ERA-Net Utvärdering av utvecklingsstatus för småskalig förbränning av pellets från nya askrika råvaror

Full text

(1)ERA-Net Utvärdering av utvecklingsstatus för småskalig förbränning av pellets från nya askrika råvaror. SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut. Marie Rönnbäck, Mathias Johansson, Frida Claesson. Energiteknik SP Rapport 2008:31.

(2) ERA-Net Utvärdering av utvecklingsstatus för småskalig förbränning av pellets från nya askrika råvaror Marie Rönnbäck, Mathias Johansson, Frida Claesson. SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut SP Technical Research Institute of Sweden SP Rapport 2008:31 ISBN 978-91-85829-48-4 ISSN 0284-5172 Borås 2008.

(3)

(4) SAMMANFATTNING I detta projekt har pellets med högre askhalt än de träpellets som marknadsförs i Sverige idag testats i tre pelletbrännare avsedda för enskilda villor. Testerna utfördes i SPs förbränningslaboratorium och testmetoden baserades på EN 303-5. Förbränningsparametrar som kolmonoxid, koldioxid, syre och kolväten uppmättes i rökgasen tillsammans med andra, mer bränslespecifika, parametrar som kväveoxider, svaveldioxid, väteklorid, totalt stoft och stoftpartiklar mass- och antalsfördelade. Stoft (flygaska) och bottenaska karaktäriserades kemiskt. Hur en hög askhalt kan inverka på förbränningen diskuteras i rapporten. Allt som allt fem pellets med 8 mm diameter testades: rapshalmspellets, rörflenspellets, kornhalmspellets, barkpellets och träpellets (gjorda på sågspån). Alla bränslena var torra med fukthalter mellan 6,5 och 12 %. Askhalten varierade från 0,3 vikt-% ts i träpelletsen till 7,9 vikt-% i rörflen. Korn hade en noterbart låg asksmältpunkt, IT var < 980 ˚C, och kunde inte eldas i någon av brännarna. Kvävehalten varierade nio gånger (mellan ved och rörflen) och svavel mer än 10 gånger (mellan trä och raps- och kornhalm). Klorhalten var mycket låg i ved och bark och mer än 20 gånger högre i rapshalm och korn. Sammansättningen av oorganiska ämnen i bränsleaskan dominerades av kalk, kalium och kisel i ved, bark och rapshalmspellets, medan rörflen och kornhalm dominerads av kisel. De tre brännarna var kommersiellt använda brännare och kända för att uppfylla höga kvalitetskrav. De representerar olika förbränningstekniker. Den här typen av brännare kan installeras i en existerande panna vilket är ett vanligt förfarande i Sverige. Brännare A är en pelletbrännare där bränsle tillförs på rosten utan någon mekanisk metod för att förflytta bottenaska på rosten under förbränningen. Bottenaska blåses bort, och eventuell kvarvarande slagg på rosten tas bort mha en skrapa före tändning. Brännare B är en uppåtbrinnande pelletbrännare där bränsle och aska knuffas uppåt och där glödbädden exponeras för den omgivande förbränningskammaren. Brännare C är en framåtbrinnande spannmålsbrännare som knuffar bränsle och aska framåt, inuti en cylinder. I brännare A var det möjligt att elda barkpellets med ett askinnehåll på 3,4 %, men lasten måste reduceras och rosten rengöras oftare än med träpellets som bränsle. Förbränningen var inte optimal och indikerade ofullständig förbränning av koksen med låg temperatur i glödbädden, vilket ledde till låg temperatur också i gasfasen och ofullständig förbränning av CO. Aska som samlades ovanpå glödbädden fungerade som ett hinder för syre att nå koksytorna. Med bränsle med ännu högre askinnehåll blev detta ännu tydligare, och förbränningen kunde inte upprätthållas. När brännare A används i en villa är förbränningsperioderna vanligen kortare (än under testen), och rengöring av rosten med skrapan med tätare intervall (än med träpellets) bör inte vara ett problem vid användning av ett bränsle som har en något högre askhalt (som bark), förutsatt att lasten och skrapfrekvensen anpassas till bränslet. För att uppnå verkligt god förbränning och god utbränning av koks, måste dock åtgärder till för att öka syrets diffusionshastighet och/eller temperaturen i rökgasen. Brännare B knuffar kontinuerligt koks och aska uppåt och slutligen över kanten på brännaren. Beroende på askans struktur och volym kommer denna att samlas till en viss höjd som täcker koksen innan den faller av. Denna ansamlade aska fungerar som ett ”lock” som effektivt täcker koksen. Syret hindras då från att nå koksen och temperaturen sjunker. Varken rörflens- eller rapshalmspellets kunde eldas i denna brännare. I denna konstruktion är glödbädden exponerad till det omgivande förbränningsutrymmet, och därför blir temperaturen i glödbädden lägre än i glödbädden i brännare C. Dock nådde kornhalmspelletsen en temperatur där de sintrade till hårda bitar som kvävde förbränningen. 4.

(5) I brännare C kommer koks och aska att kontinuerligt knuffas framåt. Färskt bränsle och glödande koks kommer då inte att täckas av aska och enklare nås av syre jämfört med glödbädden i brännare B. Den mer slutna konstruktionen håller glödbädden varmare jämfört med en konstruktion där glödbädden exponeras för omgivningen. Alla bränslen, utom kornhalm, kunde eldas i brännare C. Från förbränningstesterna i detta projekt dras slutsatsen att en ökad askhalt kan leda till försämrad förbränning och t.o.m. till att förbränningen kvävs. Försämrad förbränning visar sig i höga CO-utsläpp och (i ett fall) i låg rökgastemperatur. Aska kan utgöra ett hinder om det inte transporteras från rosten utan samlas ovanpå färskt bränsle, eller i form av ett skal runt varje enskild bränslepartikel, varvid syrets diffusionshastighet minskar. CO-emissionerna från de askrika bränslena var högre än vad som kan förväntas från en god förbränning av vedpellets. OGC-utsläppen och andel oförbränt i flygaskan, mätt som vikt-% av flygaskan efter filterprovtagning, var låga, vilket visar på en generellt god förbränning med låg andel oförbränt i form av kolväten och sot i rökgaserna. Uppmätta emissioner av SO2 och HCl i detta projekt var låga. Endast förbränning av rörflen resulterade i halter som överskred halter vid förbränning av träpellets. De låga utsläppen av SO2 och HCl mätta från bränslena i detta projekt visar att inga brådskande åtgärder behöver sättas in för att undvika korrosion. Dock är det viktigt att kontinuerligt övervaka dessa korrosiva emissioner, eftersom variationerna i halter och i asksammansättning kan komma att påverka bildningen av korrosiva gaser. Väl utsläppta genom skorstenen är dessa gaser försurande och skadliga för miljön. Om det blir en storskalig ökning i framtiden av förbränning av bränslen som innehåller svavel och klor, är det nödvändigt att reducera dessa emissioner. Emissionerna av kväveoxider följde bränslets kväveinnehåll: trä 137, bark 410, rapshalm 478 och rörflen 940 mg/Nm3 vid 10 % O2 (full last). Vid minsta last är CO-emissionen högre och emissionen av NO2 lägre än vid full last, dock är skillnaderna mellan lasterna liten, med undantag för bark. Omvandling av bränslekväve till NOx minskar med ökande halt bränslekväve. Utsläpp av totalt stoft är för rörflen liknande utsläpp för träpellets (29 – 75 mg/Nm3 vid 10 % O2), och för barkpellets något högre än 100 mg/Nm3 vid 10 % O2. För rapshalmspelleten var stoftutsläppet betydligt högre, vid full last 639 och vid minsta last 359 mg/Nm3 vid 10 % O2. Emissionerna av totalt stoft avspeglar inte direkt bränslets askinnehåll. Uppmätta massfördelningar hos partiklarna i rökgaserna visar att flygaskan huvudsakligen består av submikrona partiklar. Kemisk analys visar att de submikrona partiklarna från träeldning domineras av kalium som positiv jon och svavel och klor som negativa joner, vilket är typiskt för träaska. Partiklar från barkförbränning är gaska lika dem från träeldning, men kalium får nu sällskap av natrium, och andelen klor är högre. Partiklar från rörflen innehåller fosfor som en positiv jon tillsammans med kalium. Även här är svavel och klor viktigaste negativa jonerna. Olyckligtvis blev analysen från rapshalm förstörd. Den jämförelsebart höga halten av bränsleklor i rapshalm tillsammans med ett lågt klorinnehåll i bottenaskan och ett lågt utsläpp av väteklorid indikerar att det mesta av kloret i rapshalmen lämnar förbränningen i form av partiklar som återfinns i flygaskan.. 5.

(6) Från experimenten dras slutsatsen att utrustning som är optimerad för träpellets måste anpassas och optimeras för askrika pellets. För att nå framgång med förbränning av askrika pellets måste följande garanteras: –. Askan måste hindras från att ansamlas och täcka glödbädden.. –. Askan måste föras bort från rosten.. –. Hög askhalt fungerar som ett hinder för syrediffusion varför – koksens uppehållstid måste vara tillräckligt lång för fullständig utbränning – temperaturen i glödbädden måste vara tillräckligt hög för fullständig förbränning.. –. Förbränningen i glödbädden är en förutsättning för fullständig utbränning i gasfasen. Därför måste tillräcklig temperatur och blandning i gasfasen garanteras.. 6.

(7) SUMMARY In this project, pellets with higher ash content compared to the wood pellets used today on the Swedish market were tested in three domestic-scale burners in the combustion laboratory at SP. The tests were carried out based on EN 303-5. In the flue gas, combustion parameters as carbon monoxide, carbon dioxide, oxygen and hydro carbons were measured, and also more fuel specific parameters such as nitrogen oxides, sulphur dioxide, hydrogen chloride, total dust and particle mass- and number concentration. The dust (fly ash) and bottom ash were characterized chemically. The implications of high ash content on combustion performance are discussed in the report. Altogether five pellets with 8 mm diameter were tested: oilseed straw pellet, reed canary grass pellet (RCG), barley straw pellet, bark pellet and wood pellet. All fuels were dry ranging from 6.5 – 12 % moisture. The ash content varied from 0.3 weight-% dm in wood to 7.9 % in RCG. Barley straw has a noticeable low ash melting temperature, IT is < 980 ˚C, and could not be combusted in any of the burners. The nitrogen content varied nine times (between wood and RCG) and sulphur more than 10 times (between wood and oilseed and barley straw). The chlorine content was very low in wood and bark and more than 20 times higher in oilseed and barley. The composition of inorganic species in the fuel ash was dominated by calcium, potassium and silica in wood, bark and oilseed pellet, while RCG and barley straw were dominated by silica. The three burners used were commercial and known to fulfil high quality requirements. They represented different burner techniques. These kinds of burners that can be applied to an existing boiler are a common technique in Sweden. Burner A is a pellet burner where fuel is supplied on top of the grate with no mechanical mean for moving bottom ash on the grate during combustion. Bottom ash is blown away, and any slag remaining on the grate is removed with a scrape before ignition. Burner B is an upward burning pellet burner where fuel and ash is pushed upwards and the glow bed is exposed to the surrounding combustion department. Burner C is a forward burning grain burner that pushes fuel and ash forwards, inside a cylinder. In burner A it was possible to combust bark pellets with an ash content of 3.4 %, though the load had to be reduced and the grate had to be cleaned more frequently than with wood pellet. The combustion was not optimal and indicated insufficient combustion of the char with low temperature in the glow bed, leading to low temperature also in the gas phase which resulted in incomplete combustion of CO. The ash piling up on the glow bed acts as a hindrance for oxygen to reach the char surface. With fuels with even higher ash content this effects was even more accentuated, and combustion was not possible to sustain. Normally, when burner A is used in a house, the combustion periods are shorter (when during these tests) and cleaning of the grate with the scrape with shorter intervals (compared to wood pellets) should not be a problem for using a fuel with several percentage of ash (as for bark), provided that the load and the cleaning periods are adjusted to the fuel. Still, to achieve really good combustion and thorough burnout of char, actions have to be taken to enhance oxygen diffusion and/or temperature in the flue bed. Burner B continuously pushes the char and ash upwards and, finally, above the rim of the burner. Depending on the volume and structure of the ash it piles up to a certain height and covers the char before it falls off. The piled up ash acts at a “hat” that effectively covers the char. The oxygen is hindered from reaching the char and the temperature is lowered. Neither Reed Canary Grass pellets nor oilseed straw pellets were possible to combust in this burner. In this design, the glow bed is exposed to the surrounding 7.

(8) combustion compartment, and therefore the temperature in the glow bed is lower compared to the glow bed in burner C. Nonetheless, the barley straw pellets reached a temperature where they sintered into hard pieces that suffocated the combustion. Burner C continuously pushes the char and ash forward. In this process, fresh fuel and glowing char is not covered by ash and can more easily be reached by oxygen compared to the glow bed in burner B. Also, the closed design of the burner keeps the temperature in the glow bed higher compared to a design where the glow bed is exposed to the surrounding. All fuel, except barley straw, was possible to combust in burner C. From the combustion tests in this project it was concluded that an increase of ash content may lead to a poorer combustion and even extinction of the glow bed. Poorer combustion is manifested by high CO emissions and (in one case) low flue gas temperature. Ash can acts as a hindrance if it is not transported away from the grate but piled up above the fresh fuel, or if it forms a shell around each fuel particle and decrease the oxygen diffusion velocity. CO emissions from the ash rich fuels were higher that should be expected from good combustion of wood pellets. The OGC emissions, as well as the combustible parts of the fly ash particles, measured as weight-% of dust after filter sampling of total dust, were low, showing a generally good combustion performance with low amount of unburned hydrocarbons and soot in the flue gas. Measured emissions of SO2 and HCl in this project are low. Only combustion of RCG resulted in emission values exceeding the order of combustion of wood pellets. Because of the low emissions of SO2 and HCl measured from the fuels in this project, no urgent measures are to be taken to avoid corrosion. Nevertheless, it is important to continuously survey these corrosive emissions, because variations in fuel content and ash composition may influence the formation of corrosive gases. Let out of the chimney, these gases are also acidifying and harmful for the environment. Therefore, if there will be a massive expansion of combustion of fuels containing sulphur and chlorine in the future, it might be necessary to reduce these emissions. Emissions of nitrogen oxide follow the fuel content with: wood 137, bark 410, oilseed straw 478 and RCG 940 mg/Nm3 at 10 % O2 (full load). At minimum load, CO emissions are higher and NO2 emission lowers than at full load, though the difference in all cases but bark is quite small. The conversion of fuel nitrogen to NOx decrease with increasing fuel content. Emissions of total dust are for RCG pellets in the same order as for wood pellets (29 – 75 mg/Nm3 at 10 % O2), and for bark pellets slightly above 100 mg/Nm3 at 10 % O2. For oilseed straw pellet the dust emissions are considerably higher, at full load 639 and at minimum load 359 mg/Nm3 at 10 % O2. Emission of total dust does not directly correspond to fuel ash content. Measured particle mass concentrations show that the fly ash consists mainly of submicron particles. Chemical analyses show that submicron particles from wood combustion are dominated by potassium as positive ion, and sulphur and chlorine as negative ions, which is typical for wood fly ash. Particles from bark combustion are quite similar to particles from wood combustion, but potassium is now accompanied by sodium, and the share of chlorine is higher. Particles from Reed Canary Grass pellets exhibit phosphor as positive ion together with potassium. Also here, sulphur and chlorine are main negative ions. Unfortunately, the chemical analysis of fly ash from oilseed straw was corrupt. The comparably high fuel chlorine content of oilseed straw, the low content of chlorine in 8.

(9) bottom ash and the low emission of HCl indicates that most of the chlorine leaves as particles and are found in the fly ash. From the experiments it was concluded that appliances optimized for wood pellets will have to be further adapted to and optimized for ash rich pellets. To succeed with combustion of ash rich pellets the following has to be ensured: –. The ash needs to be hindered from piling up and cover the glow bed.. –. The ash has to be removed from the grate.. –. High ash content acts as a hindrance for oxygen diffusion and thus – char residence time has to be long enough for complete combustion of the char, – the temperature in the glow bed has to be high enough for complete char combustion.. –. Combustion of the char bed is crucial for complete combustion of CO in the gas phase. Therefore temperature and mixing in the gas phase have to be secured.. 9.

(10) INNEHÅLLSFÖRTECKNING SAMMANFATTNING. 4. SUMMARY. 7. INNEHÅLLSFÖRTECKNING. 10. 1. INTRODUKTION. 11. 1.1 1.2. Bakgrund Syfte. 11 11. 2. EXPERIMENT. 12. 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2. Experimentell planering Experimentell utrustning Bränslen Mätutrustning och analyser. 12 13 15 18. 3. RESULTAT. 19. 3.1 3.2 3.3 3.4. Brännare och förbränningsresultat Sintring och påslag Resultat från SO2, HCl, NOx och totalt stoft Partiklarnas mass- och antalskoncentration och sammansättning av oorganiskt material Innehåll i bottenaska. 19 24 26. 4. DISKUSSION. 34. 4.1 4.2 4.3. Följder av hög askhalt för förbränningen Brännarna Emissioner från de olika bränslena. 34 35 36. 5. SLUTSATSER OCH REKOMMENDATIONER. 38. 5.1 5.2. Förbränning Bränslespecifika emissioner. 38 38. 3.5. 30 33. REFERENSER. 40. BILAGA A. 41. 10.

(11) INTRODUKTION 1.1. Bakgrund. Användning av småskalig utrustning för eldning med biomassa ökar snabbt, samtidigt som konkurrensen om råvaror från skogen hårdnar. Dagens pellets tillverkas av restprodukter vid sågverken och är homogena med låg halt av kväve och aska. I takt med ökande efterfrågan kommer morgondagens bränslen att bestå av en variation av råvaror såsom odlade åkerbränslen, restprodukter från lantbruket, utsorterade avfallsfraktioner etc bredvid stamved och annat träbaserat material. Många av morgondagens bränslen kommer att ha högre askhalt och andra egenskaper som förbränningsutrustningen måste kunna hantera. Ett motiv för ökad användning av biobränslen är att de är CO2-neutrala. Men hög askhalt kan leda till höga utsläpp av stoft, och höga kvävehalter kan ge höga utsläpp av kväveoxider. Svavel och klor i bränslet kan ge höga utsläpp av svaveldioxid och väteklorid som är korrosiva och försurande. Därför är det viktigt att ta fram information om effekter av förbränning av dessa bränslen i småskalig utrustning. Samtidigt är det en utmaning att utveckla småskalig teknik så att den kan möta krav på enkel hantering och hög tillgänglighet såväl som morgondagens emissionskrav.. 1.2. Syfte. I detta projekt kommer pellets med högre askhalt än träpellets att eldas i tre brännare < 50 kW. Testerna baseras på EN 303-5 och kompletteras för att utvärdera effekterna av hög askhalt och askans egenskaper. Bredvid de mätningar som krävs i EN 303-5 (CO, CO2, O2, OGC och totalt stoft) kommer även NOx, SO2, HCl och partiklarnas storleks- och antalsfördelning att mätas. Flyg- och bottenaska karaktäriseras kemiskt. Följden av en hög askhalt på förbränningen diskuteras i rapporten.. 11.

(12) 2. EXPERIMENT. 2.1. Experimentell planering. Fem bränslen testades i tre brännare avsedda för villor. Experimenten skedde i SPs förbränningslaboratorium. Testerna baserades på EN 303-5. Testriggen visas i annex A.6 i EN-304. I standarden föreskrivs 6 timmar långa testperioder vid nominell last och vid enligt tillverkaren minsta last, dock inte över 30 % av nominell last. Förutom mätningar av CO, CO2, O2, OGC, totalt stoft, NOx, SO2, HCl och partiklarnas mass- och antalsfördelning iakttogs slaggning, förbränningsprestanda etc. Flyg- och bottenaska karaktäriserades kemiskt. Mätningarna följde testplaneringen i Tabell 1. Det var inte alltid möjligt att fullfölja 6 timmars kontinuerlig förbränning, och avvikelser beskrivs i varje fall. Tabell 1. Test plan vid SP Energteknik.. Bränsle Mätningar i rökgasen kontinuerliga instruments Våtkemisk analys Filter Partiklarnas antalskoncentration Partiklarnas masskoncentration Andra mätningar Andra observationer inverkan av hög askhalt Analyser I totalt stoft Stoft från DLPI, partikelstorlekar Bottenaska. Mätt parameter Fukt. Kommentarer Alla bränslen. CO/CO2, O2, OGC, NOx SO2, HCl Totalt stoft ELPI. Full och minsta last Medelvärde av 6 timmar Full last Full och minsta last Full last. DLPI. Full last. Avgiven effekt. Full och minsta last. Sintring i bränslebädden och i Visuella observationer efter bottenaskan, påslag på varje test1 värmeväxlarytor Oförbränt Full last sex Huvudelement (Na, K, Ca, Full last Mg, Zn, Al, Si, Fe, Mn, Ba, P, S, Cl) Full last Oförbränt Huvudelement (Na, K, Ca, Mg, Zn, Al, Si, Fe, Mn, Ba, P, S, Cl). 1. Bottom ash was categorized according to the following: Category 1: Only slightly sintered ash that falls apart when touched. Category 2: Somewhat sintered ash that keeps together when touched but can be broken apart. Granules are easily distinguished in the material. Category 3: Sintered ash still possible to brake into pieces. Granules are still possible to distinguish, but melted material/parts can be seen by eye. Category 4: Totally sintered ash, not possible to break apart by hand. The ash has melted and formed larger blocks. No individual granules are possible to distinguish by eye. 12.

(13) 2.2. Experimentell utrustning. Två brännare avsedda för träpellets och en för spannmål användes för experimenten. De anslöts till en panna av märket Combifire från Ved & Solteknik, Långshyttan. Pannan anslöts till en testrigg med pump, flödesmätare, ventiler och värmeväxlare. Samma typ av panna används vid certifiering och P-märkning av brännare för träpellets och spannmål. De tre brännarna representerar olika teknik. Brännare A är en Janfire NH för vedpellets med en nominell effekt på 20 kW (för vedpellets). Brännaren är P-märkt och uppfyller höga kvalitetskrav. Pelletsen faller ned på en rost. Rosten är försedd med en skrapa som rengör rosten från eventuell kvarvarande aska eller sintrat material före varje start. Pelletsen tänds med varmluft en elektrisk glödtråd. Brännarkoppen är ganska stor för att tillse utbränning av bränslet. Glödbädden exponeras för brännarkoppens väggar och en flamriktare, så temperaturen i glöden hålls hög. Figur 1 visar brännaren och Figur 2 en närbild på rosten och askskrapan.. Figur 1. Brännare A: Janfire NH träpellets brännare. Flamman riktas uppåt-framåt.. Figur 2. Närbild av rosten med askskrapan.. En principbild över den teknik som brännare A representerar visas i Figur 3. Luft tillförs delvis genom glödbädden och delvis genom hål i den övre delen av brännaren. När träpellets eldas kommer oorganiskt material att till största delen följa med gasflödet ut ur koppen och samlas på botten av pannan.. Figur 3. Principskiss av brännarteknik representerad av brännare A. Brännare B är en Ecotec Bioline 20 för träpellets med en nominell effekt på 15 kW (ör träpellets), se Figur 4. Brännaren är P-märkt och uppfyller höga kvalitetskrav. I den här konstruktionen knuffas bränsle hela vägen in i brännaren med skruv, varvid aska och 13.

(14) eventuellt sintrat material knuffas ut över kanten på brännaren. Glödbädden exponeras mot taket i förbränningsutrymmet, och, beroende på panna kyls glödbädden genom värmeutbyte med de ytor som har lägre temperatur. En principbild över den teknik som brännare B representerar visas i Figur 5.. Figur 4. Brännare B: Ecotec Bioline 20 Figur 5. Principskiss av träpellets brännare. Flamman riktas uppåt. representerad av brännare B.. brännarteknik. Brännare C är en AgroTec-brännare för spannmål, Se Figur 6. Brännaren är inte P-märkt men testades i ett tidigare projekt [1] och uppfyllde då höga kvalitetskrav. Med havre var effekten 14 kW. I den här brännaren knuffas bränsle hela vägen in i den framåtriktade brännarcylindern och aska och eventuellt sintrat material knuffas ut genom den främre öppningen. Under förbränningen är glödbädden exponerad mot cylinderns innersida och temperaturen i glödbädden bevaras ganska hög. En principskiss som representerar den här typen av brännarteknik visas i Figur 7.. Figur 6. Brännare C: AgroTec Figur 7. Principskiss av spannmålsbrännare. Flamman riktas representerad av brännare C. framåt.. brännarteknik. 14.

(15) 2.2.1. Bränslen. Tre bränslen pelleterads på BTK (Enheten för Bioteknik och Kemi): rapshalms, rörflen och kornhalm. Barkpellets köptes från Södra Cell AB. Alla pelletterna hade diametern 8 mm. Bränslena analyserades av BTK, se Tabell 2. Innehåll av oorganiska ämnen visas även i Figur 8 och innehåll av aska som vikt-% i torrsubstans i Figur 9 för att underlätta jämförelse mellan bränslena. •. Alla bränslena var torra från 6,5 % i träpellets till 12 % i rörflen.. •. Aska som vikt-% i ts var: trä 0,3 %, bark 3,4 %, rapshalm 4,7 %, kornhalm 6,6 % och rörflen 7,9 %.. •. Flykthalt som vikt-% i torrt, askfritt var: 75,8 % i bark och 80,5 – 85,4 % i övriga bränslen.. •. Trä och rapshalm hade asksmälttemperaturer > 1500 ˚C. Rörflen hade en initial smälttemperatur IT på 1350 ˚C och bark hade IT 1250 ˚C. Bara kornhalm hade en noterbart låg smälttemperatur; IT var < 980 ˚C.. •. Sammansättningen av oorganiska ämnen i askan var snarlika i trä, bark och rapshalm, vilka dominerades av kalk, kalium och kisel, se Figur 8. Trä och bark innehöll också en högre andel aluminium och järn. Rörflen och kornhalm dominerades av kisel. Andelen kalk och kalium var lägre i rörflen än i trä, bark och rapshalm, se Figur 8, medan det absoluta innehållet av kalium var snarlika hos bark och rörflen, se Figur 9. I kornhalm var det absoluta innehållet av kalk högre än i rapshalm, och det absoluta innehållet och andelen kalium var betydligt högre. De låga halterna av kalium och klor i rörflen är typiska för rörflen skördat på våren.. •. Skillnaden i kvävehalt var mer än 9 gånger. Kväve som vikt-% i ts var: trä 0,1 %, bark 0,4 %, rapshalm 0,5 %, kornhalm 0,7 %, rörflen 0,9 %.. •. Svavelhalten var mycket låg i trä och bark och cirka 10 ggr högre i rörflen, raps och kornhalm. Svavel som vikt-% i ts var: trä < 0,01 %, bark 0,03 %, rörflen 0,11 %, rapshalm och kornhalm 0,13 %.. •. Klorhalten var lägre i trä och bark och endast något högre i rörflen. I rapshalm var klorhalten 20 ggr högre än i trä och bark. I kornhalm var klorhalten noterbart hög. Cl som vikt-% i ts var: trä < 0,01 %, bark 0,01 %, rörflen 0,04 %, rapshalm 0,18 % and kornhalm 0,71 %.. 15.

(16) Tabell 2. Bränsleanalyser. Alla bränslen var pellets med 8 mm diameter. Enhet Trä Bark Raps Rörflen halm Torrsubstans % 93,5 90,9 90,4 88 Fukt % 6,5 9,1 9,6 12 % i ts Aska 0,3 3,4 4,7 7,9 Lägre värmevärde MJ/kg ts 19,13 17,77 17,57 17,31 Bulkdensitet kg/m3 5741 679 590 568 % i ts Svavel <0,01 0,03 0,13 0,11 % i ts Kväve 0,1 0,4 0,5 0,9 % i ts Väte 6 5,9 6 5,9 % i ts Kol 50,6 52,5 47,2 45,9 % i ts Syre 43 37,8 41,3 39,4 % i ts Klor <0,01 0,01 0,18 0,04 % i ts Flykt 85,1 73,2 78,9 76 Flykt % of af ts 85,4 75,8 82,8 82,5 Asksmältpunkt IT °C 1550 1250 1590 1350 Asksmältpunkt ST °C 1550 1340 1590 1530 Asksmältpunkt HT °C 1550 1400 1590 1580 Asksmältpunkt FT °C 1550 1420 1590 1590 Organiska askkomponenter Si % i ts 0,01 0,37 0,30 2,77 Ca % i ts 0,07 0,85 1,18 0,22 Al % i ts 0,02 0,08 0,01 0,06 Fe % i ts 0,004 0,04 0,01 0,05 K % i ts 0,03 0,20 0,51 0,24 Mg % i ts 0,01 0,08 0,08 0,07 Mn % i ts 0,01 0,05 0,003 0,02 Na % i ts 0,001 0,03 0,06 0,02 P % i ts 0,005 0,05 0,07 0,01 Ti % i ts 0,0001 0,03 0,0005 0,004 1 Mätt av VTT. Korn halm 90,7 9,3 6,6 17,41 535 0,13 0,7 5,7 46 40,2 0,71 75,2 80,5 <980 990 1100 1190. 0,86 0,30 0,03 0,03 0,73 0,06 0,002 0,13 0,11 0,002. 100%. Composition (weight-%). 90% Si Ti P Na Mn Mg K Fe Ca Al. 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Wood. Bark. Oilseed straw. RCG. Barley straw. Figur 1. Fördelning av oorganiska ämnen i bränsleaskor. 16.

(17) Content in dry matter (weight-%). 4 3,5 Si Ti P Na Mn Mg K Fe Ca Al. 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Wood. Bark. Oilseed straw. RCG. Barley straw. Figur 2. Innehåll av oorganiska ämnen i bränsleaskor som vikt-% i ts.. 17.

(18) 2.2.2. Mätutrustning och analyser. Mätinstruments och analyser visas i Tabell 3 och Tabell 4. Tabell 3. Mätinstrument. Beteckningar refererar till SPs kvalitetssystem.. Instrument Thermocouple type K Dust sampling equipment, STL-Medi Dust sampling equipment, STL-Combi CO/CO2-analyser type Binos (NDIRinstrument) O2-analyser type M&C Model PMA 10 (paramagnetic instrument) O2-analyser type M&C Model PMA 10 (paramagnetic instrument) THC-analyser type JUM (FID-instrument) NO, NO2 EcoPhysics 70 (paramagnetic instrument) Gas watch with pump for wet chemical analysis. Beteckning ETf-QD Db 2 Inventory no. 200 399 Inventory no. 202 743 Inventory no. 202 045. Measured parameter Flue gas temperature Dust CO2 CO O2 THC propane equivalences NO2. Measurement uncertainties + 3ºC < 10 % at an increase of > 20 mg + 0,3 % CO2 + 450 ppm CO + 0,46 % O2 3-300 A ± 3 ppm ± 31 ppm. Inventory no. 202 589 Inventory no. 202 342 Inventory no. 201 664 Inventory no. 202 106 Inventory no. 200 619. Tabell 4. Mätinstrument och analyser.. Parameter HCl, väteklorid SO2, svaveldioxid Particle mass concentration. Unburt in bottom ash Unburt in fly ash. Instrument eller analys Wet chemical absorption followed by IC-TCD analysis Wet chemical absorption followed by IC-TCD analysis DLPI, Dekati Low Pressure Impactor Particle interval: 30 nm – 10 µm ELPI, Electrical Low Pressure Impactor Particle interval: 7 nm – 10 µm Leaching of particles followed by chemical analysis of Cl-, SO42- with the instruments 861 Advanced Compact IC and Metrosep A Supp 5, both from Metrohm Al, Ba, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, P, Si and Zn was analysed with an ICP-OES-instrument Optima 3000 DV from Perkin Elmer Leaching Oven at 550 ºC. Measured parameter SO2 HCl. Measurement uncertainties Estimated to + 11-20 % Estimated to + 11-20 %. Particle number concentration Inorganic components in dust from DLPI. 18.

(19) 3. RESULTAT. 3.1. Brännare och förbränningsresultat. Testerna utfördes enligt Tabell 5. Kontinuerligt mätta emissioner visas i Figur 10 – Figur 17. Tidsmedelvärderade emissionsnivåer tillsammans med uppmätt totalt stoft, SO2 och HCl visas i Figur18 – Figur 33. En tabell med detaljerade förbränningsresultat visas i Bilaga A. Tabell 5. Summering av bränslen och brännare under testerna.. Bränsle Träpellet full last Träpellet minsta last Rörflenspellet full last Rörflenspellet minsta last Barkpellet full last Barkpellet minsta last Rapshalmspellet full last Rapshalmspellet minsta last Kornhalmspellet. Brännare B. Kommentar Bör vara möjligt i alla tre brännarna. B C. Försök i A och B misslyckades, förbränningen släcktes av ansamlad aska. C A. Förbränningen okay men först ändrade inställningar för brännaren. efter. A C. Försök i A and B misslyckades, förbränningen släcktes av ansamlad aska. C Ej möjligt på grund av slaggning. Brännare A är utvecklad för träpellets med låg askhalt. När träpellets eldas blåser askan bort från rosten av primärluften. nominell effekt är 20 kW. Varje förbränningsperiod startar med att skrapan rör sig några gånger fram och tillbaks över rosten och rengör den från eventuell aska och slagg. Brännare A användes, efter några ändrade inställningar, för barkpellets med en askhalt på 3,4 %. Lasten måste minskas (15,7 kW) och den aska som samlades på rosten måste avlägsnas manuellt efter tre timmars kontinuerlig drift då glödbädden hotade att släckas av ansamlad aska. Tid mellan skrapningarna valdes till 180 minuter vid full last. Vid skrapningarna töms rosten och pannan måste återstartas. Tiden då skrapan rör sig och återstarten är inte medräknat vid beräkning av medelvärden, se Figur 14. Vid minsta last 4,2 kW, justerades tiden mellan skrapningarna till 105 minuter, se Figur 15. Förbränningen var inte optimal. Medelvärden för CO var vid full 360 och vid minsta last 576 mg/Nm3 vid 10 % O2 vilket är högre än vad normalt accepteras. Medelvärden visas i Figur 22-23 (full last 15,7) och Figur 30-31 (minsta last 4,2).. 19.

(20) 20. Wood pellet 12,8 kW. 3 200. OGC mg/Nm3 at 10 % O2. 20. O2 vol-% in dry gas. CO mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. CO mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 10. 1 600. 5. 10. 800. 0 0. 100. 200. 800. 0 0. 100. Time (minutes). Reed Canary Grass pellet 13,3 kW. 200. 3 200. OGC mg/Nm3 at 10 % O2. Figur 11. Emissioner av OGC, NO2 och O2. Träpellets, minsta last 5,2 kW. 20. RCG pellet 7,8 kW. O2 vol-% in dry gas. O2 vol-% in dry gas CO mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 10. 1 600. 5. 10. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 800. 0. 0 400. 0. 100. Time (minutes). Bark pellet 15,7 kW. 3 200. OGC mg/Nm3 at 10 % O2. 40. Bark pellet minimun power 4,2 kW. 1 600. 5. 800. 200. 300. NO2 mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 30. 20. 2 000. 10. 1 000. 0 400. 0 0. 100. Time (minutes). Oilseed straw pellet 11,9 kW. 3 200. OGC mg/Nm3 at 10 % O2. 20. O2 vol-% in dry gas CO mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 5. 800. 0 200. 300. 0 400. Time (minutes). Figur 16. Emissioner av OGC, NO2 och O2. Rapshalmspellet, full last11.9 kW.. Oilseed straw pellet 8,8 kW. 2 400 CO, NO2. 1 600. NO2 mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 15 OGC, O2. 2 400 CO, NO2. OGC, O2. 10. 100. 0 400. 3 200. OGC mg/Nm3 at 10 % O2. O2 vol-% in dry gas NO2 mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 0. 300. Figur 15. Emissioner av OGC, NO2 och O2. Barkpellet, minsta last 4,2 kW.. CO mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 15. 200 Time (minutes). Figur 14. Emissioner av OGC, NO2 och O2. Barkpellet, full last 15,7 kW. 20. 3 000 CO, NO2. 2 400 CO, NO2. OGC, O2. 10. 100. O2 vol-% in dry gas. OGC, O2. NO2 mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 0. 4 000. OGC mg/Nm3 at 10 % O2 CO mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. CO mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 0. 0 400. 300. Figur 13. Emissioner av OGC, NO2 och O2. Rörflenspellets, minsta last 7,8 kW.. O2 vol-% in dry gas. 15. 200 Time (minutes). Figur 12. Emissioner av OGC, NO2 och O2. Rörflenspellets, full last 13,3 kW. 20. 2 400. 1 600. 5. 800. 0. NO2 mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 15. CO, NO2. OGC, O2. CO, NO2. 2 400. OGC, O2. NO2 mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 0. 3 200. OGC mg/Nm3 at 10 % O2. CO mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 15. 0 400. 300. Time (minutes). Figur 10 Emissioner av OGC, NO2 och O2. Träpellets, full last 12,8 kW. 20. 2 400. 1 600. 5. 0 400. 300. NO2 mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 15. CO, NO2. OGC, O2. CO, NO2. 2 400. OGC, O2. NO2 mg/Nm3 at 10 % O2 in dry gas. 15. 3 200. OGC mg/Nm3 at 10 % O2. Wood pellet 5,2 kW. O2 vol-% in dry gas. 10. 1 600. 5. 800. 0 0. 100. 200. 300. 0 400. Time (minutes). Figur 17. Emissioner av OGC, NO2 och O2. Rapshalmspellet, minsta last 8,8 kW.. 20.

(21) Rapshalmspellets med ett askinnehåll på 4,7 % testades i brännare A men, trots flera försök att justera luft, last och skrapfrekvens, släcktes glödbädden av ansamlad aska. Det gick att upprätthålla förbränningen men den var då ofullständig och flamvakten stängde brännaren efter 40. Rapshalmspellets eldades med framgång i brännare C men CO var högre än vad som normalt accepteras för träpellets, 940 vid full last och 1168 mg/Nm3 vid % O2 vid minsta last, se Figur 16, Figur 24, Figur (full last 11,9 kW), och Figur 17, Figur 32, Figur 33 (minsta full last 8,8 kW). Minsta last 30 % var inte möjligt att justera in då förbränningen blev så dålig. Rörflenspellets hade en askhalt på 7,9 %, och askan föll inte ihop utan formade “skelett” som lätt täckte glöden och hindrade syre från att nå färskt bränsle. Brännare A stängdes efter en kort stund. Brännare B testades också men förbränningen var dålig. Brännare C fungerade framgångsrikt vid at full last (13,2 kW) med CO 153 mg/Nm3 vid 10 % O2, se Figur 12. Brännare C är försedd med en skruv som knuffar bränslet framåt i brännaren. Högen med “askskelett” visas i Figur 34. Det var svårt att justera förbränning av rörflenspellets till en minsta last på 30 %. Till slut ställdes en minsta last på 7,8 kW in med CO 426 mg/Nm3 vid 10 % O2, se Figur 13. Askan måste dock knuffas undan manuellt flera gånger under testtiden. Medelvärderade emissionsvärden visas i Figur 20, Figur 21 (full last 13,3 kW), och Figur 28, figur 29 (minsta last 7,8). Pellets gjorda av kornhalm hade en asksmältpunkt lägre än 980 ºC. Försök gjorde i brännare C, men förbränningen gick inte att upprätthålla och rök började komma ut genom bränsleinmatningen. Stora sinterkakor återfanns på botten av den cylindriska brännaren. Försök gjordes i brännare B som har en lägre temperatur i glödbädden, men förbränningen var dålig och ”stabiliserades” på 6000 ppm CO. Testerna med kornhalmspellets avslutades. Bildad slagg i brännare B visas i Figur 35. Träpelletsen eldades framgångsrikt i B. Från tidigare erfarenhet är det känt att träpellets kan eldas i alla de tre brännrna; brännare B valdes helt enkelt för att den var monterad på pannan. CO var vid full last 216 och vid minsta last 338 mg/Nm3 vid 10 % O2, se Figur 10, Figur 18, Figur 19 (full last 12,8), och Figur 11, Figur 26, Figur 27 (minsta last 5,2 kW). Denna brännare används normalt inte vid reducerad last och därför gjordes inga försök att justra in en bättre förbränning vid minsta last.. 21.

(22) Följande figurer visar medelvärderade emissioner vid full last. Wood pellet 12,8 kW. 800. 600. 10. 400. 5. 200. 0. 0 OGC. HCl. Figur 18. Medelvärde och stdv av O2 och OGC från 360 minuter. Medelvärden av HCl och SO2 från 130 minuter. Träpellets, full last 12,8 kW. Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2). 30. CO. SO2. Reed Canary Grass pellet 13,2 kW. 25. Dust. 800. Reed Canary Grass 13,2 kW. 600. 20. 400. 15. 10. 200. 5. 0. 0 O2. OGC. HCl. NO2. 800. Bark pellet 15,7 kW. Dust. Figur 21. Medelvärde och stdv av CO and NO2 från 251 minuter. Medelvärden av stoft från 120 minuter. Rörflenspellets, full last 13,2 kW. Bark pellet 15,7 kW. Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2). 15. CO. SO2. Figur 20. Medelvärde och stdv av O2 och OGC från 251 minuter. Medelvärden av HCl och SO2 från 120 minuter. Rörflenspellets, full last 13,2 kW. Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2). NO2. Figur 19. Medelvärde och stdv av CO and NO2 från 360 minuter. Medelvärden av stoft från 120 minuter. Träpellets, full last 12,8 kW. Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2 ). O2. 600. 10. 400. 5. 200. 0. 0 OGC. HCl. Figur 22. Medelvärde och stdv av O2 och OGC från 250 minuter. Medelvärden av HCl och SO2 från 120 minuter. Barkpellet, full last 15,7 kW. 15. CO. SO2. Oilseed Straw pellet 11,9 kW. NO2. Dust. Figur 23. Medelvärde och stdv av CO and NO2 från 250 minuter. Medelvärden av stoft från 120 minuter. Barkpellet, full last 15,7 kW. 1400. Rape straw pellet 11,9 kW. Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2). O2. Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2). Wood pellet 12,8 kW. Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2). Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2). 15. 1200 1000. 10. 800 600. 5. 400 200 0. 0 O2. OGC. HCl. SO2. Figur 24. Medelvärde och stdv av O2 och OGC från 360 minuter. Medelvärden av HCl och SO2 från 122 minuter. Rapshalmspellet, full last 11,9 kW.. CO. NO2. Dust. Figur 25. Medelvärde och stdv av CO and NO2 från 360 minuter. Medelvärden av stoft från 120 minuter. Rapshalmspellet, full last 11,9 kW. 22.

(23) Följande figurer visar medelvärderade emissioner vid minsta last. Average in mg/Nm in dry gas at 10 % O2). Wood pellet 5,2 kW. 25. 3. 15 10. 400. 200. 5 0. 0 OGC. Figur 26. Medelvärde och stdv av O2 och OGC från 360 minuter. Träpellets, minsta last 5,2 kW. 30 Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2 ). Reed Canary Grass pellet 7,8 kW. 25. CO. NO2. Dust. Figur 27. Medelvärde och stdv av CO and NO2 från 360 minuter. Medelvärden av stoft från 120 minuter. Träpellets, minsta last 5,2 kW. 800. Reed Canary Grass 7,8 kW. Average in mg/Nm in dry gas at 10 % O2). O2. 600. 20. 3. 15 10. 400. 200. 5. 0. 0 O2. CO. OGC. Figur 28. Medelvärde och stdv av O2 och OGC från 362 minuter. Rörflenspellets, minsta last 7,8 kW.. NO2. Bark pellet 4,2 kW. Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2). Bark pellet 4,2 kW. Dust. Figur 29. Medelvärde och stdv av CO and NO2 från 362 minuter. Medelvärden av stoft från 120 minuter. Rörflenspellets, minsta last 7,8 kW. 1400. 30 Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2). Wood pellet 5,2 kW. 600. 20. 3. 800 Average in mg/Nm in dry gas at 10 % O2). 30. 1200. 25. 1000. 20. 800. 15. 600. 10. 400. 5. 200. 0. 0 O2. CO. OGC. Figur 30. Medelvärde och stdv av O2 och OGC från 239 minuter. Barkpellet, minsta last 4,2 kW.. 1400 Oilseed straw pellet 8,8 kW. Dust. Oilseed straw pellet 8,8 kW. Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2). Average in mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2). 30. NO2. Figur 31. Medelvärde och stdv av CO and NO2 från 239 minuter. Medelvärden av stoft från 120 minuter. Barkpellet, minsta last 4,2 kW. 1200. 25. 1000. 20. 800. 15. 600. 10. 400. 5. 200. 0. 0 O2. OGC. Figur 32. Medelvärde och stdv av O2 och OGC från 381 minuter. Rapshalmspellet, minsta last 8,8 kW.. CO. NO2. Dust. Figur 32. Medelvärde och stdv av CO and NO2 från 381 minuter. Medelvärden av stoft från 120 minuter. Rapshalmspellet, minsta last 8,8 kW. 23.

(24) 3.2. Sintring och påslag. Efter varje förbränning kategoriserades bottenaskan enligt följande: 1. Endast svagt sintrad aska som faller ihop vid beröring. 2. Något sintrad aska som håller ihop vid beröring men kan brytas sönder. Granuler är tydligt urskiljbara. 3. Sintrad aska som fortfarande kan brytas i bitar. Granuler kan fortfarande urskiljas, men smält material/bitar kan urskiljas. 4. Helt smält material, inte möjligt att bryta sönder för hand. Askan har bildat smälta bitar. Inga enskilda granuler kan urskiljas med blotta ögat. Bottenaska från barkpellets kategoriserades som 2 och från kornhalm korn som 4. Övriga bränslen sintrade inte. Resultaten summeras i Tabell 6. Slagg som bildats vid förbränningsförsöken med kornhalmspellets visas i Figur 35. Tabell 6. Summering av kategorisering av bottenaska och påslag.. Träpellets Rörflenspellets Barkpellet Rapshalmspellet Kornhalmspellet. Askkategori 1 1 2 1 4. Påslag Mycket lite, grått Mer än trä, mindre än bark, svart Mycket, svart Mycket, vitt Förbränning inte möjlig. Efter varje förbränningstest inspekterades förbränningsutrymmet. Träpellets gav mycket lite påslag, i grå ton. Rörflen gav mer, och svart, påslag. Barkpellet gav mer än än rörflen, också detta svart. Rapshalmspellet resulterade i ett tjockt lager vitt påslag, se Figur 36.. Figur 34. “Askskelett” bildade vid förbränning av rörflenspellets i brännare C.. 24.

(25) Figur 35. Slagg i brännare B efter förbränning av kornhalmspellets.. Figur 36. Aska och påslag efter förbränning av rapshalmspellets. Brännare C.. 25.

(26) 3.3. Resultat från SO2, HCl, NOx och totalt stoft. Under förbränningen kan det svavel som finns i bränslet bindas i föreningar med hög smälttemperatur i bottenaskan, exempelvis kalciumsulfat, CaSO4, eller bilda aerosoler som sedan återfinns i flygaskan, exempelvis kaliumsulfat, K2SO4, eller bilda gasformiga ämnen, huvudsakligen svaveldioxid, SO2. Bränsleklor kan stanna i bottenaskan, eller återfinnas i flygaskan, exempelvis som kaliumklorid, KCl, eller bilda gasformig väteklorid, HCl. Rökgas absorberades under 2 timmar vid full last och analyserades sedan. Emissioner av SO2 och HCl visas i Figur 37 och Figur 39 tillsammans med maximalt möjliga halter beräknade från bränslets innehåll. Resultat från tidigare mätningar med havre visas i samma diagram. Uppmätta emissioner av SO2 från trä och bark är låga, 1 respektive 2 mg/Nm3 vid 10 % O2. Emissionerna utgör mellan 3 % (träpellets) och 4 % (barkpellet) av maximal möjlig omvandling av svavel till svaveldioxid, se Figur 38. Utsläpp från rörflenspellets och rapshalmspellets är 25 respektive 9 mg/Nm3 vid 10 % O2. Detta utgör mellan 9 % (rörflenspellets) och 3 % (rapshalmspellet) av maximalt möjlig omvandling. Detta kan jämföras med förbränning av havre där i princip allt svavel omvandlas till svaveldioxid.. SO2 mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2. Uppmätta utsläpp av HCl i detta projekt var generellt låga, 1 och mg/Nm3 vid % O2, vilket utgör mellan % (rapshalmspellet) och 17 % (träpellets) av maximalt möjligt utsläpp av väteklorid, se figur 40. Detta kan jämföras med förbränning av havre där mellan 70 och 98 % av bränslets klor omvandlades till väteklorid.. 360. Measured SO2 Max SO2. 270. 180. 90. 0 Wood full load. RCG full load. Bark full load. Oilseed full load. Oat in PelLing. Oat in Agrotec. Figur 37. Uppmätt SO2 och maximalt möjlig SO2. Full last.. 26.

(27) SO2 mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2. 30 9%. 25. Measured SO2. 20 15 3%. 10 5. 3%. 4% 0. Wood RCG full Bark full Oilseed full load load load full load Figur 38. Uppmätt SO2 och procent av möjlig SO2. Full last.. HCl mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2. 80. Measured HCl Max HCl. 220. 60. 40. 20. 0 Wood full load. RCG full load. Bark full load. Oilseed full load. Oat in PelLing. Oat in Agrotec. Figur 39. Uppmätt HCl och maximalt möjlig HCl. Full last.. 27.

(28) HCl mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2. 8 Measured HCl 12 %. 6. 4 17 % 2 9%. 1%. 0 Wood RCG Bark Oilseed full load full load full load full load. Figur 40. Uppmätt HCl och procent av möjlig HCl. Full last.. Uppmätta emissioner av kväveoxider, beräknat som NO2, visas i figur 41 tillsammans med resultat från förbränning av havre. Procent av maximalt möjlig emission av NOx beror av bränslets innehåll och ges för varje bränsle.. NO2 mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2. 11 % 800. Measured NO2. 19 %. 8%. 600 24 % 30 %. 400. 200. 37 %. 0 Wood Wood RCG full RCG Bark full Bark Oilseed Oilseed Oat in Oat in full load min load load min load load min load full load min load PelLing Agrotec. Figur 41. Uppmätt NO2 och procent av möjlig NO2. Full och minsta last.. Emissioner av NOx beror av förbränningsförhållanden såväl som av bränslets innehåll av kväve. I teorin reduceras bildad NOx till N2 då syre inte är tillgängligt Därför hänger höga värden på CO vanligen ihop med låga på NOx. CO och NO2 visas tillsammans i Figur 42. Vid minsta last är CO högre och NOx lägre, men skillnaden är marginell i alla fall utom bark.. 28.

(29) Carbon monoxide, CO Nitrogen oxide, NO2. 1000 800 600. 3. CO and NO2 mg/Nm in dry gas at 10 % O2. 1200. 400 200 0 Wood Wood RCG full RCG Bark full Bark Oilseed Oilseed Oat in Oat in full load min load load min load load min load full load min load PelLing Agrotec. Figur 42. Uppmätt CO och NO2. Full och minsta last. Uppmätta utsläpp av totalt stoft visas i Figur 43 tillsammans med resultat från förbränning av havre. Av bränslen eldade i detta projekt är det bara rapshalmspellets som ger stora stoftemissioner, 639 mg/Nm3 vid 10 % O2 vid full last och 359 mg/Nm3 vid 10 % O2 vid minsta last. Emissioner från är 126 och 116 mg/Nm3, från rörflen 31 och 12 mg/Nm3 och från trä 25 och 69 mg/Nm3. Emissioner från havre är 322 och 236 mg/Nm3. Emissioner från full last är högre än emissioner från minsta last (utom för trä). Detta kan bero på lägre temperaturer i glödbädden under minsta last vilket minskar bildningen av aerosoler.. 700 Dust mg/Nm3 in dry gas at 10 % O2. Total dust. 600 500 400 300 200 100 0 Wood Wood RCG full RCG Bark full Bark Oilseed Oilseed Oat in Oat in full load min load load min load load min load full load min load PelLing Agrotec. Figur 43. Uppmätt totalt stoft. Full och minsta last. 29.

(30) 3.4. Partiklarnas mass- och antalskoncentration och sammansättning av oorganiskt material. Under småskalig eldning bildas stoft (flygaska) huvudsakligen från oförbrända kolväten och sot och från flyktiga ämnen som lämnar bränslet i gasfas och bildar partiklar < 1 µm då temperaturen i rökgasen sjunker. Partiklar större än 1 µm består generellt av oorganiska ämnen med högre smältpunkt som dras med från glödbädden av gasflödet. I större förbränningsanläggningar återfinns oftast en större fraktion av partiklar > 1 µm, eftersom större anläggningar oftast har högre rökgasflöden. Partikelmasskoncentration som funktion av aerodynamisk partikelstorlek mätt med DLPI (Decati Low Pressure Impactor) visas i Figur 44. Partiklarna är huvudsakligen mellan 100 nm och 1 µm. En topp i masskoncentrationen återfinns mellan 130 nm (träpellets) och 350 nm (rapshalmspellets). Maximum i toppen rör sig mot större diametrar vid högre koncentrationer. Detta beror på att fler små partiklar slås ihop till större då koncentrationen ökar. Detta ser män även i Figur 45 där antalskoncetrationen visas, mätt med ELPI (Electrical Low Pressure Impactor).. Particle mass concentration Δm/Δlog(Dp) (mg/mn3 in 10 % O2 dry gas). 600 500 400. RCG pellet Wood pellet Oilseed pellet Bark pellet. 300 200 100 0 0,01. 0,10 1,00 Aerodynamic particle size (µm). 10,00. 100,00. Figur 44. Jämförelse mellan masskoncentrationen av partiklar från de fyra bränslena.. Den brännbara delen av flygaskan, mätt som vikt-% av totalt stoft, var: trä 13 %, rörflen 9 %, bark 3 %, och rapshalm 1 %. Detta reflekterar en god förbränning med låga halter av kolväten i rökgasen. Samma visar uppmätt OGC som var lägra än 5 mg/Nm3 vid % O2 vid full last. Sammansättningen av oorganiska ämnen i partiklarna analyserat från olika steg i impaktorn visas i Figur 46 (trä), Figur 47 (rörflen) and Figur 48 (bark). Olyckligtvis blev analysen från rapshalmspellets förstörd. De submikrona partiklar som bildas under förbränning av träpellets domineras av kalium, svavel och klor. Vanligen bildas kalium klorid, KCl, och kaliumsulfat, K2SO3, i stoft från trä, och det är troligt att så är fallet även här.. 30.

(31) Number concentration of particles 3 dN/dlog(Dp) 10 % O2, (#/cm ). 1,E+09. Wood pellet Reed canary grass pellet Bark pellet Oilseed straw pellet. 1,E+08 1,E+07 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 0,01. 0,1. 1. 10. Aerodynamic diameter (µm) Figur 46. Partiklarnas antalskoncentration från de fyra bränslena. Full last.. Submikrona partiklar som bildas under förbränning av rörflen består huvudsakligen av fosfor, kalium, svavel and klor. Kisel kunde inte analyseras. Kalium och fosfor kan bilda K2HPO4, KH2PO4 eller K3PO4. Troligtvis har kaliumklorid, KCl, och kaliumsulfat, K2SO3, bildats.. 100%. Composition (mole-%). 90%. Ti Zn P Na Mn Mg K Fe Ca Ba Al S Cl. 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,05. 0,17. 0,44. 1,11. 2,84. 7,35. Particle size (µm) Figur 46. Sammansättning av de huvudsakliga oorganiska komponenterna från DLPI. Förbränning av träpellets, full last 12,8 kW.. 31.

(32) 100%. Composition (mole-%). 90%. Ti Zn P Na Mn Mg K Fe Ca Ba Al S Cl. 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,05. 0,17. 0,44. 1,11. 2,84. 7,35. Particle size (µm). Figur 47. Sammansättning av de huvudsakliga oorganiska komponenterna från DLPI. Förbränning av rörflenspellets, full last 13,3 kW.. Submikrona partiklar som bildas vid förbränning av bark består till största delen av kisel, natrium, kalium, svavel och klor. Antal analyserade ämnen var färre i detta prov – Ti, Zn, Mn, Fe och Al är inte inkluderade. Kisel och natrium är ofta ett resultat av nedsmutsning, natrium kanske i form av NaCl. Troligtvis återfinns kaliumklorid, KCl, och kaliumsulfat, K2SO3 även här. Partiklar större än 1 µm består generellt av oorganiska askfragment som följer med rökgasflödet. Därför består partiklar > 1 µm av ett brett spektrum av ämnen, exempelvis för träpellets aluminium, kalcium, järn, magnesium och titan, och sammansättningen är inte beroende av förbränningsförhållanden.. 100%. Composition (mole-%). 90% P Si Na Mg K Ca Ba S Cl. 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,05. 0,17. 0,44. 1,11. 2,84. 7,35. Particle size (µm). Figur 3. Sammansättning av de huvudsakliga oorganiska komponenterna från DLPI. Förbränning av barkpellet, full last 15,7 kW.. 32.

(33) 3.5. Innehåll i bottenaska. Sammansättning av oorganiska ämnen i bottenaskan i bränslena visas i Figur 49. Mängd producerad aska mättes inte, varför några absoluta värden inte kan ges. Bottenaskan består av ämnen och föreningar med höga smälttemperaturer, typiskt innehållande kalk och kisel. Även kalium och aluminium återfinns i bottenaskan. 100% Si Ti Zn P Na Mn Mg K Fe Ca Ba Al S Cl. Composition (mole-%). 80%. 60%. 40%. 20%. 0% Wood. RCG. Bark. Oilseed straw. Figur 49. Sammansättning av huvudsakliga oorganiska ämnen i bottenaskan. Full last.. 33.

(34) 4. DISKUSSION. 4.1. Följder av hög askhalt för förbränningen. Omvandlingen av ett fast bränsle kan delas upp i tre mer eller mindre konsekutiva steg: torkning, avgasning och koksförbränning. Det flyktiga brännbara materialet lämnar bränslet som CO, CH4 och olika kolväten, vilka förbränns i gasfasen nedströms det fasta bränslet. Bränslena i detta projekt var ganska lika i storlek, form, fukthalt och flykthalt. För att utvärdera hur askhalten påverkar torknings- och avgasningsfaserna hos de olika bränslepartiklarna krävs en annan experimentell ansats, så detta undersöks inte här. Från generell kunskap kan effekter från hög askhalt på torkning och avgasning anses vara liten. Här tas endast hänsyn till koksförbränningen. Från kolförbränningsteori, se bland andra [2], kan hög askhalt ha följande effekter: 1. Termiska effekter Aska konsumerar energi när den värms till hög temperatur och ändrar fas. 2. Strålningsegenskaper Askan kan ha strålningsegenskaper som skiljer sig från koksens. 3. Partikelstorlek Partiklarna delas mot slutet av förbränningen. 4. Katalytiska effekter Mineraler kan förändra koksens reaktivitet. 5. Diffusionshinder Askan hindrar syret från att nå koksytan. Mjukning och smältning kan förvärra effekten. Från teori om förbränning av biomassa kan följande effekt hämtas: 6. Koksens reaktivitet kan skilja sig mellan olika biomassor. För att utvärdera (1) – (4) och (6) krävs detaljerade experiment. I detta projekt antas att termiska effekter, strålningsegenskaper och katalytiska effekter är marginella eftersom använda bränslen, jämfört med kol, har ganska låga askhalter. Delning av partiklar har inte utvärderats. Reaktivitet har inte undersökts, men eftersom förbränningen är diffusionskontrollerad (se nedan) är skillnader i reaktivitet inte avgörande. Den parameter som kvarstår är diffusionshinder (5) som i detta projekt anses vara en viktig parameter. Förbränning av askrika pellets kan beskrivas med krympning vid konstant volymmodellen, se Figur 50. Denna modell beskriver diffusionskontrollerad förbränning av en ganska stor partikel i en het omgivning. I denna modell kommer allt syre att konsumeras så snart det når ytan av kokspartikeln. Därför kommer partikeln att krympa tills all koks är uppbrunnen, och densiteten på den krympande kärnan är konstant under förloppet. Oorganiskt material (aska) blir kvar som ett ”skal” som täcker den brinnande kokspartikeln. Detta skal fungerar som ett diffusionshinder för syre och koksförbränningen går långsammare. Från förbränningstesterna i detta projekt drogs slutsatsen att ökad askhalt kan ge försämrad förbränning och t.o.m. utsläckning av glödbädden. Försämrad förbränning manifesteras av höga CO och (i ett fall) låg rökgastemperatur.. 34.

(35) Figur 50. Krympning vid konstant volym-modell för stora partiklar i en het omgivning. [3]. Från (5) dras slutsatsen att aska hindrar diffusionen av syre. Aska kan fungera som ett hinder på två sätt: 1. Aska transporteras inte bort från rosten utan ansamlas ovanpå det tillförda bränslet. 2. Aska bildar ett skall kring varje enskild bränslepartikel och minskar syrets diffusionshastighet. När syre hindras från att nå koksen kommer koksförbränningstiden att ökas och risken för en ökning av andelen oförbränt i bottenaskan är uppenbar, trots att detta inte var fallet för något av bränslena här. En annan följd av lägre diffusionshastighet kan vara sänkt avgiven effekt. Eftersom inte alla bränslen testades i alla brännare kan inte slutsatser om avgiven effekt dras från detta projekt.. 4.2. Brännarna. De tre brännare som användes i projektet uppfyller höga kvalitetskrav. Brännare A och B är konstruerade och P-märkta för träpellets. Brännare C är konstruerad för havre. Dom representerar tre konstruktionstyper: brännare A har inget mekaniskt som transporterar bottenaska på rosten under förbränningen, och glödbädden täcks av flamriktare, se Figur 1. Brännare B knuffar bränsle och aska och glödbädden är exponerad för omgivande förbränningsutrymme. Brännare C knuffar bränsle och aska framåt, inuti cylindern. In brännare A var det möjligt att elda barkpellets med en askhalt på 3,4 %, men avgiven effekt måste sänkas och rosten rengöras efter 3 timmar (full last) och 2 timmar (minsta last.) Förbränningen var inte optimal med högre CO och lägre rökgastemperatur än vad som normalt förväntas från förbränning av träpellets. Detta indikerar ofullständig förbränning av koksen med låga temperaturer i glödbädden, vilket i sin tur leder till lägre temperatur i gasfasen, vilket i sin tur ger ofullständig förbränning av CO. Askan som samlas ovanpå glödbädden fungerar som ett hinder för syre att nå koksytan. Med ännu högre askhalt accentueras detta och stabil förbränning var inte möjlig att upprätthålla. Vid normal användning av brännare A i ett hus är förbränningsperioderna kortare och därmed sker rengöring av rosten oftare varför ett bränsle som bark inte borde vara ett problem, förutsett att injustering utförs. Dock bör man, för att få en god gasförbränning och god utbränning av koksen, se till att syrediffusionen ökar och/eller att temperaturen ökar i bädden. Brännare B knuffar kontinuerligt koks och aska uppåt och över kanten på brännaren. Beroende på volymen och strukturen på askan kommer den att samlas till en viss höjd som täcker koksen innan den ramlar av. Den ansamlade askan fungerar som en “hatt” som effektivt täcker koksen. Syre hindras från att nå koksen och temperaturen sjunker. Varken rörflenspellets eller rapshalmspellets kunde eldas i denna brännare. I denna konstruktion kommer glödbädden att exponeras mot omgivningen, varför temperaturen i. 35.

(36) glödbädden blir lägre än i brännare C. Ändå nådde kornhalmspelletsen en temperatur där de sintrade till hårda bitar som kvävde förbränningen. Brännare C knuffar kontinuerligt aska och koks framåt. I denna process kommer färskt bränsle och glödbädd inte att täckas av aska och nås enklare av syre jämfört med brännare B. Dessutom kommer den inneslutande designen på brännaren att hålla temperaturen i glödbädden högre.. 4.3. Emissioner från de olika bränslena. CO-emissionerna från askrika bränslen var högre än vad som förväntas vid god förbränning av träpellets. Brännbar andel av flygaskan, mätt som vikt-% av totalt stoft, var låg, vilket visar på en generellt god förbränning med låga halter av kolväten och sot i rökgaserna. Detta reflekteras i emissioner av OGC som var lägre än 5 mg/Nm3 vid 10 % O2 vid full last. Oförbränt i bottenaskan var för de askrika bränslena 2 – 11 vikt-% vilket visar på en god utbränning av koksen. Oförbränt i bottenaskan från träpellets var något högre, vilket reflekterar en inte så god förbränning av träpellets i detta test. Uppmätta utsläpp av SO2 och HCl i detta projekt var låga. Endast förbränning av rörflen gav värden som översteg värden vid förbränning av träpellets, men de är fortfarande låga jämfört med förbränning av havre. Vid förbränning av spannmål har snabbt uppkommen korrosion i rökgaskanaler rapporterats. Speciellt klorkorrosion i form av punktkorrosion har rapporterats förstöra rökgaskanaler på kort tid. Från användning av spannmål som bränsle i Sverige och Danmark har strategier för förbränning utvecklats som är generellt accepterade och syftar till att undvika korrosion. Dessa strategier är i korthet: 1) Undvik kondensation av fukt i värmeväxlare och rökgaskanal genom att hålla hög temperatur. Rekommenderad temperatur i pannan är över 70 ˚C, och i rökgaskanalens topp över 80 ˚C, men dessa rekommendationer kan variera beroende på utrustning. 2) Håll rökgaskanalen torr genom att montera en dragregulator. 3) Använd material i rökgaskanalen som inte är känslig för korrosion. 4) Undvik låga laster som kan leda till kondensation på kalla ytor. 5) Använd en brännare med underhållsfyr som håller värmeväxlare och rökgaskanal varma också mellan förbränningsperioderna. Om valda delar av dessa strategier används i kloka kombinationer kan korrosionsproblem undvikas. Eftersom utsläppen av SO2 och HCl från bränslena i detta projekt var låga, behöver inga brådskande åtgärder sättas in. Ändock är det viktigt att i framtiden övervaka dessa korrosiva emissioner, eftersom variationer i bränsle- och askinnehåll kan påverka bildningen av korrosiva gaser. Utsläppta genom skorstenen är dessa gaser försurande och skadliga för miljön. Om förbränning av bränslen som innehåller svavel och klor ökar i framtiden är det nödvändigt att minska dessa utsläpp. Kvävehalterna i bränslena var: trä 0.1 %, bark 0,4 %, rapshalm 0,5 %, rörflen 0,9 %. Emissioner av kväveoxid följer kvävehalten med: trä 137, bark 410, rapshalm 478 och rörflen 940 mg/Nm3 vid 10 % O2 (full last). Vid minsta last var CO högre och NOx lägre än vid full last, men skillnaden var låga för alla bränslen utom för bark. Omvandling av bränslekväve till NOx följer kvävehalten med högst omvandling (37 % av bränslekväve resulterar i NO2) för trä och lägst (8 och 11 %) för havre. Havre hade en kvävehalt på 2,2 %. Metoder för att reducera NOx är välkända från storskalig förbränning där utsläppen är begränsade. En allmänt använd primär metod är stegad lufttillförsel som skapar en reducerande zon med adekvata uppehållstider och temperaturer. I småskalig utrustning 36.

(37) kan det vara svårt att tillämpa dessa metoder eftersom utrymmena är så små. Sekundära metoder för NOx-reduktion anses för dyra och komplicerade för att användas på småskaliga pannor. För att reducera NOx från bränslen med hög kvävehalt krävs fortsatt överföring av kunskap och metoder från storskalig utrustning. Emissioner att totalt stoft var för rörflenspellets i samma storleksordning som för träpellets (29 – 75 mg/Nm3 vid 10 % O2), och för barkpellets något över 100 mg/Nm3 vid 10 % O2. För rapshalmspellets var stoftutsläppet betydligt högre, vid full last 639 och vid minsta last 359 mg/Nm3 vid 10 % O2. Emissionen av totalt stoft avspeglade inte direkt bränslets askhalt, vilket visas i Figur 51. Dust mg/Nm in dry gas at 10 % O2. 700 Total dust. 600 500 400. 3. 300 200 100 0 0,3 0,3 (Wood (Wood full load) min load). 3,1 (Oat 3,4 (Bark 3,4 (Bark 3,6 (Oat 4,7 4,7 7,9 (RCG 7,9 (RCG grain) full load) min grain) (Oilseed (Oilseed full load) min load) full load) min load) load). Ash (weight-% dm) Figur 4. Uppmätt totalt stoft som funktion av askhalt.. Uppmätta partikelkoncentrationer visade att flygaskan till största delen bestod av submikrona partiklar. Kemiska analyser visade att submikrona partiklar från träförbränning dominerades av kalium som positiv jon och svavel och klor som negativa joner, vilket är typiskt för trä. Partiklar från bark var ganska lika partiklarna från trä, men kalium fick nu sällskap av natrium och andelen klor är högre. Partiklar från rörflenspellets uppvisade fosfor som positiv jon tillsammans med kalium. Också här var svavel och klor de huvudsakliga negativa jonerna. Olyckligtvis förstördes analysen från rapshalm. Dock indikerar den jämförelsevis höga klorhalten i rapshalmen, den låga halten klor i bottenaskan och låga utsläpp av HCl att det mesta av kloret återfanns i flygaskan.. 37.

(38) 5. SLUTSATSER OCH REKOMMENDATIONER. 5.1. Förbränning. Från experimenten drogs slutsatsen att utrustning optimerad för träpellets måste anpassas och optimeras för askrika pellets. För att nå framgång med förbränning av askrika pellets måste man tillse att: –. Askan måste hindras från att samla sig över och täcka glödbädden.. –. Askan måste föras bort från rosten.. –. Hög askhalt fungerar som ett hinder för syrets diffusion och därför – måste koksens uppehållstid vara lång nog för fullständig förbränning av koksen, – temperaturen i glödbädden måste vara tillräckligt hög för fullständig koksförbränning.. –. Förbränning av koksen i glödbädden är avgörande för en fullständig förbränning av CO i gasfasen. Därför måste temperatur och blandning i gasfasen säkras.. I detta projekt visade den horisontella brännaren som knuffade bränsle och aska framåt bäst resultat. Genom att knuffa glödbädden framåt kan inte aska samla sig och forma ett lock vilket enklare sker i en uppåtbrinnande brännare. Temperaturen i glödbädden i den horisontella brännaren var också högre, och temperaturen är avgörande när syrets diffusionshastighet sjunker. För att tillåta tillräckligt lång uppehållstid för koksen på rosten måste denna vara tillräckligt stor (lång). Temperaturen i glödbädden kan hållas hög om den skyddas från strålningsutbyte med kallare ytor. Detta för med sig att asksmälttemperaturen inte kan vara låg, och/eller att den aska som sintrar gör detta på ett sätt som inte stör glödbädden, till exempel i form av små kulor som enkelt kan föras bort från rosten. Olika bränslen kan ha olika askegenskaper och därför reagera olika. Till exempel hade rörflenspellets högst askhalt i detta projekt men bättre förbränningsresultat än rapshalmspellets som hade något lägre askhalt. Uppehållstiden för hög temperatur i gasfasen måste vara tillräckligt lång och blandningen god för att försäkra en god utbränning av CO.. 5.2. Bränslespecifika emissioner. Risken för korrosionsproblem är inte direkt kopplat till bränslets innehåll av svavel och klor. Det är dock viktigt att framöver hålla ett öga på dessa emissioner, eftersom variationer i bränslehalt och askinnehåll kan påverka bildningen av korrosiva gaser. SO2 och HCl är också försurande och skadliga för miljön, vilket måste tas i beaktande om användningen av bränslen rika på svavel och klor ökar i framtiden. Emissioner of kväveoxider kan vara ganska höga från den här typen av bränslen. För att reducera emissioner från småskalig utrusning, krävs fortsatt överföring av kunskap och metoder från storskalig utrustning. Sekundära metoder för rökgasrening kan komma att behövas.. 38.

No results found