Bäddprover från agglomereringsförsöken har studerats noggrant med SEM/EDS-analys.
Snittytan för varje provpuck innehöll cirka tjugotusen bäddkorn. Andelen återfunna bäddkorn med lagertillväxt var extremt låg (< 0.1 %) för prov uttagna från förbränning av rörflen och halm för samtliga bäddkombinationer. För prov uttagna vid förbränning av hampa var andelen bäddpartiklar med lagertillväxt högre men dock mycket låg i jämförelse då andra biobränslen (bark, olivkross) eldats enligt samma metodik [7].
Bränsleaskkomponenter återfanns i samtliga prov istället som enskilda askpartiklar i bädden. I de flesta fall har därför lager ej återfunnits på bäddkornen. Eftersökta lageregenskaper och agglomerathalsar illustreras i Figur 6
Figur 6. Exempel på eftersökta lager (till vänster) och agglomerathalsar (till höger).
Figure 6. Example of layers (left picture) and agglomerate necks (right)
I de få fall där bäddkornslager återfanns bestod dessa av ett tunt lager som avspeglade bränsleasksammansättningen. Dessa lagers ringa tjocklek gjorde det svårt att bestämma elementsammansättning utan störningar från bäddkornen.
Halm
De få bäddkornslager som återfanns hos bäddkorn från halmförsöken täckte bara kornen delvis, se Figur 7. Inga skillnader i kvantitet eller egenskaper med avseende på lagertillväxt kunde registreras mellan de olika bäddmaterialen.
Bäddkorn Lager Agglomerathals
VÄRMEFORSK
16
Figur 7. Typisk SEM analys av uttaget bäddprov vid förbränning av halm. Ett korn delvis belagt med lager och inget på närliggande bäddkorn.
Figure 7. Typical SEM analysis of a bed sample from wheat. One bed particle is partly covered with layers and there are no layers on surrounding particles.
Rörflen
Lager eller agglomerathalsar kunde inte återfinnas när rörflen nyttjats som bränsle.
Askpartiklar som delvis varit smälta återfanns till stor del i provet se Figur 8.
Figur 8. Typisk SEM analys av uttaget bäddprov vid förbränning av rörflen. Enskilda askpartiklar florerar bland bäddmaterialet, bäddkornen saknar lager.
Figure 8. Typical SEM analysis of a bed sample from red canary grass. Groups of ash particles could be identified among the bed material, the bed particles have no layers.
Askpartiklar
17
Hampa
När hampa nyttjades som bränsle återfanns bäddkorn med lager i något större omfattning än när halm och rörflen nyttjades. De bäddkorn som var belagda hade bara ett tunt lager, se Figur 9. I jämförelse med liknande försök med skogsbränsle, där många bäddkorn har lager runt om, (se infälld bild i Figur 9) är det ytterst få korn, om några alls som har lager runt om hela bäddkornen.
Figur 9. Typisk SEM analys av uttaget bäddprov vid förbränning av hampa och infälld bild som visar en typisk bäddpartikel från tidigare experiment med bark [7].
Figure 9. Typical SEM analysis of a bed sample when hemp was used as fuel. The small picture shows a typical bed particle from previous experiments with bark [7].
Agglomerat producerat vid förbränning av bark
VÄRMEFORSK
18
3.2.1 Elementsammansättning hos enskilda askpartiklar, agglomerathalsar och bäddkornslager
Enskilda askpartiklar
Elementsammansättningen hos de enskilda askpartiklarna och de återfunna bäddkornslagren kan till stor del liknas vid bränsleaskans sammansättning. De dominerande elementen var kisel, kalium och kalcium. Spår av andra askbildande element kunde också registreras. Elementsammansättningen hos de olika askpartiklarna som återfunnits åskådliggörs i Figur 10. Elementsammansättningen som redovisas i figuren bygger på analyser utförda på samtliga bäddmaterialkombinationer för respektive bränsle. Ingen stor skillnad i elementsammansättningen hos de analyserade enskilda askpartiklarna kunde skönjas mellan bäddprov tagna från försök med samma bränsle men vid nyttjande av de olika bäddmaterialen. De tre figurerna ovanför diagrammet visar typiska askpartiklar som återfanns i bädden efter respektive bränsleförsök.
Figur 10. Elementsammansättning för återfunna askpartiklar. Staplar benämnda bränsleaska är asksammansättningen för respektive bränsle.
Figure 10. Elements composition for ash particles found in bed samples. The bars named
“bränsleaska” are the composition of fuel ash.
0
Halm enskilda askpartiklar Halm bränsleaska
19
Agglomerathalsar och bäddkornslager
Ytterst få kraftiga (tjocka) agglomerathalsar och bäddkornslager återfanns från försöken vilket försvårade möjligheterna att kunna bestämma sammansättningen hos dessa, där detta gick redovisas elementsammansättning, se Figur 11 och 12.
Figur 11. Elementsammansättning hos agglomerathalsar från halmförsöken.
Figure 11. Elements composition of agglomerate necks found from experiment with wheat straw.
Sammansättningen hos de agglomerathalsarna som återfunnits vid halmförsöken återspeglas av bränsleaskan (de vita staplarna i diagrammet). Den relativt höga halten av magnesium från försöken i kombination med olivin kan bero på en viss interaktion mellan aska och bäddmaterial. Liknande egenskaper kan noteras från den relativt höga halten av kisel för kvartsförsöket.
0 20 40 60 80 100
Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe
Atom-%
Plagioklas agglomerathalsar Kvarts agglomerathalsar Olivin agglomerathalsar Bränsleaska
Kvarts-halm Olivin - halm
VÄRMEFORSK
20
Figur 12. Elementsammansättning för de få återfunna agglomerathalsar och lager från hampaförsöken.
Figure 12. Elements composition of agglomerate necks found from bed agglomeration experiment with industrial hemp.
Elementsammansättningen för de studerade lagren och agglomerathalsarna från hampförsöken återspeglar också bränsleaskans sammansättning (de vita staplarna i diagrammet). Lager eller agglomerathalsar tjocka nog för analys återfanns ej från försöken med kalifältspat och plagioklas. Även för hampa kan vissa tendenser till interaktioner mellan aska och bäddmaterial noteras från diagrammet, där kiselhalterna är något högre för kvartsanalyserna.
0 20 40 60 80 100
Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe
Atom-%
Kvarts lager Olivin lager Bränsleaska
Kvarts agglomerathals
Olivin - hampa Kvarts - hampa
21
4 Resultatanalys
De begagnade bäddmaterialen från halmförsöken innehöll en stor mängd aggregatliknande större askpartiklar (> 5 mm) innehållande bränsleaska, oförbränt material och bäddmaterial fastklistrade på ytan. Resultaten från EDS-analyserna visar att bränsleaskpartiklarna är rika på elementen kisel och kalium. Under utbränningen av bränslepartikeln bildas lågsmältande och klibbiga kaliumsilikater som dels kan fästa andra bränslepartiklar dels kan fästa kolliderande bäddkorn. Mindre kaliumsilikatrika och därmed klibbiga askpartiklar kan också fastna på bäddpartiklarna och bilda bäddkornslager, det senare har även återfunnits i detta arbete, dock inte i någon större utsträckning. Ovanstående förlopp/resultat har även beskrivits i tidigare arbeten vid förbränning av halm [3, 4].
Askpartiklarna för rörflen och hampa skiljde sig något från halm då de återfanns i en finare fraktion och var mindre smälta. Rörflen hade den högsta askhalten av de studerade bränslena och de kunde också bekräftas visuellt från de begagnade bäddarna där mest enskilda askpartiklar återfanns från rörflensförsöken. Den stora mängden aska kan här vara av betydelse för defluidiseringsförloppet. I jämförelse med halm och hampa hade de enskilda askpartiklarna vid rörflensförsöken en elementarsammansättning med ett lägre K/Si + Ca- förhållande, vilket medför en lägre smältandel vid rådande temperatur [13] och därmed troligen också en mindre klibbighet än fallet för halm och hampa. En kontinuerlig försämring av fluidiseringsegenskaperna kunde skönjas under senare delen av försöken med rörflen redan långt innan bädden defluidiserade. I jämförelse med halm behövdes dock mer askpartiklar tillföras till bädden innan den defluidiserade vilket troligen beror på smältegenskaperna/klibbigheten hos den bildade askan.
Lagertillväxt har påträffats för halm och hampa på ytterst få korn, och i fallet rörflen på extremt få korn, i jämförelse med liknande försök med andra biobränslen (t ex skogsbränslen) som har en relativt låg andel kisel i sin bränsleaska och istället domineras av kalcium och/eller kalium. De kiselrika bränslen som studerats i detta arbete visar därför på signifikanta skillnader i agglomereringsprocesser/-mekanismer i jämförelse med mer traditionella biobränslen (t ex skogsbränslen) som studerats under liknande förbränningsegenskaper. Tidigare arbeten har visat att en stor del av kiselrika bränslens kalium reagerar med det kisel som återfinns i bränslet under förbränningen av själva bränslepartikeln [14, 15]. Huvuddelen av kaliumet finns därför troligen inte tillgänglig för reaktion med bäddpartiklarna.
Halm, rörflen och hampas agglomereringsmekanismer kan till stor del beskrivas med mekanism (2) och (3) utifrån Figur 1 där smälta enskilda askpartiklar och kletig aska på brinnande bränslepartiklar kolliderat med bäddmaterialet och mekanism (5) där de smälta askpartiklarna kolliderar med bäddpartiklarna och ger ett lager, som till viss del kan interagera med bäddmaterialet. Eftersom ytterst få korn med lager bildats under förbränningen av de studerade bränslena är bäddmaterialets interaktionsegenskaper med askkomponenter i bränslet av underordnad betydelse för agglomereringsprocessen.
Traditionella biobränslen med relativt låg kiselhalt i bränslet agglomererar däremot oftast genom en kombination av mekanismerna (6 - 8), där alkali och kalcium via bl.a.
VÄRMEFORSK
22
reaktion med bäddmaterialet ger en klibbig lagertillväxt på bäddmaterialet. För dessa processer har därför bäddmaterialet en viktig betydelse för agglomereringsprocessen.
23
5 Slutsatser
Av de studerade bränslena hade halm högst agglomereringstendens följt av rörflen och hampa. Den nyttjade halmen visade en betydligt kraftigare agglomereringstendens än tidigare nyttjade typiska skogsbränslen (stamvedsflis, bark, grot) under i övrigt samma experimentella betingelser emedan rörflen och hampa visade på en något högre
agglomereringstendens än för typiska skogsbränslen. Den mycket höga agglomererings-tendensen hos halm kan förklaras med att kaliumhalten var betydligt högre, vilket gör att det bildas mer klibbiga kaliumsilikater som ökar agglomereringstendensen.
De nyttjade kiseldominerade bränslena gav inte upphov till någon signifikant lagertillväxt hos de olika bäddpartiklarna. Bränsleaskkomponenterna återfanns i bädden i huvudsak som klibbiga (delvis smälta) enskilda askpartiklar. Detta medför att bäddmaterialens interaktionsegenskaper med askkomponenter i bränslet är av underordnad betydelse för agglomereringsprocessen. Bäddmaterialets mineralogiska sammansättning hade därför ingen signifikant betydelse för agglomereringstendensen för de nyttjade bränslena.
VÄRMEFORSK
24
6 Rekommendationer och användning
Resultaten från detta arbete visar att risken för bäddagglomerering/-defluidisering vid nyttjande av många odlade bränslen är generellt högre än vid nyttjande av typiska skogsbränslen. Det är dock viktigt att understryka att signifikanta skillnader i agglomereringstendens kan förkomma inom samma kategori av odlade bränslen p.g.a.
variationer i bränsleasksammansättning orsakade av t ex variationer i uttagsprocess och/eller växtplats.
Det viktigaste resultat från detta arbete är dock den nyvunna vetskapen om att bäddmaterialets kemiska sammansättning är av underordnad betydelse för agglomereringsförloppet vid nyttjande av odlade bränslen som innehåller en bränsleaska som domineras av kisel. Detta innebär att man bör nyttja andra metoder som t ex sameldning med torv/kol och/eller bränsleadditiv för att minimera bäddagglomereringsrisken vid ett eventuellt ökat nyttjande av dess kiselrika bränslen i framtiden.
25
7 Förslag till fortsatt forskningsarbete
Resultaten från detta och liknande arbeten vid förbränning av biomassa i fluidiserade bäddar visar tydligt på hur komplext samspelet är mellan bäddmaterialet och bränslets kemiska sammansättning. Detta gör att man inte kan generalisera och säga att ett bäddmaterial alltid är bättre än ett annat utan det är snarare så att ett visst bäddmaterial kan fungera väl med en viss typ av bränslen men vara mindre lämpligt eller ej vara av underordnad betydelse för en annan typ av bränslen. Fortsatta dedikerade arbeten under kontrollerade förhållanden föreslås att utföras under förgasningsatmosfär med ett fåtal bränslen/bäddar för att verifiera/bestämma eventuella olikheter i agglomereringsprocessen mellan förgasnings- och förbränningsatmosfär för olika bädd-/bränslekombinationer.
VÄRMEFORSK
26
8 Litteraturreferenser
[1] Öhman, M., Nordin A., Brus E., Skrifvars B.-J. och Backman R. (2001).
Förbrukning av bäddmaterial i biobränsleeldade fluidbäddar p.g.a.
bäddagglomereringsrisk - beläggningsbildning och möjligheter till regenerering.
Värmeforsk Sverige AB. 30. Vol. 739
[2] Latva-Somppi, J., et al. Ash deposition on bed material particles during fluidized bed combustion of wood-based fuels. in Proc of the international conference on ash behaviour control in energy conversion systems. 1998. Pacifico Yokohama, Japan.
[3] Lin, W. G., Dam-Johansen K. och Frandsen F. (2003). Agglomeration in bio-fuel fired fluidized bed combustors. Chemical Engineering Journal 96(1-3): 171-185.
[4] Lin, W., et al. Agglomeration phenomena in fluidized bed combustion of straw. in Proc Int Conf Fluid Bed Combust [0197-453X] (14th). 1997. Vancouver, Canada.
[5] Öhman, M., Nordin, A., Skrifvars, B-J., Backman, R., Hupa, M. Bed Agglomeration Characteristics during Fluidized Bed Combustion of Biomass Fuels. Energy & Fuels, 2000. 14(1): p. 169-178.
[6] Brus, E., Bed agglomeration during combustion and gasification of biomass fuels - mechanisms and measures for prevention, Umeå University, Thesis, Umeå.
2004.
[7] De Geyter, S., et al., Skillnader i bäddagglomereringstendens mellan alternativa bäddmaterial och olika mineraler i natursand, Vol. 920. 2005: Värmeforsk Sverige AB.
[8] Spicar, E. (1995). Mineraler och Bergarter, ICA Förlaget AB.
[9] Finell , M., Xiong, S., Olsson, R. Multifunktionell industrihampa för norra Sverige, BTK-rapport 2006:13
[10] Kastberg, S., Nilsson, C., Öhman M., Reed canary-grass ash composition and it’s melting behavior during combustion, Fuel, 2001, 80, 1391-1398.
[11] Davidsson K. et al. Ramprogram - Åtgärder för samtidig minimering av alkalirelaterade problem, Värmeforsk Sverige AB
[12] Pommer, L., et al. Klargörande av bakomliggande mekanismer för torvslags positiva effekter vad gäller minskande av askrelaterade driftsproblem vid sameldning med biobränslen, Slutrapport P 21369-1 inom STEM-programmet
"Förbränning och förgasning av fasta bränslen", 2005.
[13] Öhman, M. Experimental studies on bed agglomeration during fluidized bed combustion of biomass fuels, PhD Thesis, Umeå University, 1999
[14] Morey, G. W; Kracek, F. C.; Bowen, N. L. J. Soc. Glass Technol., 1930, 14, 158 [15] Knudsen J N, Jensen P A, Johansen K D, Transformation and release to the gas
phase of Cl, K, and S during combustion of annual biomass, Energy&Fuels 2004;
18, 1385-1399
1
Bilagor
VÄRMEFORSK
2
A Defluidiseringsförlopp från agglomereringsförsöken A.1 Defluidiseringsförlopp för halm.
Kvarts - Halm
3
VÄRMEFORSK
4
A.2 Defluidiseringsförlopp för rörflen
Kvarts - Rörflen
Olivin - Rörflen
700
5
Plagioklas - Rörflen
700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400
19:35:03
19:51:43
20:08:23
Bäddtemperatur [°C]
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Bäddtryck [mBar]
Temp Bed Upper Temp Bed Lower dP Upper dP Lower
VÄRMEFORSK
6
A.3 Defluidiseringsförlopp för hampa
Kvarts - Hampa
7
1 Öhman, M., et al., Förbrukning av bäddmaterial i biobränsleeldade fluidbäddar p.g.a.
bäddagglomereringsrisk - beläggninsbildning och möjligheter till regenerering.
Vol. 739. 2001: Varmeforsk Sverige AB. 30.
2 Latva-Somppi, J., et al. Ash deposition on bed material particles during fluidized bed combustion of wood-based fuels. in Proc of the international conference on ash behavior control in energy conversion systems. 1998. Pacifico Yokohama, Japan.
3 Lin, W. G., Dam-Johansen K. och Frandsen F. (2003). "Agglomeration in bio-fuel fired fluidized bed combustors." Chemical Engineering Journal 96(1-3): 171-185.
4 Lin, W., et al. Agglomeration phenomena in fluidized bed combustion of straw. in Proc Int Conf Fluid Bed Combust [0197-453X] (14th). 1997. Vancouver, Canada.
5 Öhman, M., et al., Bed Agglomeration Characteristics during Fluidized Bed Combustion of Biomass Fuels. Energy & Fuels, 2000. 14(1): p. 169-178.
6 Brus, E., "Bed agglomeration during combustion and gasification of biomass fuels - mechanisms and measures for prevention", Umeå University, Thesis, Umeå. 2004.
7 De Geyter, S., et al., Skillnader i bäddagglomereringstendens mellan alternativa bäddmaterial och olika mineraler i natursand Vol. 920. 2005: Varmeforsk Sverige AB.
8 Öhman, M. Experimental studies on bed agglomeration during fluidized bed combustion of biomass fuels, PhD Thesis, Umeå University, 1999