pellets och träpulver. Då noggrannheten var hög för de framräknade AFT-värdena för olja, gasol och biogas ansågs den framräknade adiabatiska temperaturen vara rimlig för samtliga bränslen.
Vid bedömning av lämpligheten mellan olika bränslen i den tekniska analysen var det eftertraktat med ett förbränningssystem som liknande det befintliga systemet. Då det i praktiken skulle innebära mindre omfattande tekniska ombyggnationer.
En förenklad bild över en förbränningskammare redovisas i Figur 24.
Förbränningskammaren är ett stationärt system där bränsle förbränns i kombination med luft. Tillsammans omvandlas det till värme, avgaser, och aska.
Figur 24. Massbalans för en förbränningskammare.
Baserat på bränsleprestanda och den tekniska analysen togs alternativa lösningar för anläggningen fram. Vid den tekniska avvägningen för konvertering av gaser jämfördes Wobbeindex mellan olika gasbränslen för att avgöra möjligheten för utbyte. Wobbeindex definieras som (4.8) där H är gasens värmevärde och d är den relativa densiteten. Luftens densitet är 1,205 kg/m3.
𝑊 =√uf (4.8)
Vid byte av bränsle måste effektbehovet och den adiabatiska flamtemperaturen uppfyllas för att bytet ska vara möjligt och samtidigt bibehålla produktionskapaciteten. Utöver de faktorer som måste uppfyllas undersöktes även hur mycket fossilfri gas som kunde produceras internt med hjälp av nyckeltal från litteraturen. Vid beräkning av biogasproduktion användes Tabell 4 samt vid beräkning av den potentiella produktgasproduktionen användes nyckeltal som presenterades i delkapitel 2.5.2. Litteraturen var även till hands vid utvärdering av lagringsmöjligheter och tillgänglighet för de olika bränslen. Sist gjordes en sammanställd avvägning baserat på bränslekostnader och övriga aspekter som tagits med i analysen. Detta för att avgöra vilket eller vilka bränslen som lämpar sig för att byta ut dem fossila bränslena.
En generell ekonomisk bedömning gjordes över bytet ifrån gasol och olja till fossilfri gas och biobränsle. Investeringskostnader för att producera exempelvis biogas exkluderas liksom byte av brännare och ombyggnationer av pannor då det bedömdes vara svårt att uppskatta inom ramen för detta arbete. Den ekonomiska kalkylen bygger därför enbart på bränslekostnader. Priser togs fram genom att hämta information ifrån bruket, hemsidor, leverantörer m.m. Bränslekostnaderna är beräknade som medelvärde för år 2017. En jämförelse gjordes för att se hur det ser ut med de fossila bränslena samt utan fossila bränslen.