Optimering av kalktillsatser i Borås Energis rökgasreningssystem

Full text

(1)Optimering av kalktillsatser i Borås Energis rökgasreningssystem. Optimization of lime addition At Borås Energy Flue gas cleaning plant. Anna Ohlsson. SP Arbetsrapport 2006:13 Energiteknik Borås 2006. Examensarbetet omfattar 20 poäng och ingår som ett obligatoriskt moment i Magisteringenjörsexamen i Waste Management and Resource Recovery, 80 poäng Nr 4kmag/2006.

(2) Optimization of lime addition Key words: Flue gas cleaning, APCD, lime, limestone, hydrated lime, optimization, Sorbacal, municipal solid waste, combustion, incineration, adsorption, Hydrochloric acid, Sulphur dioxide, adsorbent. SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut SP Arbetsrapport 2006:13 Borås 2006. SP Swedish National Testing and Research Institute. Postal address: Box 857, SE-501 15 BORÅS, Sweden Telephone: +46 33 16 50 00 Contact: Evalena Wikström Telephone (direct): +46 33 16 55 20 Telefax: +46 33 13 19 79 E-mail: info@sp.se.

(3) Förord Detta examensarbete har utförts som en del i magisterprogrammet Waste Management and Resource Recovery vid Borås Högskola. Arbetet har utförts på enheten för förbränningsteknik på Sveriges Forsknings- och Provningsinstitut och ingår i ett forskningsprojekt för Värmeforsk. Jag vill börja med att tacka min handledare Evalena Wikström för ett ovärderligt stöd och all hjälp under hela arbetet. Stort tack även till Jessica Samuelsson som ryckt in med goda idéer. Dessutom vill jag tacka alla på SP som uppbringat en god arbetsmiljö. Ännu ett tack till alla på pannan i Borås, framförallt Anders Johnsson som svarat på stora och små frågor samt till Pauline Salomonsson för allt arbete med att ta fram data. Dessutom vill jag tacka alla anläggningsägare som jag varit i kontakt med för att jag fick stjäla lite av deras tid och ta del av deras erfarenheter samt Värmeforsks referensgrupp för värdefull input. Slutligen vill jag tacka min handledare och examinator på skolan, Peter Thering. Borås den 31 maj 2006. Anna Ohlsson. 1.

(4) Sammanfattning Avfallsförbränning är idag ett aktuellt ämne. Från och med år 2002 ligger ett förbud i Sverige mot att deponera brännbart avfall. Motsvarande gäller för organiskt avfall från och med 2005. Detta har gjort att förbränning med energiutvinning de senaste åren ökat kraftigt och kommer att fortsätta att öka. Avfallsförbränningen generar en mängd restprodukter och dess utsläppskrav är idag hårt reglerat. I fokus för denna rapport ligger de försurande föroreningarna svaveldioxid och väteklorid. För att rena dessa från rökgasen tillsätts ofta en kalkabsorbent. Stora mängder måste tillföras processen för att uppnå en tillräckligt slagkraftig rening. Genom att optimera reningsprocessen spås en stor effektiviseringspotential. Syftet är att genom att ändra valda processparametrar på Borås Energis avfallsförbränning optimera adsorptionen av HCl och SO2 för att uppnå en minskad kalkförbrukning. En minskad kalkförbrukning ger dubbel ekonomisk vinning för anläggningsägaren då både kalkförbruknings- och filteraskans deponeringskostnader kan reduceras. Projektet innehöll en mängd delmoment bland annat har en litteraturstudie har utförts, intervjuer med anläggningsägare för att ta del av erfarenheter har genomförts samt insamling av anläggningsdata under de olika driftsfallen har sammanställts. Mätdata indikerar att tydliga driftsförändringar har skett mellan de olika driftsfallen. Teori visar att hög relativ fukthalt i filtret ger lägre kalkförbrukning. Den högre fukthalten uppnåddes antingen genom att sänka filtrets rökgastemperatur eller genom att befukta det inkommande bränslet. Ytterligare ett driftsfall var en kombination av de båda. De nya driftsfallen har uppvisat en lägre kalkförbrukning mot normaldriften. Det finns stora kostnadsreduktioner att vinna. En nedgång i kalkförbrukning med 10 %, reducerar kostnaden med cirka 300 000 kronor för en avfallsanläggning i Borås Energis storlek. Anläggningsdata har även visat att en 25 % reduktion av kalkförbrukning är möjlig. För Borås Energis räkning skulle detta innebära en kostnadsreduktion på nästan 720 000 kronor per år. Sorbacal är en ny kalkprodukt utvecklad för rökgasrening. Den utlovar sig vara 2-3 gånger så effektiv än vanlig kalk. Stora ekonomiska vinster kan göras om produkten håller vad den lovar. Generella beräkningar visar en kostnadsreduktion upptill 1,2 miljoner. Dess effektivitet ska undersökas inom kort på Borås Energis rökgasreningssystem.. 2.

(5) Abstract Today, waste incineration is a hot topic. Since 2002 there are regulations against land filling combustible materials. From 2005 the same applies for organic waste. Due to the new regulations, incineration with energy recovery has increased and will continue to grow. Waste incineration generates a lot of residues. The focus of this report is the common pollutants Sulphur dioxide and Hydrochloric acid. To separate these from the Flue gas an adsorbent, often hydrated lime, is used. Huge amount of the adsorbent has to be added to the process to gain sufficient cleaning. A previous study has showed that the adsorbent conversion efficiency is very low, only around 25%. The objective of this project is to optimize the adsorption process of HCl and SO2 to gain a reduction of lime consumption and to make the process more efficient. This will be achieved by changing selected parameters of the process at Borås Flue gas cleaning plant. Reduced limestone consumption has double benefits; decreased purchase cost and decreased cost due to the land filling fee for filter ash is reduced. The project included the following assignments; a literature study, an interview to gather experience from plant operators, collection and evaluation of plant data. Plant data indicates that the plant operation has changed due to the modification of the process parameters. Theory has shown that humidity plays a key role in the process. High humidity makes the lime more active and reduces the consumption. High humidity can be achieved by lowering the flue gas temperature or adding water to the fuel. These two cases and a combination of them have been tested at the plant. The result has showed a reduction in consumption of lime. There are a lot of cost reductions to gain. A plant with the same size as Borås will with a 10 % decrease in lime consumption reduce the cost with approximately 300 000 SEK. Plant data has indicated that a 25 % decrease in lime consumption is achievable. This will reduce Borås Energys cost with approximately 720 000 SEK. Sorbacal is a new product developed for flue gas cleaning. It is estimated to be 2 or 3 times more efficient than regular lime. There are significant economical benefits to gain if the product can withstand the expectations. Estimations shows that a cost reduction as high as 1,2 million is achievable. The products efficiency is shortly going to be tested at Borås Energy flue gas cleaning plant.. 3.

(6) Innehållsförteckning Förord........................................................................................................................................ 1 Sammanfattning ....................................................................................................................... 2 Abstract ..................................................................................................................................... 3 Innehållsförteckning ................................................................................................................ 4 1. Inledning ............................................................................................................................... 6 2. Problemformulering............................................................................................................. 7 3. Syfte ....................................................................................................................................... 7 3.1 Omfattning ....................................................................................................................... 7 3.2 Avgränsning ..................................................................................................................... 7 4. Metod..................................................................................................................................... 8 4.1 Kunskapsinsamling .......................................................................................................... 8 4.1.1 Interjuver med anläggningsägare .............................................................................. 8 4.2 Insamling av anläggningsdata .......................................................................................... 9 4.2.1 Mätdata loggade på pannan....................................................................................... 9 4.2.2 Externt mätinstrument FTIR ..................................................................................... 9 4.2.3 Provtagning av fasta flöden..................................................................................... 10 5. Bakgrund – Kunskapsläget idag....................................................................................... 11 5.1 Avfallsförbränning ......................................................................................................... 11 5.1.1 Svavel ...................................................................................................................... 11 5.1.2 Klor ......................................................................................................................... 12 5.2 Förbränningsteknik......................................................................................................... 12 5.2.1 Rostpanna ................................................................................................................ 12 5.2.2 Fluidiserad bädd ...................................................................................................... 13 5.3 Rökgasrening.................................................................................................................. 13 5.4 Olika rökgasreningstekniker .......................................................................................... 14 5.4.1 Aborbenter............................................................................................................... 14 5.5 Reningsteknik................................................................................................................. 16 5.5.1 Cyklon ..................................................................................................................... 16 5.5.2 Skrubber .................................................................................................................. 17 5.5.3 Elektrofilter ............................................................................................................. 17 5.5.4 Slangfilter ................................................................................................................ 18 5.5.5 Ahlstroms NID-reaktor ........................................................................................... 21 5.5.6 Val av teknik ........................................................................................................... 21 5.6 Reningsprocessen ........................................................................................................... 22 5.7 Parametrar som påverkar................................................................................................ 22 5.7.1 Avfallsbränslet ........................................................................................................ 22 5.7.2 Absorbenterna porositet .......................................................................................... 23 5.7.3 Temperatur och relativ fukthalt............................................................................... 23 5.7.4 Uppehållstid i filtret ................................................................................................ 23 5.7.5 Kalkinsprutning....................................................................................................... 23 5.7.6 Samverkan av SO2 och HCl..................................................................................... 24 6. Avfallsförbränningsanläggningen i Borås ....................................................................... 25 6.1 Avfallsråvaran ................................................................................................................ 25 6.2 Processbeskrivning......................................................................................................... 26 6.3 Torrt rökgasreningssystem ............................................................................................. 27 6.4 Restprodukter ................................................................................................................. 28 6.4.1 Bottenaska ............................................................................................................... 28 6.4.2 Vändschaktsaska ..................................................................................................... 28 4.

(7) 6.4.3 Cyklonaska .............................................................................................................. 28 6.4.4 Filteraska ................................................................................................................. 28 7. Resultat & Diskussion........................................................................................................ 29 7.1 Sammanställning från intervjuerna med anläggningsägare ........................................... 29 7.2 Validering av on-line extern mätningsmetod på Borås Energis avfallsanläggning ....... 31 7.3 Elementarbalanser .......................................................................................................... 32 7.4 Loggade mätdata ............................................................................................................ 34 7.5 Sammanställning av de loggade mätdata från de olika driftsfallen ............................... 37 7.6 Utvärdering..................................................................................................................... 39 7.6.1 Driftsparametrar ...................................................................................................... 39 7.6.2 Kalkkonsumtion ...................................................................................................... 40 7.7 Effektiviseringspotential ................................................................................................ 42 8. Slutsatser ............................................................................................................................. 46 Referenslista............................................................................................................................ 48 Bilaga 1 Bilaga 2. Intervjufrågor Diagram mätdygn. 5.

(8) 1. Inledning Avfallsförbränning är idag ett aktuellt ämne. Från och med år 2002 ligger ett förbud i Sverige mot att deponera brännbart avfall. Motsvarande gäller för organiskt avfall från och med 2005. Detta har ökat efterfrågan på nya avfallsförbränningsanläggningar och ställt högre krav på de befintliga. Genom att förbränna avfall återvinns energi ur en annars outnyttjad källa. År 2004 utvanns 9,3 TWh genom energiåtervinning av avfall. Den utvunna energin fördelar sig på 8,6 TWh värme och 0,74 TWh el. Värmen täckte cirka 15 procent av Sveriges totala fjärrvärmebehov. [1] För att underlätta omhändertagandet av avfall har medlemsländerna i EU utformat den så kallade avfallshierkin. Denna strategi avser främst att minska avfallets mängd och farlighet och rekommenderar följande: 1.) Minimering av uppkomsten av avfall 2.) Återanvändning av produkter 3.) Materialåtervinning eller förbränning med energiutvinning 4.) Förbränning 5.) Deponering Avfallsförbränning berör punkterna 3, 4 och 5 då processen dels generar energi men även restprodukter i form av askor som går till deponi. [2, 3] Förbränning anses vara ett bra alternativ för omhändertagandet av avfall förutsatt att energin som utvinns tas till vara. I Sverige tillvaratas nästan all energi tack vare att det finns väl utbyggda fjärrnät och ett värmebehov större delen av året. [4] Deponi av avfall är det minst önskvärda alternativet och för att ytterligare stävja minskad deponering har en skatt införts på allt som deponeras, 435 kr/ton år 2006. [5] Genom att förbränna avfallet minskas andelen som går till deponi radikalt. Förbränning reducerar avfallets volym till en tiondel och vikten till cirka en fjärdedel. Andra positiva effekter vid förbränning är att smittämnen och organiska gifter destrueras. [6] Processen generar dock oönskade slaggprodukter såsom rökgas som påverkar miljön negativt. I fokus i detta projekt är de vanliga emissionerna, svaveldioxid och saltsyra. Dessa bidrar främst till försurningen av miljön. Genom att reagera med vattnet i atmosfären blir regnets pH lägre. Det sura regnet ger skadliga effekter på skog, utarmar mark på närningsämnen och påverkar sjöar negativt. Sverige har drabbats speciellt hårt, beroende på att vår berggrund inte förmår att neutralisera den sura nederbörden effektivt. Mer än en femtedel av Sveriges totala yta av skog, fjäll och sjöar bedöms idag vara försurningspåverkad. [7] Avfallsförbränningens utsläppskrav är idag hårt reglerat. Från och med januari 2006 gäller en gemensam lagstiftning för utsläpp av föroreningar för EU:s alla medlemsländer. Sverige som är känt för att ha stränga utsläppskrav tillämpar även i vissa fall hårdare utsläppskrav till vatten och luft. För svaveldioxid SO2 och saltsyra HCl ligger idag gränsvärdena på 50 mg/m3 respektive 10 mg/m3, angett i dygnsmedelvärde [8]. För att skona miljön och uppnå de rekommenderade gränsvärdena krävs omfattande rökgasrening. Trenden pekar åt rätt håll, 6.

(9) teknisk utveckling och bättre sortering av avfall har bidragit till minskade utsläpp. Ändå finns det fortfarande mycket att förbättra.. 2. Problemformulering För att rena rökgasen från svaveldioxid och saltsyra tillsätts ofta en kalkabsorbent. Rökgasreningen utnyttjar sällan den tillsatta kalkabsorbenten tillräckligt effektivt. Stora mängder måste tillföras processen för att uppnå en tillräckligt slagkraftig rening. En studie indikerade att endast 25 % av den tillsatta kalken utnyttjades som absorbent [9]. Därmed kan stor effektiviseringspotential för processen antas. Ytterligare en anledning för att förbättra processen är att minska den stora mängd restprodukt i form av filteraska som processen generar. Filteraskan klassas som farligt avfall och särskilda bestämmelser reglerar dess deponering. Detta innebär höga deponeringskostnader för anläggningsägaren. En minskad kalkförbrukning ger därmed dubbel ekonomisk vinning för anläggningsägaren, både via reducerade förbruknings- och deponikostnader. Dessutom ger en lägre kalkförbrukning stora miljövinster eftersom mindre mängd av resursen behöver brytas upp ur marken samt att mindre mängd behöver deponeras.. 3. Syfte Syftet är att genom att ändra valda processparametrar i Borås Energis avfallsförbränning optimera adsorptionen av HCl och SO2 i dess torra rökgasreningssystem för att uppnå en minskad kalkförbrukning. 3.1 Omfattning I projektet kommer ett antal olika driftfall för pannan att undersökas. Först och främst kommer pannans normal drift registreras för att agera som referenspunkt. Därefter kommer följande driftfall undersökas: •. Högre bränslefukthalt. •. Lägre rökgastemperatur. •. Lägre rökgastemperatur och högre bränslefukthalt. 3.2 Avgränsning Det geografiska området avgränsas till Sverige. Examensarbetet ingår i ett fortlöpande projekt, mätdata efter april 2006 kommer inte att bearbetas.. 7.

(10) 4. Metod Projektet innehöll ett antal olika delmoment: 1. Kunskapssammanställning 2. Validering av on-line mätningsmetod 3. Insamling av anläggningsdata 4. Utvärdering av optimeringspotential 4.1 Kunskapsinsamling För att fastställa kunskapsläget idag har en litteraturstudie på ämnet utförts. Kunskapssammanställning är förlitad på tryckta källor, artiklar och internetsökningar. De vetenskapliga artiklarna har hämtats från aktuella databaser, främst Compendex och ScienceDirekt. Kontakt med företag såsom Kvaerner Power AB, Simatek AB, Svenska Mineral samt Faxekalk har bidragit med givande input. 4.1.1 Interjuver med anläggningsägare För att inhämta värdefulla erfarenheter angående driftförhållande för torra rökgasreningssystem har interjuver med sju stycken anläggningsägare utförts. Då detta projekt har Sverige som geografisk avgränsning har driftansvariga på svenska anläggningar tillfrågats. Förutom Borås Energi har följande sex anläggningar har kontaktats: 1.) Gärdstaverket i Linköping 2.) Lidköpings Värmeverk 3.) Kristinehedsverket i Halmstad 4.) Ljungsjöverket i Ljungby 5.) Händelöverket i Norrköping 6.) Skövde Energi i Skövde Intervjuer kan generaliseras på olika sätt beroende på vilken grad av struktur intervjuaren avser sig att ha. Generellt sett finns tre olika grader strukturerad, ostrukturerad eller samtalsliknade. Grad av strukturering bestäms av vilket ”svarsutrymme” som intervjupersonen tillåts att få. För att inhämta kvalitativa data, det vill säga data som är svåra att mäta i siffror såsom erfarenheter, lämpar sig ostrukturerade eller samtalsliknade intervjuer bäst. Intervjupersonen får då mer utrymme att formulera sina svar fritt. [10] Då intervjuerna avser att insamla kvalitativ data såsom den ansvariges erfarenheter och åsikter rörande driften av ett torrt rökgassreningssystem har ostrukturerade telefonintervjuer utförts. Anledningen till att telefonintervjuer utförts var att det tidsmässigt var omöjligt att besöka alla. Dessutom ansågs möjligheten att betrakta åsikter utanför formuläret större vid telefonintervjuer. [10] 8.

(11) Intervjuer kan även kategoriseras efter vilken grad av standardisering de uppnår. Låg standardisering innebär att intervjuaren formulerar frågorna efter intervjuns gång och att frågorna inte ställs i en speciell följd. Intervjuerna som utförts i detta projekt har haft relativt hög standardiseringsgrad, då frågorna förberetts innan och utfrågningen har skett i en bestämd ordning. [10] 4.2 Insamling av anläggningsdata Branschens tidigare erfarenheter när det gäller kalks absorption av svaveldioxid och saltsyra bygger mycket på experimentella försök på mindre skala. Tack vare att panna 1 på Borås anläggning är forskningsanpassad kan den unika möjligheten att göra fullskaleförsök på en avfallsförbränningsanläggning i drift utföras. 4.2.1 Mätdata loggade på pannan Att pannan 1 är forskningsanpassad innebär att ett antal provtagningshål är strategiskt placerade längs hela förbränningsprocessen. Detta möjliggör att provtagning kan utföras i bränsleinmatningen, bädden, förbränningsrummet, vid överhettarna, ekonomisern, rökgasreningen samt i askutmatningen. På detta sätt kan en mängd information om förbränningsprocessen erhållas bland annat olika typer av temperaturer, emissionsvärden, kalk- och koldosering samt askmängder. Denna information underlättar anläggningens styrning och värden loggas on-line varje minut dygnet runt [6]. 4.2.2 Externt mätinstrument FTIR För kalkoptimeringsprojektets räkning har även ytterligare ett mätinstrument installerats, FTIR-spektrometer (Fourier Transform Infra Red). Detta mätinstrument kan i princip analysera alla ämnen som absorberar ljus i det infraröda området. Instrumentet har även den fördelen att den mäter alla dessa ämnen samtidigt, till skillnad från konventionella instrument [11]. FTIR-instrumentet som använts består av två gasceller; huvudinstrumentet MB9100 med gascellen MB100 och en DTGS-detektor samt sidoporten med gascellen Mars och en MCTdetektor [11]. I det här projektet avser FTIR att mäta variationer av saltsyra och svaveldioxid med tiden. Sonden är installerad efter cyklonen, i rökgasledningen, innan rökgasen delas upp på filterhus A & B. Detta innebär att gasen som mäts är partikelfylld. Innan FTIR registrerar emissionsvärdena renas det kvarvarande stoftet i gasen av ett stoftfilter. Ett problem som identifierats är att saltsyran och svaveldioxiden kan fastna i stoftfilter och slangar innan dess emissionsnivå registrerats. För att mätningen inte ska påverkas nämnvärt krävs bland annat att filtret byts dagligen [12]. Mätning av rökgas innehållande stoft och partiklar har en hög svårighetsgrad. Vid/under extraktion/provtagning förändras samtidigt fördelningen mellan partiklar och gas i provet och därför är helt rättvisa värden svåra att erhålla. Då fokus för detta projekt låg på att optimera kalkens användning ansågs FTIR:s mätnoggrannhet vara tillräcklig [3]. Det är dock viktigt att erinra att FTIR-värdet ofta blir lägre än våtkemiska värdet, speciellt när det gäller saltsyra. En förklaring till detta fenomen är att saltsyra beskrivs som kladdig och fastnar gärna på ytor, såsom i slangar och filter [3]. 9.

(12) För att erhålla representativa data från en varierande process kommer varje provpunkt att loggas under minst 4 dygn och varje driftläge kommer att baseras på minst 60 timmar. 4.2.3 Provtagning av fasta flöden Provtagning av fasta flöden har utförts för varje driftfall. Bränsleprovtagning påbörjas en timme innan övriga flöden och äger rum i en provtagningslucka innan inmatningen i pannan. Provtagning av vändschakt-, cyklon- och filteraska är alla baserade på samma princip. En specialdesignad provtagare sätts i fallande ström av fasta flödet. När provtagaren fyllts av askan töms provet till en 10 liters hink. Provet tas kontinuerligt under sammanlagt fyra timmar, enligt Tabell 1. Tabell 1. Provtagningsschema för pannans fasta flöden Prov/Tid (h). 1. 2. 3. 4. 2 st. 2 st. 2 st. 2 st. Vändschakt. 1 st. 1 st. 1 st. 1 st. 10 L. Cyklon. 1 st. 1 st. 1 st. 1 st. 10 L. Filter. 1 st. 1 st. 1 st. 1 st. 10 L. Bränsle. Kalk. 1 st. 5. Total prov volym 20 L. 5L. Provtagning av bottenaska uteslöts, då tidigare erfarenheter har visat att detta flöde inte påverkar svavel och klorhalten i pannan [3].. 10.

(13) 5. Bakgrund – Kunskapsläget idag 5.1 Avfallsförbränning Avfallsmängderna i samhället har ökat konstant, sedan 50-talet har avfallsmängderna sexdubblats. I Sverige år 2004 behandlades cirka 3,2 miljoner ton avfall genom förbränning med energiutvinning [1]. Avfallsförbränning har det senaste årtiondet haft ett kraftigt uppsving med en stor utbyggnad men trots det har utsläppen totalt sett i de flesta avseenden minskat, se Tabell 2. Tabell 2. Utsläpp från förbränning år 1996 och 2004 [13]. Utsläpp. 1996. 2004. Stoft (ton/år). 33. 24. Väteklorid (ton/år). 412. 101. Svaveloxider (ton/år). 1121. 337. Kväveoxider (ton/år). 1463. 1707. 2. 0.7. Dioxiner (g/år). 5.1.1 Svavel Svavel är i sin elementära form ofarligt för människor. Dess oxider är däremot mycket kända luftföroreningar. I alla organiska bränslen såsom olja, kol, naturgas, trä finns svavel närvarande. Avfall är inget undantag [4]. I Tabell 3 presenteras uppskattad svavelhalt för olika avfallsbränslen. Tabell 3. Mängd svavel i olika typer av avfall [14]. Avfallsbränslen. Uppskattad svavelhalt i avfallsbränslet g svavel/kg avfallsbränsle. Sorterat hushållsavfall. 1. Sorterat industriavfall. 3. Däck. 20. Plast. 1. Avloppsslam. 4. I förbränningsprocesser sker oxidation av svavel mycket snabbt. Merparten av svavelinnehållet kommer att oxideras och bilda svaveldioxid, SO2. Resterande del oxideras 11.

(14) ytterligare och bildar svaveltrioxid, SO3 [14]. I atmosfären reagerar föreningarna sedermera med vatten till svavelsyra, H2SO4, som är stark försurande i miljön [7]. I förbränningsprocessen reagerar en viss del av svaveloxiderna med oorganiska ämnen och binds till askan. Resterande andel följer med rökgasen och avskiljs i pannan eller i rökgasreningen. Mängden svaveloxid står i direkt proportion till mängden svavel i bränslet. [15] 5.1.2 Klor Avfallsförbränningen kännetecknas i jämförelse med till exempel träbränsleeldning av en väsentligt högre klorhalt. [16] Kloriderna i avfallet härstammar antingen från oorganiska och organiska källor. Den största källa av oorganiska klorider kommer från matrester. Anledningen till detta är att en stor mängd natriumklorid (bordssalt) finns närvarande i maten. Organiska klorider härstammar främst från plaster, framförallt PVC utgör en stor klorkälla. Stora ansträngningar görs dock för att undvika PVC och dessa plaster sorteras i möjligaste mån ut ur avfallet innan förbränning. Hushållsavfall innehåller i regel högre halt av föroreningar av klor än industriavfall, se Tabell 4. Tabell 4. Föroreningar av klor i olika typer av avfall [17]. Föroreningar Klor. mg/kg torrsubstans. Hushållsavfall. 3000-10 000. Industriavfall. 1000 – 6500. Majoriteten av bränslets klor bildar saltsyra. Mindre än en promille av kloren producerar kloraromater [18]. 5.2 Förbränningsteknik Utformningen av en förbränningspanna beror på en mängd olika faktorer såsom dess bränsle, förväntad kapacitet och användningsområde. Pannans förbränningsteknik påverkar i hög grad vilken fördelning processen ger mellan dess restprodukter. Generellt sett skapar en effektiv förbränning mindre utsläpp. Främst två tekniker är vanliga idag: rostpanna och fluidiserad bädd. Det finns några karakteristiska skillnader mellan teknikerna, bland annat bränsleinmatningen, mängden av bränsle i pannan, bränslets partikel storlek, lufttillförseln samt geometrin av pannan [19]. 5.2.1 Rostpanna Rostpanna tillhör den konventionella tekniken och de flesta pannorna i Sverige idag tillhör denna kategori. Det finns många olika typer av rostpannor och framförallt rosten kan utformas på olika sätt. Avfallet kan antingen matas på ett plant eller lutande roster/galler. Dessutom kan även rosten vara helt fast eller rörlig. Vanligt är att avfallet matas in på pannans roster och matas långsamt genom förbränningsområdet [20]. Avfallet torkas, avgasas och slutförbränns 12.

(15) till aska samtidigt som den rör sig över rosten. Lufttillförseln sker primärt via vindboxar underifrån samt sekundärt via pannas väggar. Främsta fördelen med en rostpanna är den tekniska enkelheten. En annan fördel är att en rostpanna ställer lägre krav på avfallsbränslet än en fluidiserad bädd. Detta innebär att större fraktioner kan eldas och att lägre krav ställs på bränsleberedning [19]. 5.2.2 Fluidiserad bädd Fluidiserad bädd är en teknik som utvecklats mycket under de senaste åren. Tekniken bygger på att avfallet blandas in i bädd av sand. Denna bädd sätts i rörelse genom att förbränningsluft blåses underifrån genom bädden, via munstycken. När avfallet sedan matas in över sandbädden förbränns lättare fraktioner omedelbart medan tyngre fraktioner bäddas in bland de heta sandpartiklarna och därefter förbränns. Tack vare sandbädden kan förbränningstemperaturen hållas mycket jämn, vilket möjliggör en hög utbränning av bränslet [19]. Det finns olika typer av fluidbädd; bubblande och cirkulerande och även trycksatt cirkulerande fluidbädd. I fluidbäddpannor av bubblande typ, är hastigheten på luften som blåses genom bädden låg, vilket innebär att endast en mindre andel av bäddmaterialet rycks med i flödet av rökgaser. I cirkulerade fluidbäddpannor är lufthastigheten högre genom bädden. Detta medför att bäddmaterialet virvlar med i rökgaserna. För att undvika att förbränningskärlet töms på bäddmaterial, avskiljs de medryckta partiklarna i en cyklon och återförs till bädden [17]. Cirkulerande bäddar anses vara mer flexibla än bubblande bäddar vad gäller bränsletyp, fukthalt hos bränslena samt partikelstorlek.[19] Tabell 5. Betydande skillnader mellan förbränningsteknikerna; rostpanna och fluidiserad bädd [19]. Rostpanna. Fluidiserad bädd. Förbehandling. Inga specifika krav. Omfattande. Bränsleinmatning. På rosten. Över bädden. Bädden. Fast. Flytande. Partikelstorlek. Större. Mindre. Förbränningstemperatur. 1100 oC. 850 oC. Lufttillförsel. Via vindboxar. Via munstycken. 5.3 Rökgasrening Rökgasrening som metod reducerar i allmänhet inte föreningarna utan förhindrar främst spridning genom att minska emissionsutsläpp. Det är allmänt erkänt att farliga föreningarna är enklare att kontrollera som fasta eller flytande restprodukter. Föreningarna som avskiljs finns därför i sin hela mängd representerade i restprodukten [16]. Från avfallsanläggningarna kan det identifieras två principiellt skilda typer av utsläpp. Den första typen beror helt på den mängd som finns i det inkommande avfallet. Till denna grupp 13.

(16) hör bland annat metaller, klor och svavel. Det är enbart fördelningen mellan slagg, flygaska eller rökgas som påverkas i förbränningsanläggningen. Den andra typen av utsläpp är inte förekommande i det inkommande avfallet utan dessa föroreningar produceras i förbränningsprocessen. Till denna typ tillhör främst organiska mikroföreningar såsom dioxiner [16]. Avfall är ett bränsle som innehåller mycket föroreningar. Mångfalden av material är så stor att i princip finns hela periodiska systemet representerat. Vid förbränning generar även detta avfall ett soft med en mängd varierande komponenter. Detta stoft erbjuder klor och svavel olika alternativ att bilda föreningar. Alla alkaliska jordartsmetaller (Ca, Mg, Na, K) kan bilda salter med klor och svavel såsom CaSO4, CaCl2, MgSO4, MgCl2, Na2SO4, NaCl, K2SO4 samt KCl. Detta innebär att processen i viss mån renar sig själv, eftersom alla jordartmetaller kan agera som absorbent. Föreningarna följer ofta med askfraktionerna ut ur processen. För att klara utsläppsnivåer och skona miljön krävs dock ytterligare rening som kan uppnås av en mängd olika rökgastekniker [3]. 5.4 Olika rökgasreningstekniker För emissionerna svaveldioxid och saltsyra finns olika tekniker att minimera dess halt. Avsvavling kan antingen ske under, i pannan, eller efter förbränning, som rökgasrening. Avsvavling i pannan innebär att absorbenten matas in direkt i eldstaden och under gynnsamma förhållanden, såsom rätt temperatur och god kontaktyta, binds svaveloxiden till absorbenten [15]. För avsvavling efter pannan, rökgasrening finns det även olika metoder men främst nämns två olika; våt eller torr. Båda metoderna avskiljer saltsyra och svaveloxid effektivt och uppfyller de generella utsläppskraven med marginal [21]. Den våta rökgasreningen innebär att rökgaserna antingen tvättas med vatten i en fyllkroppskolonn alternativt i en skrubber eller så kyls rökgasen ned tills att vattenångan kondenseras. I den våta metoden kommer rökgasen i kontakt med en slurry av kalk och vatten och svaveldioxiden och saltsyran avskiljs genom att bindas till kalkslammet [21]. Torr rening bygger på att en absorbent i pulverform, doseras i rökgasen som sedermera binder saltsyra och svavel. Restprodukt avskiljs tillsammans med annat stoft i ett stoftfilter, ofta ett slangfilter. Fördelen med ett torrt reningssystem är att risken för igensättning av systemet är mindre, mindre korrosion och underhåll samt lägre energi- och vattenåtgång krävs [22]. Våt-torr rökgasrening kan anses som en form av kombination av de båda metoderna. I denna metod är den tillsatta mängden vatten anpassad. En slurry bestående av kalk uppblandad en viss mängd vatten sprutas in i en reaktor. Slurryn torkar i samma steg som den reagerar med de sura komponenterna och reningssteget generar en torr reningsrest [21]. 5.4.1 Aborbenter Gemensamt för rökgasteknikerna är att någon form av absorbent tillsätts. Detta beror på att svavel- och klorföreningar är för små för att kunna urskiljas på fysisk väg. Därför krävs en rening av kemiskt slag via en tillsats av en absorbent. Absorbenternas huvudsakliga kriterium är att de ska kunna neutralisera de sura komponenterna effektivt vilket uppnås då de utnyttjar 14.

(17) sina basiska egenskaper. Kalkprodukter är kända för sina basiska egenskaper och är mycket vanliga absorbenter vid rökgasrening som form av; kalksten, dolomit, släkt kalk och bränd kalk, se Tabell 6 för överskikt av absorbenter tillgängliga för rökgasrening [23]. Det ställs höga krav på att kalkprodukterna renhet för att erhålla hög verkningsgrad. För att kunna jämföra olika absorbenters effektivitet jämförs dess BET-yta. BET-ytan är den specifika yta som deltar i reaktionen vid rökgasrening. Ju större BET-ytan desto högre reningspotential har absorbenten [24]. Ytterligare ett sätt att mäta absorbenternas effektivitet är att jämföra absorbenternas porstorlek. En stor porstorlek indikerar en effektivare rening [25]. Obearbetad kalksten och dolomit är framförallt aktuella för rökgasrening under förbränningsprocessen. Dessa produkter kan båda matas in i pannorna antingen via separat inmatning eller inblandat i bränslet. För torr rökgasrening används framförallt släckt kalk [24]. Förbehandling Kalksten bryts i form av CaCO3. Kalkstenen kan därefter förädlas till bränd kalk CaO genom en energikrävande upphettning i ugnar. Då fördrivs koldioxiden i kalkstenen och bränd kalk bildas, enligt följande reaktion: CaCO3 + värme Æ CaO + CO2 Släkt kalk För att erhålla släkt kalk, krävs ytterligare bearbetning. Den brända kalken släcks genom att vatten tillsätts. För att den släckta kalken fortfarande ska behålla sin torra konsistens släcks den med ganska exakt 23-24% vatten, enligt följande formel: CaO + H2O Æ Ca(OH)2 + värme Släckt kalk är den främsta kalkprodukten som används i torr rökgasrening. Dess normala BET-yta ligger runt 14-16 m2/g [24]. Sorbacal Sorbacal, även känd som sprängd kalk eller tvättsvamp, är en absorbent vars BET-ytan har blivit bearbetad. Genom att göra BET-ytan större blir absorbenten mer effektiv i sin rening. I laboratorieskala har ytor mellan 30-40 m2/g lyckats att uppnås vilket bör göra rening med Sorbacal två till tre gånger så effektiv som vanlig släkt kalk (14-16 m2/g.). Idag är Sorbacal mindre vanlig på marknaden då produkten är dubbelt så dyr. Fördelar gentemot den konventionella produkten är att mindre mängd krävs vilket även leder till lägre kostnad för deponi [24]. Natriumbikarbonat Natriumbikarbonat är en alternativ absorbent. Fördelen är att den som absorbent är verksam i ett stort temperaturområde 90-300 oC och att den verkar oberoende av relativ fukthalt (RH). Däremot har natriumbikarbonat ett betydligt högre kilopris än kalk, drygt dubbelt så dyr [14]. En annan nackdel är att natriumbikarbonaten måste bearbetas först, malas i en kvarn vid förbränningsanläggningen, innan den kan utnyttjas inom rökgasrening [3].. 15.

(18) Tabell 6. Olika absorbenter kräver olika grader av förbehandling före rökgasapplikation. Förbehandling före rökgasapplikation Kalksten. Kan användas direkt i pannan, används ej direkt i rökgasrening. Dolomit. Kan användas direkt i pannan, används ej direkt i rökgasrening. Bränd kalk. Kalksten upphettas i ugnar, bildar bränd kalk. Används i rökgasapplikation men kan även användas direkt i pannan. Släkt kalk. Bränd kalk som släcks med vatten. Används i rökgasapplikation men kan även användas direkt i pannan. Sorbacal. Bearbetning av BET-yta krävs. Används i rökgasapplikation men kan även användas direkt i pannan. Natriumbikarbonat. Måste malas i kvarn på plats. 5.5 Reningsteknik En mängd olika reningstekniker finns på marknaden idag. 5.5.1 Cyklon Avfallsförbränning generar i hög grad partiklar och stoft som kräver rening. Rökgasens huvudsakliga stoftavskiljning uppnås till stor del ofta i en cyklon där partiklar separeras från rökgasströmmen genom centrifugalkraft. Principen är relativt enkel. När gasströmmen tvingas att ändra rörelseriktning av cyklonen, tenderar partiklarna att fortsätta i tangentens riktning och kollidera med cyklonens väggar. Stoftet faller ned mot cyklonsspetsen, där det tas ut [23]. Uppsamlingseffektiviteten bestäms av partiklarnas storlek och densitet, strömmens hastighet och cyklonens design. Generellt sett ökar effektiviteten med ökad partikel storlek och densitet. Partiklar över en viss storlek, ofta 3-5 mikrometer, urskiljs effektivt [22]. Avskiljningsförmågan är dessutom proportionell mot tangentialhastighetens kvadrat och omvänt proportionell mot krökningsradien. Det innebär att en mindre cyklon har större avskiljningsförmåga än en större. Det är också en av anledningarna att anläggningar ofta sammanbygger flera mindre cykloner till en mulicyklon [23]. Uppsamling av mindre partiklar kan ske på olika sätt; antingen i ett slangfilter eller i ett elektrofilter. Det finns även anläggningar som har en kombination av de båda.. 16.

(19) 5.5.2 Skrubber Skrubber/våtavskiljare är ytterligare en teknik som används för att rena rökgas och innebär att rökgasen tvättas med vätska. Denna teknik kan förutom att avskilja partiklar även ta bort vissa gasformiga föroreningar. En vanlig metod är den s.k. sprayskrubbern, i vilken den stofthaltiga rökgasen får möta en vätska i sprayform. Gasströmmen renas på så sätt att stoftet binds till vätskedropparna [17]. Venturiskrubbern är ett annat vanligt exempel på våtavskiljare [17]. En fördel med venturiskrubbern är att det är möjligt att avskilja både gasformiga och partikelformiga föroreningar. Det finns dock nackdelar med tekniken. I många fall anses inte avskiljningsgraden vara tillräckligt hög. Processen generar dessutom en våt rest som på något sätt måste omhändertas. Sedimentering och slamavvattning kan bli nödvändigt [23]. 5.5.3 Elektrofilter Elektrofilter är en teknik som bygger på uppladdning av partiklar, se Figur 1. Filtret har ett antal elektroder som rökgaserna passerar. Mellan dessa elektroder läggs en hög spänning (10tals kV). När partiklarna i rökgasen passerar elektronerna laddas de av det elektriska fältet. De laddade partiklarna dras därefter mot ett antal utfällningselektroder där de fastnar. Stoftet samlas därefter upp genom att skaka eller spola utfällningselektroderna med jämna mellanrum [17].. Figur 1. Rökgasflödet genom ett elektrofilter. Rökgasens partiklar urskiljs effektivt genom att laddas i ett elektriskt fält för att sedan fällas ut i ett uppsamlingsområde [26].. Elektrofilter används på både fasta och flytande partiklar och avskiljer även små partiklar, 0.01-1 mikrometer, med hög effektivitet [26]. Moderna elektrofilter har höga avskiljningsgrader på över 99,99%. Detta innebär att stofthalterna i rökgasen inte behöver överstiga 25 mg/m3. För ännu högre avskiljning kan elektrofilter i flera steg byggas och då kan stoftemission så låg som 10 mg/m3 uppnås [17]. Det finns dock nackdelar med el-filter, förutom att de är utrymmeskrävande och dyra, är de dessutom känsliga för driftsförändringar samt anses de är dyra i underhåll [23].. 17.

(20) 5.5.4 Slangfilter Slangfilter, även kallat spärrfilter och textilfilter, är en teknik som erbjuder effektiv rening både för låga gasflöden, endast några kubikmeter per timme samt för kraftigare gasflöden, upptill flera miljoner kubikmeter per timme. Slangfiltret möjliggör även effektiv rening för olika stoftkoncentrationer, från 1 g/m3 upptill flera 100 g/m3 [4] Slangfiltrets operativa beteende beror på ett flertal parametrar såsom geometrin av slangfiltret, typ av filtermedia, kompositionen av gasen som ska renas, partiklarnas egenskaper samt filtrets temperatur och tryck [4]. Utformningen av ett slangfilter beror mycket på vilken partikellast som förväntas. Ett filter med hög last kräver ett stort filter [27]. Konstruktionen av ett slangfilter är relativt enkel. Tekniken består av en filterduk som är monterad i ett filterhus där rökgasen passerar igenom. Genom att forma filtren till cylindriska slangar, så kallade strumpor, kan effektiv rökgasrening på ett litet område uppnås. Varje slang har en diameter som varierar mellan 10-30 cm och en längd mellan 1-8 meter. På filterduken fastnar rökgasens partiklar såsom kalk, aktivt kol och föroreningar. Dessa anrikas på filterslangarna och en bildar en stoftkaka [27]. Beroende på om det är ett högbelastningsfilter eller ett filter av lågbelastningstyp anrikas partiklarna antingen på filterslangarnas utsida eller också insida. I ett så kallat lågbelastningasfilter passerar rökgasen med låg hastighet inifrån och ut, partiklarna anrikas på insidan. För ett filter av högbelastningstyp däremot passerar gasen i andra riktningen, det vill säga utifrån och inåt och därför anrikas partiklarna på utsidan [23]. Vidare i rapporten är det högbelastningsfilter som kommer behandlas. Den stoftkaka som anrikas medverkar i hög grad i reningsprocessen, vilket Figur 2 åskådliggör. Ofta har filterduken större hål än de partiklar som hela filtret renar. Anledningen är att stoftkakan i huvudsak står för reningen. När stoftkakan byggs på fastnar fina partiklar på sidan av hålen i filterduken och partiklarna överlappar hålen vilket gör genomtränligheten mindre. Därför är stoftkakans porers medelstorlek mindre än dukens medelporstorlek [28].. Figur 2. Rökgasflödet genom ett slangfilter av högbelastningstyp. Rökgasens partiklar bygger upp den renande stoftkakan. [4]. För varje lager som byggs på desto finare stoftkaka och desto effektivare rening uppnås. Då stoftkakans tjocklek ökar, ökar även trycket över filtret. När filtret når ett visst maxtryck renas stoftkakan från filtret. Det finns olika metoder att rena filtret såsom shake-deflake och pulsjet, vilka presenteras i Figur 4. Precis efter reningen är filtrets reningsförmåga nedsatt eftersom reningsförmågan ökar i takt med stoftkakans partikeluppsamling [4]. 18.

(21) Det är viktigt för filtrets funktion att reningen av strumporna sker effektivt. Om inte hela stoftkakan avskiljs från duken samtidigt krävs tätare reningscykler, processen blir ostabil. Tätare reningscykler innebär att återskapandet av stoftkakan måste ske tätare, se Figur 3. Då reningskapaciteten är som lägst precis efter rening leder en ostabil process till att färre partiklar renas totalt [4].. Figur 3. Reningseffektivitet för en filterstrumpa. Filterstrumpans tryck byggs på i takt med att stoftkakan anrikas. Vid maxtryck renas stoftkakan från filtret och processen kan därefter börja om. [28]. Slangfiltren som är fördelade i isolerbara boxar erbjuder en effektiv rening. Slangfilter med isolerbara boxar kan bytas utan att resterande filter behöver stängas av [27]. Slangfiltrets prestanda eller dess så kallade uppsamlingseffektivitet bestäms av en mängd faktorer bland annat av gasens egenskaper, valet av filter tyg, filtrationens hastighet, samt reningscykel [29]. Mekaniskt skakfilter, Shake defake Ett mekaniskt skakfilter består av en mängd strumpor. Rökgasen släpps in i botten av strumpan och renas genom att gasen går inifrån och ut ur strumpan. Reningen av ett mekaniskt skakfilter sker normalt sett inte under användning. Utan filtret renas först när gasflödet stängts av. Då skakas strumporna tills stoftkakan lossnar och faller ner i en uppsamlingsbehållare, se Figur 4A. För processer som har reningsbehov dygnet runt, till exempel avfallsförbränning, krävs flera parallella filter [4]. Simpulse 3C - Pulse Jet Design Simatek´s nya teknik kallas Simpulse 3C Filter. Denna reningsteknik innebär att varje slang pulsas endast en åt gången. Fördelen med att pulsa en slang åt gången är att alla slangar får en konstant beläggning vilket ger en aktiv adsorptionsyta över alla filter. Ytterligare en fördel är att reningen kan ske on-line. Simatek´s slangfilter utnyttjar en kombination av tryckluftsrensning och luftrensning med lägre tryck för att rena filtren från stoftkakan. Slangfiltren genomgår först en primär rening och därefter en sekundär rening. Ett specialdesignat valv är placerat högst upp i filtret, en så kallad Pulse Air Distributor (PAD) [30]. Genom att skjuta en tryckluftpuls från filtrets topp avlägsnas kakan från filterslangen. Reningen stör inte processen utan kan ske on-line. En hög puls ska säkerställa att hela filtrets djup renas [27]. Figur 4B visar ett exempel på ett filter av Puls-jet design.. 19.

(22) Figur 4. Slangfilter tillämpar olika reningstekniker av strumporna; A.) Filter av Shake-deflate design B.)Filter av Puls-jet design [4]. Filtermaterial Det finns en mängd olika alternativ av filtermaterial till exempel bomull, ull, glasfiber och en uppsjö av syntetiska fibrer. Valet av medium beror på priset och användningsområde. I Tabell 7 presenteras olika karakteristiska egenskaper för olika material [31]. Rökgasens temperatur har visat sig vara en avgörande faktor. Bomull och ull har ett temperaturtak på omkring 80 respektive 90 0C. Glasfiber har visat vara mer temperaturtålig och kan användas vid temperaturer upptill 260 0C. Syntetisk fiber har mellanliggande temperaturmax [4]. Tabell 7. Olika filtermaterial har olika resistens mot temperatur, syror och baser[4]. Filtermaterial. Rekommenderad Max temperatur, oC Motstånd mot syror. Motstånd mot baser. Bomull. 81. Dålig. Viss. Ull. 103. Bra. Dålig. Nylon. 103. Bra. Dålig. Dacron. 134. Utmärkt. Bra. Glas. 285. Utmärkt. Bra. 20.

(23) Dessutom ställs det krav på filtermaterialet är tålig mot syror och baser (alkali). Ytterligare en viktig egenskap är att filtertyget tål den upprepade rengöring. Typisk livslängd för filtermaterial är mellan 3-5 år [4]. 5.5.5 Ahlstroms NID-reaktor Ahlstrom har ett NID-system som skiljer sig lite från konventionella halvtorra och torra rökgasreningsystem. NID-systemet har fyra huvudkomponenter, reaktor, slangfilter, befuktare och styrsystem. Unikt för NID-tekniken är befuktaren som genom att tillsätta vatten skall konditionera rökgasen till rätt temperatur. Tillsatsen av vattnet hjälper till att skapa en stor kontaktyta mellan de sura gaserna och det alkaliska pulvret, vilket gör att adsorbenten används effektivt. En av fördelarna som nämns med systemet är att det anses ha en låg förbrukning av adsorbenter [32]. Systemet är dock komplext och har ofta en högre investeringskostnad än vanligt slangfilter [33]. 5.5.6 Val av teknik Vilken reningsmetod som är mest fördelaktig skiljer från situation till situation. För val av reningsteknik bör föroreningarnas partikeldiameter samt vilken avskiljningseffektivitet som eftersträvas vara fastställas, se Figur 5. För rökgasrening, där en mängd olika föroreningar med olika storlekar finns representerade, krävs ofta en kombination av ett antal tekniker.. Figur 5. Olika teknikers reningskapacitet [23]. Val av teknik är även stark beroende av vilka ekonomiska ramar som finns. Viss teknik kan ha en större investeringskostnad men den rörliga kostnaden kan vara lägre, till exempel elfilter. Andra tekniker kan ha lägre investeringskostnad men ha en hög rörlig kostnad. Slangfilter som ständigt kräver tillsättning av kostsam absorbent faller under denna kategori [31].. 21.

(24) 5.6 Reningsprocessen Adsorption betyder att en gas bringas i kontakt med en fast fas. De gasformiga föroreningarna binds därmed till den fasta fasen, den så kallade absorbenten [23]. I ett slangfilter adsorberar den tillsatta kalken, Ca(OH)2, svavel- och klorföreningar i rökgasen genom att bilda två fasta föreningar CaSO4 och CaCl2, enligt följande reaktionsformler: Ca(OH)2 + SO2 Æ CaSO3* ½ H2O + ½ H2O CaSO3 + ½ O2 Æ CaSO4 Ca(OH)2 + HCl(g) Æ CaCl2 + H2O(g) Vid ett högt kalköverskott bildar vätekloriden CaOHCl istället för CaCl2 enligt följande reaktionsformel: Ca(OH)2 + HCl (g) Æ CaOHCl + 2H2O En mängd vetenskapliga artiklar finns publicerade. Processerna har studerat och försök har utförts för att åskådliggöra vilka mekanismer och reaktioner som inträffar. Av den vetenskapliga litteraturen framkommer att reaktionshastigheten av SO2 påverkas av följande steg: 1. Diffusion av SO2 till ytan och genom porerna på absorbenten 2. Adsorption av SO2 i det bildande reaktionslagret 3. Reaktion av SO2 och bildandet av CaSO3 4. Oxidation av CaSO3 till CaSO4 Samma steg har visat sig gälla för saltsyra [34]. 5.7 Parametrar som påverkar Optimering av reningsprocessen är komplex, då så många parametrar påverkar. 5.7.1 Avfallsbränslet Bränslekvaliteten varierar oftast kraftigt på grund av olika faktorer som antingen kan vara påverkbara eller inte påverkbara. Generellt sett ger en effektiv förbehandling en effektiv förbränning [5]. Den mängd svaveldioxid och saltsyra som processen generar står i direkt proportion till avfallsbränslets innehåll av svavel och klor [3]. Hushållsavfallet kan anses relativt homogent om det betraktas i en större skala. Dess klor och svavelinnehåll är relativt konstant. Vissa variationer förekommer beroende på årstid och på områdets karaktär. Industriavfallet svavelhalt kan däremot variera avsevärt. Ökad kontroll av avfallsbränslet, till exempel utsortering av PVC, är ett sätt att minska inkommande koncentration av svavel och klor [35]. 22.

(25) 5.7.2 Absorbenterna porositet Första kriteriet för att uppnå en hög absorptions effektivitet är att ett överskott av absorbent, kalk, krävs. En annan viktig parameter som påverkar reaktionshastigheten är diffusionen av SO2 och HCl till absorbenten. Ju högre porositet desto effektivare diffusion uppnås. Porositeten bestäms av absorbentens BET-yta. En stor BET-yta karaktäriserar en god absorbent [24]. Ytterligare en faktor som förbättrar diffusionen är flygaskans förmåga att höja porositeten. Aktiviteten av flygaskan beror bland annat på ytans area och hur tillgängliga alkalimetallerna är. Så en viss mängd av flygaska närvarande i processen ökar processens reningspotential [36]. 5.7.3 Temperatur och relativ fukthalt Reaktionen mellan den sura komponenten och absorbenten sker i ett vattenlager som bildas runt absorbenten. Därför spelar rökgasreningens relativa fukthalt en kritisk roll. Det är främst två parametrar som påverkar processens relativa fukthalt; bränslet vatteninnehåll och rökgasens temperatur. Ett torrt bränsle ger en låg luftfuktighet [3]. Relativ fukthalt är ett procentvärde som anger hur många procent av den maximala mängden vattenånga som finns i rökgasen vid det aktuella förhållandet. Relativ fukthalt hänför sig alltid till en temperatur. Ju varmare gasens temperatur är desto mer vattenånga kan den innehålla. Då rökgasens temperatur sänks ökar gasens fukthalt. Därför är en lägre temperatur att föredra dock inte för låg för då kondenserar vattenångan. För att säkert undvika svavelsyrans daggpunkt krävs en rökgastemperatur på 180 oC. Pannverkningsgraden blir lägre då högre rökgastemperatur rekommenderas. Svavel och klor bildar i närvaro av vatten svavelsyra och väteklorid som är starkt korrosiva om rökgasen tillåts kondensera [37]. Därför kan lågtemperaturskorrosion vara ett problem. Detta sätter vissa begränsningar för rökgasreningen, temperaturen i filtret får sedermera inte vara får låg. Anläggningsägare vill oftast inte understiga 150 oC på grund av korrosionsrisken. Vid gaser med mkt lågt vatteninnehåll (torrt bränsle) kan drifttemperaturer på 110-120 oC i slangfiltret krävas för god reningseffekt [14]. Simatek´s torra filter har med sina runda strumpor och runda filterhus den fördelen, att så kallade kalla hörn minimeras. Det är främst i kalla hörn där korrosionen kan få fäste [38]. 5.7.4 Uppehållstid i filtret En ökad adsorption av svavelsyra och svaveldioxid kan uppnås om kalkens uppehållstid i filtret förlängs. Detta kan uppnås bland annat genom återcirkulation av kalken alternativt genom att tillämpa längre reningscykel [28]. Hur hårda villkoren är i rökgasfilter påverkar även absorptionen. Torkar absorbenten fort finns det mindre tid tillgänglig för absorption på den blöta ytan, vilket resulterar i en lägre reningseffektivitet. [39] 5.7.5 Kalkinsprutning Då kalken och svaveldioxiden samt saltsyran kommer i kontakt med varandra i reaktorn påbörjas absorptionen direkt. Beroende på under vilka förhållanden kalkinsprutningen utförs absorberas de sura ämnena olika effektivt. Injektionstrycket påverkar till exempel dropparnas 23.

(26) diameter. Försök har visat att högre tryck ger mindre droppar. Mindre droppar innebär att kalken beblandar sig bättre med rökgasen som resulterar i en effektivare rening [40]. I reaktorn är det dessutom kritiskt att rökgasen har en så pass hög hastighet att absorbenten följer med flödet. För låg hastighet gör att kalkpulvret inte följer med till filtret utan stannar i reaktorn. Detta innebär att kalken inte kommer att användas effektivt utan går via reaktorns botten ur reningssteget direkt till deponi. Den kalken når därmed aldrig filtret och kommer att deponeras, tillsammans med resten av rökgasresterna och därmed klassas som farligt avfall [35]. 5.7.6 Samverkan av SO2 och HCl Endast ett begränsat antal studier har fokuserat på samtida adsorption av svaveldioxid och saltsyra. Dessa studier indikerar att en högre HCl koncentration även ökar SO2 adsorptionsbenägenhet. [41] Detta beror på att den förening som bildas vid höga kalköverskott, CaOHCl. Denna förening har visat att den gärna reagerar med SO2, enligt följande formel: CaOHCl + SO2 + ½ H2O Æ CaSO3*½ H2O + HCl Saltsyran som frigörs i reaktionen reagerar vidare och bildar ytterligare CaOHCl, som i sin tur kan binda ytterligare svaveldioxid. Denna kedjereaktion fortsätter tills vätekloriden slutligen bildar CaCl2 istället för CaOHCl [42]. Ytterligare en anledning till svaveladsorption förbättras av Saltsyra beror på det salt som bildas, CaCl2. Detta salt har en hög löslighet i vatten vilket sänker vattendropparnas ångtryck. Detta innebär att absorbenten behöver längre tid för att torka. Svaveldioxid har längre tid på sig att reagera i vattenlagret runt adsorbenten, något som förbättrar svaveldioxidens adsorptionseffektivitet [39]. Det finns dock konkurrerande effekter, adsorption av saltsyra är termodynamisk favoriserad, vilket innebär att vid höga saltsyrekoncentrationer ersätter den absorptionen av svaveldioxid [39].. 24.

(27) 6. Avfallsförbränningsanläggningen i Borås Avfallsförbränningsanläggningen ägs av Borås Energi. Fortum står idag för operationella driften av anläggningen. Anläggningen är levererad av Kvaerner Power AB och togs i drift våren 2005 [35]. Anläggning består av två identiska 20 MW pannor. Tekniken som används är bubblande fluidiserad bädd (BFB). Pannorna i Borås är även utrustade med den nya tekniken avancerad förbränningszon (ACZ) vilket innebär att ytterligare förbränningsluft tillsätts till pannorna i tre steg samt att rökgasen recirkuleras. ACZ-tekniken skapar ytterligare turbulens i pannan vilket ger ännu högre förbränningsresultat. [6] 6.1 Avfallsråvaran Till brännbart avfall räknas både hushålls- och industriavfall. Hushållsavfallet innehåller främst papper (35-45 %) och köks- och trädgårdsavfall (25-35 %) medan papper (35-65 %) och trä (15-25 %) dominerar industriavfallet. Plast ingår i båda avfallstyperna och är en viktig beståndsdel som höjer värmevärdet. Värmevärdet i blandat brännbart avfall varierar oftast mellan ca 9-13 MJ/kg. (Emma) Avfall som mottas för förbränning med energiutvinning i Ryaverket indelas i följande klasser: 1. 2. 3. 4.. Bränslefraktion ur hushållsavfall Brännbart industri- och byggavfall Brännbart branchspecifikt industriavfall Träavfall (två kategorier). Avfallsklasserna avser enbart material som är lämpligt för förbränning. Avfallet ska, i största möjliga utsträckning, vara rent från miljöförstörande innehåll [43]. Avfallsråvaran till anläggningen i Borås kommer främst från industri, cirka 70 % och resterande från hushåll. I Borås har hushållen en sorteringsmodell för sopor som baseras på vita och svarta påsar. I svarta påsarna sorteras biologiskt nedbrytbart material medan övrigt avfall lägg i vit påse. De vita påsarna används som råvara i bränsleberedningsanläggningen. [35] Kvaliteten på avfallet har stor betydelse för förbränningsprocessen och vissa krav ställs på avfallet. Avfallsfraktionerna genomgår ett antal sorteringssteg på Sobacken, en avfallsanläggning i utkanten av Borås. Där avskiljs bland annat metallföremål och en hammarkvarn maler ner avfallet till mindre fraktioner och genom att använda en roster erhålls önskad storlek på avfallsbränslet. Avfallet/bränslet transporteras därefter till Borås Energis avfallsförbränningsanläggning. I två lagerfickor om vardera 1400 m3 lagras bränslet som säkerställer cirka 3 dagars drift [35].. 25.

(28) 6.2 Processbeskrivning Varje timme matas pannan med cirka 8 ton avfall, från lagerfickorna med hjälp av en gripglo. Se Figur 6 för en schematisk processbeskrivning över pannan i Borås med olika processdelar benämnda A-G. Innan avfallsbränslet når pannan sker ytterligare magnetavskiljning, se (A). Därefter når avfallet den så kallade ”stridsvagnen” (B). Därifrån sker den huvudsakliga styrningen av processen. Där sker bland annat regleringen av bränslets hastighet och mängd. Andra sätt att reglera processen är att bränslet kan besprutas med vatten och på så sätt kan förbränningens temperatur sänkas och den relativa fukthalten i rökgasen ökas [35].. Figur 6. Avfallsförbränningen i Borås består av två identiska 20 MW pannor, varav den ena är avbildad. Tekniken som används är bubblande fluidiserad bädd.. Avfallet blandas vid inmatningen effektivt in i pannans sandbädd (C). Genom att tillföra tillräckligt med luft uppstår bubblor som stiger uppåt i bädden vilket gör att stor del av askan som bildas följer med rökgaserna ut ur pannan. Rökgasen leds därefter igenom ett tomt schakt för att sänka dess temperatur (D). Vid botten av schaktet vänder rökgasen och leds in till en primär och en sekundär överhettare (E). Därefter leds rökgasen till cyklonen (F), för stoftavskiljning. Därefter går rökgasen och det resterande stoftet vidare, ner via luftförvärmarna, till ekonminsern (G) för ytterligare rökgasrening [35].. 26.

(29) 6.3 Torrt rökgasreningssystem Anläggningen i Borås är utrustad med ett torrt rökgasreningssystem som är utvecklad och levererad av Simatek AB. Reningen sker vid en låg temperatur och rökgastemperaturen vid filtret ligger under normala driftförhållanden på cirka 150oC [38]. Se Figur 7 för en schematisk processbeskrivning över rökgasreningssystemet med olika processdelar benämnda G-L.. Figur 7. Borås rökgasreningssystem består av en reaktor, följt av ett slangfilter med två filterhus vardera. Varje filterhus har 240 slangar som renar gasen effektivt.. Partiklarna renas genom att släkt kalk och aktivt kol tillsätts till processen i en reaktor (H). Reaktorn kan beskrivas som en stor tank. Rökgas introduceras i toppen och efter att gasen vänt vid botten möts den av insprutningen av reaktiva substanser såsom kalk och aktivt kol. Kalkinmatningen och aktivt kol matas in i samma slang. Aktivt kol tillsätts först, därefter kalken, det aktiva kolet gör det halt och underlättar inmatningen av kalken. Genom att koloch kalkinmatningen sker i motsatt riktning gentemot rökgasen skall en effektiv beblandning ske [35] Kalktillsatsen styrs av en frekvensstyrd motor som genom att mäta HCl och SO2 emissioner i rengasen bestämmer doseringens storlek. Värdena bör underskrida 8 mg/Nm3 för HCl och 40 mg/Nm3 för SO2 vid 11 % O2 och överstigs dessa värden ökar kalkens dosering [35]. Efter reaktorn når rökgasen slangfiltret (I). Slangfiltret i Borås består av två filterhus per panna. Rökgasen fördelas via en avskiljare lika till filterhusen. Varje filterhus består av 240 slangar, där föroreningarna renas effektivt. Processen generar en stor mängd rökgasreningsrest (J). En stor del av rökgasen återcirkuleras efter reningen (K) medan den resterande delen leds ut genom skorstenen (L) [35]. 27.

(30) 6.4 Restprodukter Vid förbränning generas en mängd restprodukter bland annat olika typer av askor. I Figur 8 visas en schematisk bild över en avfallspannas förbränningsprocess och dess flöden. Bottenaskan tas ut först i processen, därefter följer vändschaktsaska, cyklonaska och slutligen filteraska. Ju längre bort i processen askfraktion tas ut desto mer homogent är askfraktionen [2]. KALK + Aktivt kol. RÖKGAS. FILTERASKA. FÖRBRÄNNING AVFALL. CYKLONASKA. SAND. VÄNDSCHAKTSASKA. BOTTENASKA. Figur 8. En schematisk bild över en avfallspannas förbränningsprocess. Processen generar en mängd restprodukter, se svarta pilar. De vita pilar motsvarar de fraktioner som tillsätts processen.. 6.4.1 Bottenaska Bottenaska tas ut först i processen och består till stor del av sandpartiklar och är den mest inerta av askorna [2]. 6.4.2 Vändschaktsaska Vändschaktsaska tas ut efter bottenaskan. Den liknas sand med enstaka kolpartiklar och har en jämnare storleksfördelning [2]. 6.4.3 Cyklonaska Cyklonaska är den askfraktion som tas ut efter vändschaktsaskan och är mer finfördelad och homogen. Dess utseende kan liknas vid vetemjöl och har ett större innehåll av farliga ämnen och metaller [35]. 6.4.4 Filteraska Rökgasreningen generar stora kvantiteter av filteraska som består av förbrukad kalk, kol samt aska och skadliga ämnen från avfallet. I anläggningen i Borås sker ingen återcirkulering av kalken [35]. Utan när askan passerat filtret faller den ner i ett stup till en cellmatare som fyller 28.

No results found