Utredning av verkningsgrad på Idbäcksverket panna 3 och tillhörande ångsystem: Kartläggning av förluster från inköpt bränsle till producerad el och fjärrvärme

Examensarbete, 30 hp

Civilingenjörsprogrammet i energiteknik, 300 hp

UTREDNING AV

VERKNINGSGRAD PÅ

IDBÄCKSVERKET PANNA 3 OCH

TILLHÖRANDE ÅNGSYSTEM

Kartläggning av förluster från inköpt

bränsle till producerad el och fjärrvärme

Investigation of efficiency on Idbäcksverket

unit 3 and the associated steam system

Determination of losses from purchased fuel to

produced electricity and district heating

Per Andersson

Sammanfattning

V ˚art st ¨andigt ¨okande energibehov tillsammans med att de fossila br ¨anslelagren sannolikt inte r ¨acker l ¨ange till g ¨or att nya och koldioxidneutrala energik ¨allor ¨ar viktigare ¨an n ˚agonsin. Kraftv ¨arme producerad med biomassa ¨ar ett utm ¨arkt alternativ f ¨or produktion av gr ¨on el och fj ¨arrv ¨arme f ¨or att v ¨arma v ˚ara hem. Idb ¨ackens kraftv ¨armeverk i centrala Nyk ¨oping f ¨orser ca 95% av Nyk ¨oping med fj ¨arrv ¨arme via kraftv ¨armepannan panna 3 och de fast-br ¨ansleeldade hetvattenpannorna panna 1 och 2. Panna 3 eldas prim ¨art med returtr ¨aflis och panna 1 och 2 med skogsbr ¨anslen.

Under en l ¨angre tid har panna 3 visat ett l ¨agre utbyte fr ˚an ink ¨opt br ¨ansle till producerad energi. F ¨orv ¨antat utbyte eller totalverkningsgrad ligger kring 85% exklusive. r ¨okgaskondensering f ¨or denna typ av anl ¨aggning, det verkliga utbytet ligger kring 76-81% de senaste ˚aren. Detta projekt utf ¨ordes p ˚a uppdrag av Vattenfall BU Heat Sweden i ett f ¨ors ¨ok att kartl ¨agga vart f ¨orlusterna uppst ˚ar och best ¨amma det teoretiska energiutbytet mellan ink ¨optbr ¨ansle och producerad energi. D ¨arf ¨or har verkningsgrad f ¨or panna 3 och tillh ¨orande ˚angsystem utv ¨arderats f ¨or att s ¨akerst ¨alla att f ¨orlusterna inte uppst ˚ar p ˚a anl ¨aggningen. Efter detta har f ¨orluster som inte kan f ¨orklaras med pannans och ˚angsystemets verkningsgrad f ¨ors ¨okt kartl ¨aggas. Dessa f ¨orluster utanf ¨or anl ¨aggningen har misst ¨ankts bero p ˚a nedbrytning av br ¨anslet under lagring vilket orsakar f ¨orluster av torrsubstans och d ¨arav br ¨annbart material.

Pannans verkningsgrad har studerats under perioden Januari 2020 till och med Mars 2020 f ¨or att f ˚a en uppfattning om pannans prestanda den senaste tiden. Pannans verkningsgrad best ¨amdes till 88,2% under perioden, ˚angsystemets verkniningsgrad best ¨amdes till 95,3% under samma period. Kombinerat ger det en totalverkningsgrad p ˚a 84,0% vilket ligger i linje med det f ¨orv ¨antade. Det teoretiska energiutbytet, vad kvoten mellan producerad energi och tillf ¨ort br ¨ansle borde vara utifr ˚an best ¨amda f ¨orluster ligger ca 2%-enheter h ¨ogre p ˚a 86,1% under motsvarande period. Det saknas allts ˚a flera %-enheter ner till det verkliga utbytet p ˚a 76-81%. Tre specifika driftfall har ocks ˚a studerats under l ˚ag, medel och h ¨og last f ¨or att se n ¨ar anl ¨aggningen ¨ar som mest effektiv. Utredningen visar att pannan och ˚angsystem ¨ar som mest effektiv vid h ¨og last d ˚a trenden ¨ar att totalverkninggraden ¨okar med ¨okad last.

De kvarst ˚aende f ¨orlusterna har inte kunnat kartl ¨aggas till fullo. En massbalans avseende aska in till, och ut fr ˚an anl ¨aggningen har gjorts. En stor skillnad har noterats d ¨ar aska ut fr ˚an anl ¨aggningen ¨ar ca dubbelt s ˚a stor som den f ¨orv ¨antade, vilket kan bero p ˚a att askhalten i inkommande br ¨ansle ¨ar h ¨ogre ¨an vad br ¨ansleanalyserna indikerar. Ett f ¨ors ¨ok att kartl ¨agga lagringsf ¨orluster har gjorts genom att j ¨amf ¨ora ink ¨opt br ¨ansle med vad som faktiskt v ¨agts in vid anl ¨aggningen d ¨ar en viss skillnad har identifierats. Stora skillnader i enstaka br ¨ansleleveranser g ¨or det sv ˚art att dra n ˚agon slutsats av detta men visar p ˚a os ¨akerheterna som finns kring best ¨amning av ink ¨opt energi. En k ¨anslighetsanalys gjordes d ¨ar det konstaterades att en felaktig best ¨amning av br ¨anslets vikt utg ¨or den k ¨ansligaste variabeln vid best ¨amning av det faktiska energiutbytet. En ut ¨okad provtagning har gjorts p ˚a ett br ¨ansle som lagrats ca 7 veckor innan f ¨orbr ¨anning. Proverna visar p ˚a viss nedbrytning och f ¨ors ¨amring av br ¨anslekvaliteten genom en ¨okad fukt- och askhalt samt att v ¨armev ¨ardet minskat under lagringen, vilket kan vara en del av orsaken till det l ˚aga utbytet de senaste ˚aren.

Fler provtagningar b ¨or g ¨oras f ¨ore och efter lagring av br ¨anslet f ¨or att f ˚a ett st ¨orre underlag till vad som h ¨ander med br ¨anslet under lagring d ˚a detta inte ¨ar helt klarlagt f ¨or returtr ¨a. Detta tillsammans med att f ¨olja upp skillnaderna mellan k ¨opt br ¨ansle och inv ¨agt p ˚a Idb ¨acken s ˚a kan kanske det l ˚aga energiutbytet f ¨orklaras.

Nyckelord

Kraftv ¨arme — Verkningsgrad — Torrsubstansf ¨orlust Handledare: Mikael Gidstedt & Anders Nordin

neutral fuels are more important than ever. Combined heat and power (CHP) from combustion of biomass is a great alternative for production of climate friendly electricity and district heat. The CHP plant ’Idb¨acksverket’ in central Nyk¨oping produces district heating for 95% of the city’s residents through the cogeneration boiler unit 3 and the solid fuel hotwater generators unit 1 and 2. Unit 3 used recovered wood chips as primary fuel and unit 1 and 2 uses only forest fuels like chipped stem wood, tops and roots.

During the recent years, unit 3 has indicated a lower energy yield from purchased fuel to produced electricity and district heating than expected. The expected ratio, or total efficiency is about 85% with flue gas condensation excluded, the real energy yield is about 76-81%. This project was being commissioned by Vattenfall BU Heat Sweden in an attempt to establish where the losses occur and to determine the theoretical yield of energy between purchased fuel and produced energy. Therefore the efficiency of unit 3 and the associated steam system has been investigated to ensure the losses do not occur in the plant. The losses that cannot be explained by the efficiency of the power plant has also been investigated. These losses have been suspected to occur during the storage of the fuel where degredation of the material causes loss of dry and combustible matter.

The efficiency of the boiler and the associated steam system has been studied during the period from January 2020 to beginning of April 2020 to see how the plant has performed the recent time. The boiler efficiency was determined to 88,2% during that time and the efficiency of the steam system was determined to 95,3%. Combined, it gives a total efficiency of 84,0% which is near the expected value. The theoretical energy enchange is 2% points higher at 86,1% during the same period. Also 3 specific cases during different loads has been studied at low, medium and high load to try and determine when the plant is most effective. The study concludes that the power plant is most efficient during high load were the tendency is that increased load increases the total efficiency of the plant.

The remaining losses have not been fully established. An analysis of the ash flow in and out of the boiler has been performed which shows that the total mass of the ash (carbon and moisture free) that goes out of the boiler is far greater than the theoretical ash that goes in with the fuel. This may indicate that the fuel contains more ash than what is seen in the fuel analysis. An attempt to determine the dry matter losses during storage has been made by comparing fuel purchases with what was actually weighed in at the facility. A certain difference between the two has been identified. Major differences in individual fuel deliveries make it difficult to draw any conclusion from this, but indicate the uncertainties that exist regarding the determination of purchased energy. A sensitivity analysis was performed where it was found that an error in the total weight of the fuel constitutes the most sensitive variable. An extended fuel sampling has been carried out on a fuel stored approximately 7 weeks before incineration. The tests show some degradation and deterioration of fuel quality, this may be part of the reason for the low energy yield in recent years.

More sampling should be done after storing the fuel in order to get a greater understanding for what happens to the fuel during storage as this is not completely clear for recovered wood. This, together with following up the differences between purchased fuel and weighed in at Idb¨acken, may explain the low energy yield.

har genomf¨orts i samarbete med, och p˚a uppdrag av Vattenfall BU Heat Sweden i Nyk¨oping under v˚arterminen 2020. i samarbete med, och p˚a uppdrag av,

Inledningsvis vill jag tacka min handledare p˚a Vattenfall BU Heat Sweden, Mikael Gidstedt, f¨or det st¨od och den v¨agledning jag f˚att under arbetet. Jag vill ¨aven rikta ett stort tack till Carl Nordenskj¨old och Christer Forsberg ocks˚a p˚a Vattenfall BU Heat Sweden, som ocks˚a bidragit med st¨od och och v¨agledning under arbetet. Jag vill ¨aven tacka de ¨ovriga p˚a Idb¨ackens kraftv¨armeverk f¨or ert varma bem¨otande och den hj¨alp ni bidragit med.

Slutligen vill jag rikta ett stort tack till min handledare p˚a Ume˚a universitet, Anders Nordin, f¨or den handledning jag f˚att av dig med denna rapport.

Per Andersson Ume˚a, Maj 2020

1 Introduktion 1 1.1 Bakgrund . . . 1 1.2 Syfte . . . 1 2 Litteratursammanst ¨allning 1 3 Anl ¨aggningen 4 3.1 Br ¨anslehantering . . . 4 3.2 Panna 3 . . . 5

3.3 F ¨orbr ¨anningsluft & r ¨okgas ˚aterf ¨oring . . . 6

3.4 DeNOx-system . . . 6

3.5 R ¨okgasrening . . . 6

3.6 Angsystem˚ . . . 6

4 Teori 7 4.1 Kraftv ¨arme & Rankinecykeln. . . 7

4.2 Br ¨ansle . . . 8

V ¨armev ¨arde•Aska•Fasta br ¨anslen 4.3 F ¨orbr ¨anning. . . 10

Kemiska reaktioner•Luftbehov & r ¨okgaser•Fluidiserad b ¨add 4.4 Verkningsgrad . . . 12

Pannverkningsgrad 5 Metod 14 5.1 Systemgr ¨ans & avgr ¨ansningar . . . 14

Pannan•Angsystemet˚ 5.2 Pi & Excel . . . 15 5.3 Pannverkningsgrad . . . 16 F ¨orluster 5.4 Angsystemets verkningsgrad˚ . . . 18 F ¨orluster i ˚angsystem 5.5 Totalverkningsgrad. . . 19 5.6 K ¨anslighetsanalys . . . 19 5.7 Br ¨ansleprovtagning . . . 20 5.8 Askbalans . . . 21 5.9 B/L och Flintab . . . 21 6 Resultat 22 6.1 Pannverkningsgrad . . . 22 6.2 Angverkningsgrad˚ . . . 22 6.3 Totalverkningsgrad. . . 23 6.4 F ¨ordelning av f ¨orluster . . . 23 6.5 K ¨anslighetsanalys . . . 23 6.6 Br ¨ansleprovtagning . . . 23 6.7 Askbalans . . . 25 6.8 B/L och Flintab . . . 26 7 Diskussion 26 7.1 Pannverkningsgrad . . . 26 7.2 Angverkningsgrad˚ . . . 28 7.3 Totalverkningsgrad. . . 29 7.4 K ¨anslighetsanalys . . . 29 7.7 B/L och Flintab . . . 30 7.8 Ej kartlagda f ¨orluster . . . 30

8 Slutsats & framtida arbete 31

Referenser 32

Appendix I

A Anv ¨anda taggar . . . I B Br ¨ansleanalys Prov A. . . II C Br ¨ansleanalys Prov B. . . V D Br ¨ansleanalys Prov C. . . VIII

1 Rutinprovtagning i Oxel¨osunds hamn med balkprovtagare utvecklad av Vattenfall.. . . 5 2 Schematisk bild ¨over Rankinecykeln.. . . 7 3 Oversiktsbild ¨over P3 p˚a Idb¨acksverket.¨

Systemgr¨ans markerat i r¨ott. . . 15 4 Oversiktsbild¨ ¨over ˚angsystemet p˚a

Idb¨acksverket. Systemgr¨ans markerat i

r¨ott. . . 16 5 Uppst¨allning under br¨ansleprovtagning med

balkprovtagare p˚a Idb¨acken. . . 20 6 Pannverkningsgrad och utbyte ˚anga/br¨ansle

mot ˚angeffekt under perioden 2020-01-01 00:00 till och med 2020-04-07 00:00. Bl˚aa cirklar ¨ar pannans verkningsgrad och orangae kvadrater ¨ar utbyte ˚anga/br¨ansle. Trendlinje i

tredjegradspolynom. . . 22 7 Angverkningsgrad mot ˚angeffekt under pe-˚

rioden 01-01 00:00 till och med 2020-04-07 00:00. Bl˚aa cirklar ¨ar direkt verknings-grad och orangea kvadrater ¨ar kartl¨aggning av

f¨orluster med indirekt metod. . . 22 8 Totalverkningsgrad och utbyte producerad

energi/br¨ansle mot ˚angeffekt under perioden 2020-01-01 00:00 till och med 2020-04-07 00:00. Bl˚aa cirklar ¨ar totalverkningsgrad och orangae kvadrater ¨ar utbyte producerad ener-gi/br¨ansle. Trendlinje i tredjegradspolynom. . . . 23 9 R¨okgasf¨orlust mot ˚angeffekt under perioden

2020-01-01 00:00 till och med 2020-04-07 00:00. Bl˚aa cirklar ¨ar ber¨aknat med uppm¨atta fl¨oden och temperaturer vid systemgr¨ans och orangea kvadrater ¨ar teoretiskt f¨orlust. Trend-linje i tredjegradspolynom. . . 23 10 F¨ordelning av de totala f¨orlusterna i

pannsy-stemet under olika driftfall. . . 24 11 K¨anslighetsanalys f¨or 5% introducerat fel i

parametrarna p˚a lodr¨ata axeln, totalverknings-grad p˚a v˚agv¨ata axeln. Lodr¨at linje vid 86,1% verkningsgrad, askhalt varierar mellan 0

-5,7%. . . 25 12 Askbalans med ber¨aknad aska in till v¨anster

i bl˚att, ber¨aknad fr˚an br¨anslem¨angd och ask-halt vid provtagning. Total aska ut i mitten i orange ¨ar totalvikten f¨or aska som t¨oms ur ask-silon. Korrigerad aska ut till h¨oger i gr˚att d¨ar of¨orbr¨ant material, sand, kol, kalk, fukt och CO2har r¨aknats bort f¨or att kunna j¨amf¨oras

med aska in. . . 26

grad f¨or panna och ˚angsystem. . . 21 2 Medeleffekt, period, procentuella f¨orluster

och verkningsgrad i pann- och ˚angsystem samt totalverkningsgrad under de olika

drift-fallen samt medelv¨arden under hela perioden. . . 24 3 Resultat fr˚an br¨ansleanalys. Prov A ¨ar fr˚an

ordinarie provtagning i hamn 2020-02-18. Prov B ¨ar ut¨okad provtagning med balkprov-tagare p˚a Idb¨acken 04-09 och 2020-04-14. Prov C ¨ar ut¨okad analys av ordina-rie provtagning av lastbilschauff¨orer 2020-04-09 och 2020-04-14. Samtliga data ¨ar fr˚an br¨ansleanalyser utf¨orda av Eurofins f¨orutom Naturv˚ardsverket som ¨ar data fr˚an Naturv˚ardsverket rapport Sammanst¨allning av br¨ansledata [33]. D¨ar data fr˚an 8 analyser sammanst¨allts under ˚aren 1999-2003. Effek-tivt v¨armev¨arde per kg TS ¨ar ber¨aknat fr˚an provsvaren d¨ar energi f¨or f¨or˚angning av fukt ¨ar bortr¨aknat f¨or j¨amf¨orelse med v¨arden fr˚an

Naturv˚ardsverket. . . 25 4 Skillnader i vikt mellan B/L och Flintab

un-der hela 2019 och delar av 2020. Torrsub-stans best¨amd med torrhalt p˚a respektive leverans. Fukthalt i hamn ¨ar fr˚an Eurofins br¨ansleanalyser och fukthalt p˚a Idb¨acken ¨ar

fr˚an g¨allande rutin vid inv¨agning.. . . 27 5 Skillnader i vikt och energi mellan B/L och

Flintab f¨or tre leveranser d¨ar ett B-prov togs vid inv¨agning p˚a Idb¨acken. Torrsub-stans best¨amd med torrhalt p˚a respektive leverans. Fukthalt i hamn ¨ar fr˚an Eurofins br¨ansleanalyser och fukthalt p˚a Idb¨acken ¨ar

1. Introduktion

V˚art st¨andigt ¨okande energibehov st¨aller oss inf¨or framtida problem med energif¨ors¨orjningen d˚a dagens prim¨ara ener-gik¨allor inte r¨acker f¨or evigt. 2017 l˚ag f¨orbrukningen av elekt-risk energi p˚a 3,2 MWh/capita i v¨arlden, medan motsvarande siffra 1990 l˚ag p˚a 2,1 MWh/capita. Allt fler m¨anniskor f˚ar tillg˚ang till elektricitet och produktionen beh¨over s˚aledes ¨oka. Under samma period har produktionen av r˚aolja i v¨arlden ¨okat med 23% d¨ar en stor del anv¨ands i transportsektorn som ocks˚a st¨andigt ¨okar sitt energibehov. Produktionen av el och fj¨arrv¨arme fr˚an biobr¨anslen ¨okar ocks˚a vilket ers¨atter gamla uppv¨armningsl¨osningar i v˚ara bost¨ader och lokaler, s˚a som ineffektiva el- eller oljepannor. Alternativa f¨ornybara ener-gik¨allor har aldrig varit s˚a aktuellt som idag d˚a Sverige enligt Energimyndigheten har bland de h¨ogsta elanv¨andningen per capita i v¨arlden. [1]

1.1 Bakgrund

I Sverige ser man en ¨okad anv¨andning av biobr¨anslen, el och fj¨arrv¨arme och en minskning av fossila br¨anslen enligt Energi-myndighetens sammanst¨allning Energil¨aget. I bostadssektorn stod biobr¨anslen, el och fj¨arrv¨arme f¨or 92% av energin under 2018. 1970 stod biobr¨anslen, el och fj¨arrv¨arme endast f¨or 28% medan petroleumprodukter f¨or hela 72% av energin. I industrisektorn stod el och biobr¨ansle f¨or 74% av energin som anv¨andes under 2018 och petroleumprodukter f¨or 7%, mot-svarande siffror fr˚an 1970 var 48% fr˚an petroleumprodukter och 42% fr˚an el och biobr¨anslen. I Sverige har vi kommit en bra bit p˚a v¨agen men mycket ˚aterst˚ar att g¨ora. [2]

F¨or att producera el och fj¨arrv¨arme kan man anv¨anda sig av olika metoder. V¨armekraftverk ¨ar ett samlingsnamn f¨or anl¨aggningar som anv¨ander v¨arme f¨or att producera elektrici-tet. I ett k¨arnkraftverk produceras enbart elkraft genom upp-hettning av vatten och kallas kondenskraftverk, spillv¨armen tas ej tillvara utan kyls bort. Ett kraftv¨armeverk producerar b˚ade elektricitet och fj¨arrv¨arme samtidigt och stod 2018 f¨or ca 6% av Sveriges elproduktion. K¨arnkraften som ¨ar en typ av v¨armekraftverk stod under samma period f¨or 41%. Ett v¨armeverk producerar enbart energi i form av v¨arme och ing-en elektricitet. [2]

Under en l¨angre tid har panna 3 p˚a Idb¨ackens kraftv¨armeverk i Nyk¨oping uppvisat en l¨agre verknings-grad ¨an f¨orv¨antat. Verkningsverknings-graden best¨ams via andelen pro-ducerad energi (el och fj¨arrv¨arme) dividerat med ink¨opt energi i form av br¨ansle. Utbytet ligger kring 77% exkl. r¨okgaskondensering och det f¨orv¨antade kring 85%. Ett exa-mensarbete under v˚aren 2006 p˚avisade en pannverkningsgrad p˚a 88,9%, ˚angverkningsgrad p˚a 93,4% vilket ger en total-verkningsgrad p˚a 83% (exkl. r¨okgaskondensering) men att 2,44% av f¨orlusterna inte g˚att att h¨arleda [3]. I det totala fallet s˚a finns det fortfarande ca 6% f¨orluster utanf¨or pann- och ˚angsystemet som inte kunnat f¨orklarats. Dessa uppst˚ar mest troligt i br¨anslehanteringen. Detta blir en stor extra kostnad i ink¨opt br¨ansle varje ˚ar som skulle kunna anv¨andas till annat.

1.2 Syfte

Det l˚aga energiutbytet och de ok¨anda f¨orlusterna har myn-nat ut i detta examensarbete som ska f¨ors¨oka kartl¨agga vart dessa f¨orluster uppst˚ar. Genom att f¨orst best¨amma pan-nans och ˚angsystemets verkningsgrad f¨or att s¨akerst¨alla att f¨orlusterna inte uppst˚ar inne p˚a anl¨aggningen. Samt f¨or att se om f¨orlusterna inne p˚a anl¨aggningen f¨or¨andrats sedan senaste kontrollen. Sedan via andra unders¨okningar f¨ors¨oka f¨orklara de f¨orluster som inte kan h¨arledas till anl¨aggningen. Tanken ¨ar att efter kartl¨aggningen ska ˚atg¨arder kunna vidtas f¨or att mins-ka f¨orlusterna i hela systemet vilket leder till en effektivare anl¨aggning med l¨agre br¨anslekostnader.

2. Litteratursammanst ¨allning

De sinande fossila br¨anslelagren och den ¨okade koldioxid-halten tvingar oss att s¨oka nya br¨anslen f¨or att tillhandah˚alla samh¨allet med v¨arme och el. Den enda h˚allbara kolbasera-de energik¨allan vi har ¨ar kolbasera-den som produceras med hj¨alp av v¨axternas fotosyntes och respiartion, n¨amnligen biomassa. F¨orbr¨anning av biomassa ¨ar ett utm¨arkt alternativ f¨or produk-tion av anv¨andbar energi. Enligt A.Khan et al [4] s˚a ¨ar en bubb-lande fluidb¨addspanna ett utm¨arkt alternativ f¨or f¨orbr¨anning av just biomassa. En panna av s˚adan typ kan hantera vari-ationer i br¨anslet utan st¨orre problem d˚a sanden i b¨adden i pannan lagrar mycket v¨arme som f¨or˚angar vattnet innan f¨orbr¨anningen hunnit starta. Panntypen ¨ar flexibel p.g.a. detta men ocks˚a ett effektivt val. Den enda tydliga nackdel som finns ¨ar att br¨anslet inte f˚ar inneh˚alla f¨or stora fraktioner d˚a detta st¨or fluidiseringen. Br¨anslet ska g¨arna vara s˚a homogent som m¨ojligt och tills¨attas i en j¨amn takt. Detta problem l¨oser man enkelt genom att s˚alla bort st¨orre bitar och krossa ner dem till mindre bitar innan de f¨orbr¨anns.

Eftersom behovet av fj¨arrv¨arme och el kan variera kraftigt under relativt kort tid s˚a ¨ar det viktigt att pannans last (effekt) g˚ar att anpassa efter behov. Detta unders¨okte M.Huttunen et al [5] d¨ar en modell som bygger p˚a CFD (computational fluid dynamics) anv¨andes f¨or att se hur BFB (bubblande fluidiserad b¨add) och CFB (cirkulerande fluidiserad b¨add) pannor reage-rar p˚a lastf¨or¨andringar. De fann att b˚ada typerna ¨ar l¨ampliga alternativ men att BFB har en f¨ordel genom att panntypen g˚ar att k¨ora p˚a l¨agre last. Genom att sanden i pannans b¨add kan lag-ra mycket v¨arme s˚a kan det dock valag-ra sv˚art att g¨olag-ra pl¨otsliga lastf¨or¨andringar d˚a det tar tid f¨or temperaturen att g˚a upp eller ned. Systemet har allts˚a en tr¨oghet vid lastf¨or¨andringar men bidrar ocks˚a till pannans stabilitet.

Vid f¨orbr¨anning av olika br¨anslen ¨ar det gynnsamt att veta vad br¨anslet inneh˚aller, d¨arf¨or tas br¨ansleprover vid de flesta anl¨aggningar f¨or att f˚a reda p˚a br¨anslets energiinneh˚all och sammans¨attning. Energiinneh˚allet m¨ats f¨or att f˚a reda p˚a hur mycket energi man kan f¨orv¨anta sig att f˚a ut under f¨orbr¨anningen som tidigare n¨amnt. Sammans¨attningen m¨ats f¨or att vissa ¨amnen ¨ar inte ¨onskade att f˚a in i pannan d˚a det kan leda till korrosion. M.Brostr¨om et al [6] gjorde en un-ders¨okning f¨or att p˚avisa korrosionsbildning p˚a ¨overhettare i en biobr¨ansleeldad CFB-panna, h¨ar fann man att om man

tills¨atter ammoniumsulfat i processen s˚a minskar korrosionen avsev¨art.

Verkningsgrad ¨ar en dimensionsl¨os storhet som beskri-ver hur stor del av den tillf¨orda energin i ett system som g˚ar att anv¨anda. I huvudsak finns tv˚a metoder f¨or att best¨amma verkningsgraden, direkt och indirekt metod. Den direkta me-toden bygger p˚a att man k¨anner till b˚ade nyttig och tillf¨ord energi, d¨ar framf¨orallt tillf¨ord energi kan vara sv˚ar att m¨ata i praktiken. Indirekta metoden bygger p˚a att man kartl¨agger var-je enskild f¨orlust och subtraherar den procentuella f¨orlusten fr˚an utg˚angspunkten som ¨ar 100% verkningsgrad. Energiut-bytet mellan ink¨opt och producerad energi hos panna 3 ¨ar ett exempel p˚a verkningsgradsbest¨amning med den direkta metoden. Vid best¨amning av pannverkningsgrad s˚a ¨ar den indirekta metoden ett b¨attre val ¨an den direkta metoden en-ligt V.Seshendra Kumar Karri [7]. Detta p.g.a. att metoden ¨ar mindre k¨anslig f¨or os¨akerheter samt b¨attre i det avseendet att underlag f¨or f¨orb¨attringar finns. Studien p˚avisade ocks˚a att de st¨orsta f¨orlusterna ¨ar v¨armen som avg˚ar i r¨okgaserna. Den slutsatsen st¨ods ¨aven av A.Mahmoudi Lahijani, E.Supeni, F.Kalantari [8] som ocks˚a kom fram till att den indirekta me-toden ¨ar ett b¨attre val f¨or kartl¨aggning av f¨orluster.

M.R¨onnberg [9] utv¨arderade pannverkningsgraden p˚a D˚ava kraftv¨armeverk i Ume˚a under v˚aren 2014. Pannan ¨ar av BFB-typ och eldas med fasta biobr¨anslen och har en total effekt p˚a 105 MW exkl. r¨okgaskondensering. Den indirekta metoden anv¨andes och pannverkningsgraden best¨amdes till 90,2% vid h¨og last och 89,9% vid l˚ag last. Likt V.Seshendra Kumar Karri [7] visade sig r¨okgasf¨orlusten vara den st¨orsta f¨orlusten p˚a 6,3% och 6,2% f¨or h¨og respektive l˚ag last. Str˚alning och konvektionsf¨orlusten stod f¨or 0,5% och 0,9% f¨or h¨og respektive l˚ag last. M.S¨oderlund [10] gjorde ett liknande arbete p˚a ˚Alidhems v¨armeverk d¨ar tv˚a separata hetvattenpan-nor finns kallade panna 6 och panna 7. Panna 6 ¨ar en rosterpan-na p˚a 32 MW v¨armeeffekt vid fastbr¨anslef¨orbr¨anning. Panrosterpan-na 7 ¨ar ocks˚a en rosterpanna men p˚a 23 MW v¨armeeffekt och eldas med RT-flis. Verkningsgraden f¨or panna 6 best¨amdes till 89,3% d¨ar r¨okgasf¨orlusten stod f¨or 9,5%, str˚alning och kon-vektionsf¨orlust f¨or 0,3%, of¨orbr¨ant i aska 0,8% och of¨orbr¨ant i gasfas 0,0%. Verkningsgraden f¨or panna 7 best¨amdes till 82,8% d¨ar r¨okgasf¨orlusten stod f¨or 16,3%, str˚alning och kon-vektionsf¨orlust f¨or 0,5%, of¨orbr¨ant i aska 0,3% och of¨orbr¨ant i gasfas 0,1%.

N˚agot som ¨ar av stort intresse f¨or f¨oretag som driver f¨orbr¨anningsanl¨aggningar ¨ar det som kallas br¨anslekvalitet. Det ¨ar ett brett begrepp som kan variera beroende p˚a anl¨aggning, t.ex. hur pannan ¨ar byggd. I regel kan man s¨aga att det finns fyra huvudvariabler som ber¨or samtliga anl¨aggningar, dessa ¨ar fukthalt, v¨armev¨arde, askhalt och fraktionsstorlek. N˚agra av dessa variabler p˚averkar ¨aven det som kallas lag-ringsf¨orluster, detta ¨ar ett fenomen som uppst˚ar p.g.a. naturlig nedbrytning av materialet efter det avverkats. Nedbrytningen beror av angrepp fr˚an mikrober, mikrosvampar och bakteri-er. Nedbrytningen orsakar f¨orlust av br¨annbar substans och sker under utveckling av v¨arme och vatten vilket ofta bidrar

till ¨okande f¨orluster. En h¨ogre fukthalt tros leda till st¨orre f¨orluster. Ett mer finf¨ordelat material har en st¨orre area expo-nerad och blir d¨arav l¨attare angripen vilket leder till ¨okade f¨orluster. Detta ¨ar n˚agot man f¨ors¨oker minimera vid lagring d˚a det ¨ar energin som g˚ar f¨orlorad som v¨arme och koldioxid. [11]

Stora fastbr¨ansleldade kraftverk f¨orbrukar stora m¨angder br¨ansle och kr¨aver s˚aledes att br¨anslet lagras i n¨arheten f¨or att kontinuerligt kunna tillf¨ora br¨ansle till pannan. Rentize-las, A.A., Tolis, A.J. and Tatsiopoulos, I.P. [12] kunde visa att det finns skillnader mellan att lagra br¨anslet p˚a olika s¨att, tre olika metoder j¨amf¨ordes. ¨Oppen lagring utomhus, delvis t¨ackt lagring under tak samt inomhus med m¨ojlighet att tor-ka br¨anslet genom tillf¨orsel av varm luft. Studien visade att lagra br¨anslet utomhus ¨ar helt klart den billigaste metoden. Den minskande hanteringen och f¨orlust av br¨annbar substans v¨ager inte upp f¨or den ¨okade kostnaden av ett lager inomhus. Det flaggas dock f¨or att om br¨anslet har h¨og fukthalt (kring 40-50%) s˚a finns viss risk att kostnaderna ¨okar vid lagring utomhus, detta p.g.a. att l¨attare tillg˚ang till vatten snabbar p˚a nedbrytningsprocessen.

T.Afzal Muhammad et al [13] genomf¨orde en studie d¨ar biomassa fr˚an en art av bj¨ork i Kanada lagrades i olika former under ett ˚ar. Delar av biomassan flisades och lagrades i tre stycken h¨ogar, en h¨og fick ligga helt oskyddad, en t¨acktes ¨over med en vattent¨at presenning som till¨at luftutbyte och den sista h¨ogen placerades p˚a en plastduk som f¨orhindrade fukt fr˚an att penetrera biomassan underifr˚an. Ut¨over f¨orvaring som flis s˚a togs stammar och kn¨ots ihop till paket om ca 50 kg med en medell¨angd p˚a ca 3 m och medelh¨ojd 0,5 m, pa-ketet placerades sedan p˚a en st¨allning med 0,5 m avst˚and mellan paketen f¨or att till˚ata naturligt luftfl¨ode. Den sista metoden var att ta stammar och bara l˚ata de ligga l¨ost i en h¨og. Fukthalt, v¨armev¨arde, askhalt och f¨orlust av torrsub-stans m¨attes. Endast fukthalt visade en tydlig skillnad efter ett ˚ars lagring. F¨orlust av torrsubstans och v¨armev¨arde var st¨orre i h¨ogarna som krossats till flis ¨an hos stammarna som ej krossats d¨ar den ot¨ackta h¨ogen visade st¨orst f¨orluster. En minskning av v¨armev¨ardet med 1,6% uppm¨attes j¨amf¨ort med 0,7% f¨or stammarna. Samma h¨og visade ocks˚a st¨orst f¨orlust av torrsubstans p˚a 27%, den t¨ackta h¨ogen f¨orlorade endast 8% av torrsubstansen. Stammarna visade ˚aterigen den minsta f¨orlusten med 3% f¨orlust av torrsubstans. Av biomassan som krossats till flis uppm¨attes b¨ast resultat i h¨ogen som t¨ackts med presenning. Fukthalten minskade kontinuerligt under ˚aret vilket inte uppm¨attes f¨or n˚agra av de andra testen samt mi-nimal f¨ors¨amring av br¨anslekvaliten. Studien visar ocks˚a att det ¨ar f¨ordelaktigt att krossa biomassan till flis s˚a sent som m¨ojligt innan anv¨andning.

N.Hofmann et al [14] utf¨orde en studie genom att anv¨anda sig av tv˚a olika typer av biomassa, rester fr˚an skogsbruk (grot) och flisad rundved som lagrades under olika ˚arstider f¨or att j¨amf¨ora resultaten. Vinterperioden str¨ackte sig mellan Novem-ber 2014 till April 2015 och sommarperioden mellan Maj 2015 till Oktober 2015. Flisen lagrades i fyra h¨ogar omkring

200 m3_{styck, tv˚a av h¨ogarna bestod av grot och de}

resteran-de tv˚a av flisad rundved. En av varresteran-dera h¨og med biomassa t¨acktes med presenning som skydd f¨or regn men till¨at luftut-byte. Samtliga h¨ogar uppvisade f¨orlust av torrsubstans, minst f¨orluster observerades under vintern vilket troligtvis h¨anger ihop med l¨agre utomhustemperatur under vinterhalv˚aret. Grot uppvisade ocks˚a st¨orre f¨orluster (upp mot 11%) ¨an rundveden (upp mot 7%). V¨armev¨ardet (torrt) visade mindre tendenser till f¨or¨andring, som mest en minskning med 2,3% f¨or grot un-der vinterhalv˚aret. Detta beror till stor del p˚a att de substanser med h¨ogt v¨armev¨arde t.ex. lignin, inte f¨ormultnar lika snabbt som t.ex. cellulosa som har ett l¨agre v¨armev¨arde och b¨orjar f¨ormultna under lagringstiden. Askhalt p˚averkades ocks˚a mar-ginellt. Detta summeras i f¨orlusten av total anv¨andbar energi i br¨anslet, d¨ar de totala f¨orlusterna varierade fr˚an ca 3% upp till 11,3% f¨or grot och 3,8 till 5,7% f¨or rundved. Det kunde sl˚as fast att de stora f¨or¨andringarna i energiinneh˚all orsakades av f¨orlust av torrsubstans samt ¨okad fukthalt, och beror starkt av nederb¨ord, under vilken s¨asong lagringen sker samt lagrings-tiden. Att t¨acka h¨ogarna visade tendenser p˚a att hj¨alpa till vid torkning av br¨anslet.

M.Barontini et al [15] studerade hur lagring p˚averkar br¨anslekvaliteten hos flisad poppel, b˚ade stamved och grot anv¨andes. Biomassan lagrades i centrala Italien mellan Mars och September 2012. H¨ogarna var 10 m l˚anga, 8 m breda och 4 m h¨oga vilket resulterade i en volym p˚a drygt 117 m3_.

Br¨anslekvaliteten m¨attes genom att studera fukt- och askhalt, v¨armev¨arde och kemisk sammans¨attning f¨ore och efter lag-ringen. Data fr˚an tre olika niv˚aer i h¨ogarna j¨amf¨ordes, niv˚a 1 var 1 m ¨over marken, h¨ojd 2 var p˚a 2,5 m och niv˚a 3 p˚a 3,5 m ¨over marken. Fukthalten var betydligt l¨agre p˚a samtli-ga niv˚aer efter lagringen, f¨or stamved sj¨onk fukthalten fr˚an 47,7% till 31,6-35,9% d¨ar den st¨orsta f¨or¨andringen skedde p˚a niv˚a 3 och minst p˚a niv˚a 1. Grot visade liknande tendenser d˚a fukthalten sj¨onk fr˚an 54,2% till mellan 28,3-33,7% dock med st¨orst f¨or¨andring p˚a niv˚a 1 och minst p˚a niv˚a 3. F¨or m¨atning av torrsubstansf¨orlusten anv¨andes tv˚a metoder, n¨atp˚asar som placerats inne i h¨ogen men hela h¨ogen v¨agdes ocks˚a f¨ore och efter lagringen. F¨orlust av torrsubstans noterades f¨or samt-liga niv˚aer i b˚ada h¨ogarna, stamved visade betydligt st¨orre f¨orluster ¨an grot. Upp mot 27% f¨or stamved mot 10% f¨or grot. Br¨anslets sammans¨attning var n¨astan of¨or¨andrad efter lag-ringen d¨ar endast en minskning av kv¨ave noterades f¨or b˚ada h¨ogarna, askhalten ¨okade n˚agot under lagringen. B˚ade det ef-fektiva och kalorimetriska v¨armev¨ardet ¨okade n˚agot f¨or b˚ada h¨ogarna under lagringen vilket delvis kan bero p˚a den l¨agre fukthalten efter lagringen. Det totala energiinneh˚allet beror av torrsubstansf¨orlusten och v¨armev¨ardet, h¨ar kunde en stor skillnad ses mellan grot och stamved. Stamveden f¨orlorade kring 13-18% av sitt energiinneh˚all beroende p˚a vilken metod man valde fr˚an torrsubstansf¨orlusten d¨ar n¨atp˚asarna visade mindre f¨orluster. F¨or grot var skillnaderna betydligt mind-re, n¨atp˚asarna visade ett ¨okat energiinneh˚all med ca 1% och v¨agning av hela h¨ogen visade en minskning med ca 2%.

M.Anheller [16] gjorde en liknande studie d¨ar

lag-ringsf¨orluster j¨amf¨ordes mellan bark och returtr¨aflis. Bio-massan lagrades i h¨ogar, i detta fall ca 6,5 m h¨og och 50 m l˚ang i 2-4 m˚anader. F¨or returtr¨a s˚ags ingen tydlig skill-nad p˚a fulthalt utan endast marginella skillskill-nader, barkh¨ogarna uppvisade st¨orre f¨or¨andringar d¨ar br¨anslet tenderade att tor-ka under lagringen. Askhalt visade ingen signifitor-kant nad f¨or varken returtr¨a eller bark, endast marginella skill-nader som mycket v¨al kan bero p˚a m¨atos¨akerheten. Effekti-va v¨armev¨ardet i returtr¨at p˚averkades inte av lagringen me-dan en liten f¨ors¨amring p˚a 2,6% noterades f¨or barken. Ing-en skillnad i totalt Ing-energiinneh˚all noterades d˚a m¨atningIng-en av torrsubstansf¨orlust ans˚ags op˚alitlig. Generellt visade bark en st¨orre f¨orlust av torrsubstans medans returtr¨a endast visa-de marginella f¨orluster, f¨ormodligen p.g.a. att barken ¨ar ett f¨arskare br¨ansle och har fler levande organismer kvar i bio-massan. Samt h¨ogre fuktinneh˚all och mindre partikelstorlek. Inga st¨orre skillnader noterades f¨or ˚arstiden i detta fallet. Me-toden som anv¨andes ¨ar dock ok¨anslig f¨or sm˚a variationer i torrsubstans under kort tid vilket b¨or tas i beaktning. Risk finns ocks˚a att resultatet beror p˚a biomassans heterogenitet. I vissa fall kunde en ¨okning av v¨armev¨ardet noteras, detta mest troligt p.g.a. att br¨anslet torkade av v¨armen som genererades.

A.Eriksson [17] utf¨orde en studie d¨ar returtr¨aflis och fli-sad stamved lagrades under 6 veckor. En h¨og f¨or vardera flis om ca 400-500 m3gjordes d¨ar temperatur, fukthalt, ask-halt, v¨armev¨arde och torrsubstans ¨overvakades. En tredje h¨og gjordes p˚a en uppv¨armd yta f¨or att se om det kunde skyn-da p˚a torkning av flisen. Returtr¨at visade enskyn-dast tendenser p˚a minskad fukthalt under lagringen, upp mot 2% minskad fukthalt noterades som mest. Askhalt visade inte heller n˚agra tendenser p˚a f¨or¨andring mest troligt p.g.a. heterogeniteten p˚a flisen. Samma g¨allde v¨armev¨ardet som visade tendenser p˚a att ¨oka p.g.a. minskad fukthalt i h¨ogen, dock med stora standardavvikelser. En f¨orlust p˚a 2% torrsubstans noterades under lagringstiden, detta skedde mest under de f¨orsta tv˚a vec-korna och stannade sedan av. Energiinneh˚allet i h¨ogen ¨ar en funktion av f¨or¨andring i torrsubstans, fukthalt och v¨armev¨arde och varierade under lagringstiden. Efter tv˚a veckor hade ene-riinneh˚allet minskat med 4,7% f¨or att sedan v¨anda och sluta p˚a 1,6% h¨ogre ¨an vid start. Den f¨arska stamveden visade en ¨okad askhalt under lagringen, detta beror f¨ormodligen p˚a torr-substansf¨orlusten som man ocks˚a observerade under samma period. En ¨okning av fukthalten noterades ocks˚a. Ett h¨ogre kalorimetriskt v¨armev¨arde observerades efter lagringen vilket liknar fenomenen som N.Hofmann et al [14] upplevde i sin studie, att cellulosa med l¨agre v¨armev¨arde bryts ner snabba-re ¨an andra substanser med h¨ogsnabba-re v¨armev¨arme. Stamveden visade en tydligare tendens g¨allande energiinneh˚all som mins-kade under hela lagringstiden, efter 6 veckor noterades en minskning med 2,6%.

X.He et al [18] utf¨orde en studie d¨ar man j¨amf¨orde hur gasutsl¨app korrelerar mot f¨orlust av torrsubstans under olika f¨orh˚allanden. Flis anv¨andes och lagrades i olika temperaturer samt med eller utan tillg˚ang till syre, man provade ocks˚a att j¨amf¨ora lagring av en sorts flis med en blandning av olika

sorters flis. Blandningen av flis uppvisade st¨orre f¨orluster av torrsubstans b˚ade med och utan tillg˚ang till syre. Tillg˚ang till syre ¨okar f¨orlusten av torrsubstans i allm¨anhet, detta obser-verades i samtliga tester. Man s˚ag ocks˚a ett samband mellan utsl¨app av gaser fr˚an biomassan och f¨orlust av torrsubstans. Studien visade ocks˚a att ¨okad temperatur snabbar p˚a processen s˚a mer torrsubstans g˚ar f¨orlorad p˚a kortare tid. T.Th¨ornqvist [19] gjorde en studie som visade att temperaturen inne i h¨ogen kan n˚a upp till 90◦C vilket g¨or att processerna g˚ar snabbt. R.Jirjis [20] kom fram till att man g¨arna vill h˚alla tempera-turen under 15◦C f¨or att h˚alla nedbrytningen av materialet minimal.

Det finns studier som provat andra s¨att att minska den biologiska aktiviteten i biomassan. E.Wallace [21] provade att tills¨atta olika ¨amnen och f¨oreningar i biomassan f¨or att mins-ka aktiviteten, flera av f¨oreningarna visade sig ha en positiv effekt och minskade aktiviteten men eftersom biomassa ofta anv¨ands till f¨orbr¨anning i pannor s˚a beh¨over man ocks˚a t¨anka p˚a hur dessa ¨amnen p˚averkan pannan ¨over tid. De flesta av de unders¨okta ¨amnena skulle ha en negativ p˚averkan och orsaka o¨onskad korrosion i pannan vilket reducerar livsl¨angden och ¨okar underh˚allskostnaden.

Sammanfattningsvis finns det mycket studier inom br¨ansle och energiproduktion d¨ar resultaten ibland g˚ar emot varandra. Detta framf¨orallt n¨ar det g¨aller lagring av br¨ansle d¨ar olika teorier finns om vad som p˚averkar lagringen samt hur stora f¨orlusterna blir. Genomg˚aende ¨ar det sv˚art att m¨ata sm˚a skill-nader ¨over tid d˚a br¨anslet i fr˚aga ofta ¨ar heterogent och stora variationer kan observeras inom samma m¨angd.

3. Anl ¨aggningen

Idb¨acksverket ¨ar ett kraftv¨armeverk bel¨aget p˚a omr˚adet Idb¨acken i centrala Nyk¨oping som ¨ags och drivs av Vat-tenfall. H¨ar produceras fj¨arrv¨arme f¨or att v¨arma husen runt om i Nyk¨oping samt elkraft som skickas ut p˚a eln¨atet. Anl¨aggningen best˚ar av tre fastbr¨ansleeldade pannor, en el-panna samt en deponigaseldad hetvattenel-panna. I de fast-br¨ansleeldade pannorna kan br¨anslen av olika kvalit´eer anv¨andas s˚a som biobr¨anslen, kol, torv samt olja och gas. Under normal drift anv¨ands enbart biobr¨anslen, olja anv¨ands endast vid uppstart eller of¨orutsedda situationer d˚a s¨arskilda behov finns, t.ex. vid f¨or l˚ag temperatur i eldstaden.

Basproduktionen p˚a anl¨aggning utg¨ors av kraftv¨armepannan kallad P3 (panna 3), som har en maximal ˚angeffekt p˚a 80 MW och ¨ar av BFB-typ (bubblande fluidserad b¨add), en ˚angturbin och tillh¨orande generator kan producera upp till 26 MW eleffekt och 54 MW fj¨arrv¨arme kan f˚as fr˚an ˚angpannans kondensorer. En r¨okgaskondensering p˚a ytterligare 13 MW ¨ar ocks˚a installerad. Pannan och dess tillh¨orande system beskrivs mer i detalj senare Kap.3.2. Panna 3 eldas prim¨art med en avfallsklassad returtr¨aflis som kallas RT-flis, denna k¨ops in fr˚an Skandinavien men ocks˚a fr˚an ¨ovriga Europa. Vid behov kan skogsbr¨ansle eldas i P3 men g¨ors normalt inte. Med skogsbr¨ansle menas f¨arsk ved som k¨ops in fr˚an skandinavien och flisas f¨or produktion av el och

v¨arme. RT-flisen kan ocks˚a blandas ut med skogsbr¨ansle f¨or att h¨oja br¨anslekvaliteten. Br¨ansletransporterna fr˚an Europa kommer med b˚at till hamnen i Oxel¨osund d¨ar de lastas av och ett br¨anslelager finns f¨or mellanlagring av br¨anslet innan det med lastbil f¨ors vidare till Idb¨acksverket d¨ar lagring under kortare tid ¨ar m¨ojlig. Hanteringen beskrivs mer i detalj i Kap.3.1.

P˚a anl¨aggningen finns ocks˚a tv˚a hetvattenpannor, panna 1 och panna 2 som eldas med fasta br¨anslen. Dessa ¨ar p˚a 40 MW/styck (35 MW vid fliseldning) och anv¨ands i regel bara under de kallaste dagarna under ˚aret eller n¨ar panna 3 ej ¨ar i drift. De ¨ar av CFB-typ (cirkulerande fluidiserad b¨add) och eldas enbart med skogsbr¨ansle.

Elpannan ¨ar p˚a 14 MW och drivs som namnet antyder av elektricitet f¨or att generera varmvatten som kan anv¨andas f¨or fj¨arrv¨armeproduktion. Pannan anv¨ands inte s¨arskilt ofta, under 2018 var antal drifttimmar 0.

Till sist finns ocks˚a en deponigaseldad hetvattenpanna p˚a 1,5 MW. Gasen skickas via gasledning fr˚an Bj¨orshult ˚atervinningscentral till Idb¨acksverket f¨or f¨orbr¨anning. I P3 finns en gasbr¨annare inbyggd d¨ar gasen normalt f¨orbr¨anns men om problem uppst˚ar beh¨over man f¨orbr¨anna gasen p˚a annat s¨att, d¨arav finns en separat panna avsedd f¨or detta. Totalt f¨orser Idb¨acksverket ca 95% av Nyk¨oping med fj¨arrv¨arme.

3.1 Br ¨anslehantering

Br¨anslet som anv¨ands p˚a Idb¨ackens kraftv¨armeverk ¨ar flisat tr¨adbr¨ansle av olika ursprung. P3 eldas i normala fall med RT-flis som ¨ar ˚atervunnet tr¨amaterial som anv¨ants tidigare, ofta bygg- och rivningsavfall som sorteras och flisas innan f¨orbr¨anning. RT-flisen k¨ops in fr˚an olika leverant¨orer, b˚ade i Skandinavien och andra delar av Europa. RT-flisen fr˚an skan-dinavien (kallad bilflis) kommer med lastbil till Idb¨acken d¨ar lastbilen k¨ors ¨over en v˚ag som registrerar lastbilens totala vikt, efter lossning av br¨anslet p˚a br¨ansleplanen v¨ags den nu tomma lastbilen igen och skillnaden i vikt ¨ar br¨anslet som levererats. P˚a br¨ansleplanen lagras br¨anslets under relativt kort tid innan det g˚ar in till f¨orbr¨anning. Lastmaskinsf¨orare staplar upp flisen fr˚an lastbilarna i h¨ogar som sedan k¨ors till br¨ansleinmatningen efter behov. Vid leverans tas ocks˚a ett prov p˚a br¨anslet f¨or att fastst¨alla dess fukthalt, askhalt, v¨armev¨arde och ¨ovrig sammans¨attning. Det g¨allande rutinen ¨ar att lastbilschauff¨oren h¨amtar en provtagningshink vid inpas-sering innan v˚agen. N¨ar br¨anslet har lossats fr˚an lastbilen g˚ar chauff¨oren och fyller hinken med flis fr˚an en godtycklig plats i h¨ogen som just lossats. Provet ska vara slumpm¨assigt och s˚a representativt som m¨ojligt f¨or hela leveransen, d¨arav ska prov ej tas p˚a t.ex. det material som ligger n¨armast marken. Hinken t¨acks med ett lock och l¨amnas ˚ater p˚a ˚aterl¨amningsplatsen vid br¨ansleboden som ¨ar bel¨agen ute p˚a br¨ansleplanen d¨ar anl¨aggningens br¨ansletekniker sitter. Br¨ansleteknikern h¨amtar in proverna dagligen och tar ett fuktprov p˚a plats. Detta g¨ors genom att ett delprov av flisen torkas i 105◦C till konstant vikt enligt SS-EN ISO 18134-1:2015 [22]. Provet v¨ags f¨ore och efter f¨or att kunna best¨amma m¨angden vatten som avdunstat

fr˚an br¨anslet och d¨arigenom fukthalten. Ett delprov av den torkade flisen l¨aggs i en p˚ase i en samlingsbeh˚allare som se-nare skickas in f¨or analys. Samlingsbeh˚allarna ¨ar separerade efter leverant¨or och skickas in f¨or analys till ett f¨oretag som heter Eurofins, detta sker ca en g˚ang i m˚anaden. Med andra ord inneh˚aller varje prov flis fr˚an m˚anga leveranser. N¨ar ana-lyssvaren kommer vet man m¨angden br¨ansle sedan tidigare, och nu v¨armev¨ardet och ¨ovrig sammans¨attning och d¨arigenom kan m¨angden energi man k¨opt in best¨ammas och anv¨andas som fakturaunderlag d˚a br¨ansle k¨ops in per energienhet.

Br¨ansle som inte kommer fr˚an skandinavien kommer med b˚at (kallad b˚atflis) till Oxel¨osunds hamn d¨ar den lastas av med kran och l¨aggs p˚a kajen. Lastmaskinsf¨orare fyller last-bilar med br¨ansle som k¨ors upp till en lagringsplan i ham-nen d¨ar br¨anslet staplas i h¨ogar. F¨or varje 100 ton flis (ca var tedje lastbil) tas ett prov av flisen f¨or att best¨amma dess sammans¨attning. Detta g¨ors med en balkprovtagare som ¨ar utvecklad av Vattenfall. Anordningen best˚ar av en balk som ¨ar ca 2,5 m l˚ang och 25 cm bred som monteras i en vinkel av ca 45◦, se Fig.1. Lastmaskinsf¨oraren tar en 1/4 skopa flis fr˚an ca 0,5 m upp i h¨ogen och tippar br¨anslet sakta mot balken. Br¨anslets som f˚angas upp av balken ramlar ner i containern, efter varannan skopa j¨amnas niv˚an till s˚a det inte blir stopp i r¨annan och br¨anslet hamnar utanf¨or. Efter 8 provskopor ¨ar containern fylld till ca 1 m d˚a flisen j¨amnats ut. Nu ska provet delas ned i ett mindre samlingsprov. Containern t¨oms i en tom lastmaskinsskopa och br¨anslet j¨amnas ut ¨over hela skopans bredd. Containern byts ut mot en hink och lastmaskinsf¨oraren tippar ˚aterigen flisen ¨over balken och flis f¨or prov sorteras ut. Br¨ansle ramlar ner i hinken som b¨or fyllas till 80-100% om r¨att m¨angd br¨ansle har tagits. Detta prov m¨arks med datum, vilken leverans och vilken hink f¨or varje b˚at det ¨ar. En b˚at kan generera flera hinkar med flisprov beroende p˚a storlek. Provet skickas sedan iv¨ag till Eurofins f¨or analys. D˚a b˚atflisen generellt sett h˚aller s¨amre kvalitet ¨an flisen som kommer fr˚an skandinavien s˚a inv¨antas alltid provsvar innan man skickar flisen till f¨orbr¨anning p˚a Idb¨acken. Detta d˚a det historiskt har varit h¨oga m¨angder av o¨onskade ¨amnen som orsakat problem med t.ex. sintring i pannan. Sintring ¨ar ett fenomen d˚a par-tiklar sammanfogas till st¨orre objekt under h¨og v¨arme men under sin sm¨altpunkt. Om en leverant¨or kontinuerligt levere-rar underm˚alig flis s˚a f¨orl¨angs inte avtalet med leverant¨oren. Flisen lagras p˚a br¨ansleplanen i hamnen tills den beh¨ovs och k¨ors med lastbil till Idb¨acken. H¨ogarna skiljs ˚at s˚a att varje leverans av flis ligger enskilt, detta f¨or att veta vilket br¨ansle som ¨ar vilket om problem skulle uppst˚a eller om flisen h˚aller underm˚alig kvalitet. ¨Ar flisen d˚alig blandas den ofta ut med b¨attre flis f¨or att underl¨atta vid f¨orbr¨anning. Chauff¨oren v¨ager lastbil och flis p˚a samma s¨att som beskrivits tidigare f¨or att kontrollera att vikten som leverant¨oren angett st¨ammer, fli-sen v¨ags ej i hamn. Br¨anslet staplas sedan i h¨ogar p˚a samma s¨att som bilflisen, h¨ogarna skiljs dock ˚at d˚a bilflisen generellt h˚aller b¨attre kvalitet.

RT-flis g˚ar endast att elda i P3, d¨arf¨or beh¨over man k¨opa in ett annat br¨ansle till P1 och P2. Dessa eldas endast med

Figur 1.Rutinprovtagning i Oxel¨osunds hamn med balkprovtagare utvecklad av Vattenfall.

skogsflis som best˚ar av f¨arskved fr˚an Sverige som flisas innan f¨orbr¨anning. Detta br¨ansle anses v¨aldigt fint och inneh˚aller inga rester fr˚an bygg- eller rivningsindsutrin och anv¨ands en-dast vid behov d˚a den ¨ar dyrare ¨an RT-flisen. Vid problem med RT-flisen eldas skogsflis i P3 men undviks helst p.g.a. kostnaden d˚a P3 f¨orbrukar ca 600 ton flis per dygn vid maxlast. Br¨anslet lagras ocks˚a p˚a Idb¨ackens br¨ansleplan i h¨ogar sepa-rerade fr˚an RT-flisen. F¨orutom skogsbr¨ansle och RT-flis k¨ops ocks˚a grot in f¨or inblandning i RT-flisen eller skogsbr¨anslet vid behov, ¨aven denna lagras i en separat h¨og. Skogsflis och grot kommer till Idb¨acken via lastbil och provtagning g¨ors p˚a samma s¨att som f¨or bilflis.

Br¨ansleplanen p˚a Idb¨acken rymmer ca 6000 ton br¨ansle vilket motsvarar ca 2-4 b˚atar med flis. Fr˚an flislagret blandas och lastas ¨onskat br¨ansle in i anl¨aggningens br¨anslesystem med hj¨alp av lastmaskin som ¨ar utrustad med skopv˚ag. An-tal skopor och ton som lastas in till anl¨aggningens interna br¨anslesystem noteras av lastmaskinsf¨orarna f¨or att f˚a en un-gef¨arlig bild p˚a m¨angden br¨ansle som f¨orbrukas.

3.2 Panna 3

Pannan ¨ar ursprungligen byggd f¨or f¨orbr¨anning av kol men har konverterats f¨or tr¨adbr¨anslen och har en bubblande fludi-serad b¨add. N¨ar br¨anslet n˚ar b¨adden via inmatningsksruvarna

torkas och avgasas br¨anslet av den stora m¨angden termisk energi som finns lagrat i b¨adden. F¨orbr¨anningsluften tillf¨ors pannan i tv˚a steg, prim¨ar- och sekund¨arsteg och b˚ada f¨orv¨arms kontinuerligt d˚a br¨anslet inneh˚aller en hel del fukt. Hur luften f¨orv¨arms behandlas under Kap.3.3.

Pannans ekonomiser tillf¨ors vatten fr˚an matarvattenpum-parna vid ett tryck p˚a 9-12 MPa beroende p˚a last, och en tem-peratur p˚a ca 200◦C. Matarvattnet f¨orv¨arms med ˚anga innan det n˚ar ekonomisern som sedan leder vattnet till ˚angdomen d¨ar det f¨ordelas i panntuberna. V¨armen fr˚an f¨orbr¨anningen kokar pannans vatten till ˚anga som stiger upp mot ˚angdomen d¨ar ˚angan avskiljs fr˚an vatten innan det leds till ¨overhettarna f¨or att v¨armas ¨over sin m¨attnadstemperatur. Pannan har tv˚a konvektions¨overhettare d¨ar ˚angan v¨arms till ca 520◦C innan den leds vidare till ˚angsystemet, detta behandlas i Kap.3.6.

N¨ar br¨anslet brunnit ut i b¨adden finns bottenaskan kvar, delar av sandb¨adden matas kontinuerligt ut ur pannans botten och via kylda bottenskrapor f¨ors vidare till askavskiljning-en d¨ar sand skiljs fr˚an aska. Sandaskavskiljning-en matas till askavskiljning-en sandsilo och ˚aterf¨ors till b¨adden kontinuerligt. Askan matas till asksi-lon som t¨oms efter behov, ca en g˚ang i veckan beroende p˚a last. En del av askan f¨oljer med r¨okgaserna genom pannan och kan fastna p˚a panntuberna och beh¨over tas bort konti-nuerligt f¨or att inte f¨ors¨amra v¨arme¨overf¨oringen. Detta g¨ors genom sotning, pannan byggdes ursprungligen med ˚angsotare men dessa byttes ut mot spr¨angsotare under 2012. Flygaskan som f¨oljer med r¨okgaserna passerar pannans konvektionsdel, ¨overhettarna, luftf¨orv¨armarna och ekonomisern innan de n˚ar r¨okgasreningen, se Kap.3.5.

3.3 F ¨orbr ¨anningsluft & r ¨okgas ˚aterf ¨oring

I f¨orbr¨anningsanl¨aggningar avsedd f¨or energiproduktion s˚a tillf¨ors f¨orbr¨anningsluften i regel i flera steg. Detta f¨or att undvika ett f¨or stort ¨overskott av luft i delar av br¨ansleb¨adden vilket l¨att h¨ander om man tillf¨or all luft i ett steg. Luft¨overskott ¨okar risken f¨or bildning av NOx(kv¨aveoxider) samt minskar pannans verkningsgrad. D¨arf¨or tillf¨ors endast en del av det totala luftbehovet som prim¨arluft f¨or att avgasa och torka br¨anslet. Sekund¨arluft tillf¨ors sedan en bit upp i pannan f¨or att blanda om gaserna och ¨oka chansen att de br¨annbara sub-stanserna st¨oter p˚a en syremolekyl, detta f¨or att s¨akerst¨alla fullst¨andig f¨orbr¨anning. F¨orbr¨anningsluften f¨orv¨arms innan den g˚ar in i pannan, detta g¨ors via v¨armev¨axlare som kallas luvo. Totalt finns 4 s˚adana v¨armev¨axlare i drift idag, luvo 1,2 och 3 d¨ar luften v¨arms av r¨okgaserna, samt en ˚angluvo d¨ar luften v¨arms med LT-˚anga (l˚agtrycks˚anga).

Ren prim¨arluft tas fr˚an pannhuset som vanligtvis h˚aller ca 35◦C och blandas med r¨okgas som leds av fr˚an r¨okgaskanalen mellan r¨okggasfl¨akten och r¨okgaskondenseringen. Bland-ningen kallas nu prim¨argas. Med r¨okgasens hj¨alp n˚ar ga-sen en temperatur p˚a ca 150◦C. Inblandningen av r¨okgas varierar och anv¨ands f¨or att minska andelen syre i luf-ten och minska bildningen av NOx. Inblandningen sker p˚a sugsidan av prim¨arluftsfl¨akten. Efter inblandning f¨orv¨arms prim¨argasen via Luvo 3, den ¨ar placerad i r¨okgaskanalen

in-nan r¨okgasfl¨akten d¨ar luften n˚ar en temperatur p˚a ca 170◦C. Prim¨argasen f¨orv¨arms slutligen i Luvo 1 som ¨ar placerad efter pannans ekonomiser, de heta r¨okgaserna v¨armer luften till ca 210◦C innan gasen g˚ar in i pannan. Prim¨argasen hj¨alper till vid torkning och avgasning och ¨ar den som f˚ar b¨adden att fluidiseras (bubbla).

Sekund¨arluften f¨orv¨arms i tv˚a steg med hj¨alp av ˚anga och r¨okgaser. Luften tas precis som prim¨arluften fr˚an pannhuset och h˚aller en temperatur p˚a ca 35◦C. Luften f¨orv¨arms f¨orst med l˚agtrycks˚anga fr˚an den s˚a kallade ˚angl˚adan (f¨orklaras i Kap.3.6) som via ˚angLuvon, d¨ar ˚angan ¨overf¨or sin energi till luften som n˚ar en temperatur p˚a ca 75◦C. Luften passerar nu Luvo 2 som ¨ar placerad efter ekonomisern och f¨orv¨arms ytterligare till ca 200◦C innan den f¨ors in till f¨orbr¨anning.

3.4 DeNOx-system

Pannan har ett system f¨or att minska utsl¨app av kv¨aveoxider, detta system kallas ChlorOut eller DeNOx-system. Systemet best˚ar av tv˚a lansar som sprutar in en blandning av ammoni-umsulfat och vatten i de heta r¨okgaserna, lansarna ¨ar placerade i b¨orjan av 2a draget strax innan ¨overhettarna. Fl¨odet in i pan-nan ¨ar konstant p˚a 230 l/h och operat¨orerna styr inblandning av ammoniumsulfat efter NOx-halten i r¨okgasen.

3.5 R ¨okgasrening

Efter pannans ekonomiser tills¨atts kol och kalk som bin-der de skadliga ¨amnena i r¨okgasen till partiklar som ¨ar l¨attare att f˚anga upp. Anl¨aggningen var ursprungligen ut-rustat med ett elfilter f¨or att rena r¨okgaserna men ett nytt slangfilter installerades 2016. R¨okgaserna leds genom slang-filtret d¨ar partiklarna fastnar, genom bak˚atbl˚asning loss-nar partiklarna fr˚an filtret och f˚angas upp som flygaska och leds bort. R¨okgasen passerar r¨okgasfl¨akten varefter en del av fl¨odet leds tillbaka till pannan f¨or att blandas med prim¨arluften enligt Kap.3.3. Efter r¨okgasfl¨akten g˚ar r¨okgasen in i anl¨aggnings r¨okgaskondensering d¨ar man tar tillvara p˚a kondenseringsv¨armen i r¨okgasen, inkommande temperatur p˚a r¨okgasen ¨ar ca 180◦C och kyls till ca 50◦C innan den n˚ar skorstenen. R¨okgasen ¨ar v¨aldigt n¨ara sin daggpunktstempe-ratur efter r¨okgaskondenseringen, f¨or att undvika kondens i skorstenen tills¨atts en liten del f¨orv¨armd sekund¨arluft p˚a ca 200◦C f¨or att eliminera det problemet.

3.6 ˚Angsystem

¨

Oversiktsbild ¨over ˚angsystemets kan ses i Fig.4. Anl¨aggningens ˚angsystem best˚ar i huvudsak av ˚angturbin, generator och fj¨arrv¨armekondensor d¨ar den s¨aljbara energin produceras. ˚Angturbinen best˚ar av tv˚a separata steg, en h¨ogtrycksdel och en l˚agtrycks del som ¨ar anslutna till en gemensam axel. Mellan turbinerna sitter generatorn som genererar den elektricitet som skickas ut p˚a kraftn¨aten. Vid maximal last kan generatorn producera 35 MW el och har tillsammans med turbinerna en total verkningsgrad p˚a ηT,tot

= 96%. Vid 50% last sjunker verkningsgraden till 93%. P.g.a. begr¨ansningar i ˚angeffekt fr˚an pannan s˚a k¨ors turbinen s¨allan i mer ¨an 25 MW eleffekt.

Den ¨overhettade ˚angan fr˚an pannan (HT-˚anga) g˚ar in i h¨ogtrycksturbinen och till˚ats expandera till 9-10 bar (LT-˚anga) vid normal drift. En del av fl¨odet leds av via ˚angl˚adan f¨or att anv¨andas i diverse processer runt anl¨aggningen, resterande l˚agtrycks˚anga leds till l˚agtrycksturbinen d¨ar den expanderar till ca 0,2 bar, ˚anga tas ocks˚a ut vid 0,4 bar. ˚Angan leds sedan till kondensorn d¨ar den kondenserar och ¨overf¨or sin energi till fj¨arrv¨armen¨atet. Vattnet n˚ar sedan matarvattentanken (MaVa-tank) d¨ar det lagras innan det ˚aterf¨ors till pannan f¨or att hettas upp p˚a nytt. Matarvattenpumpen (MaVa-pump) ¨ar placerad efter MaVa-tanken och h¨ojer trycket till aktuellt drifttryck som varierar kring 9-12 MPa beroende p˚a last och k¨ors¨att. Vattnet f¨orv¨arms i h¨ogtrycksf¨orv¨armaren med hj¨alp av HT-˚anga leds av fr˚an h¨ogtrycksturbinen, innan det g˚ar in i pannan igen.

LT-˚anga som leds av efter HT-turbinen leds till den s˚a kallade ˚angl˚adan som anv¨ands som en lagringsplats f¨or ˚anga som anv¨ands runt om p˚a anl¨aggningen. Trycket i ˚angl˚adan varierar men ligger oftast kring 6-7 bar och temperaturen ligger p˚a ca 170◦C. ˚Angan anv¨ands till en rad olika saker som luftf¨orv¨armning, varmh˚allning av P1 & P2, f¨orv¨armning av matarvatten efter kondensor (LT-f¨orv¨armare), f¨orv¨armning och atomisering av eldningsolja samt en liten m¨angd ˚anga till fj¨arrv¨armeackumulatorn. P.g.a. att ˚anga kontinuerligt leds bort fr˚an systemet s˚a beh¨over man fylla p˚a med vatten f¨or att inte f˚a f¨or l˚aga niv˚aer p˚a anl¨aggningen. Detta p˚afyllningsvatten leds till MaVa-tanken och f¨orv¨arms med ˚anga f¨or att n˚a r¨att temperatur.

4. Teori

Under detta kapitel kommer relevant teori f¨or arbetet att pre-senteras och f¨orklaras.

4.1 Kraftv ¨arme & Rankinecykeln

Med kraftv¨arme menas den teknik som inneb¨ar att man pro-ducerar b˚ade elektricitet och fj¨arrv¨arme med h¨og verknings-grad, processen f¨oljer den s˚a kallade Rankinecykeln eller ˚angkraftprocessen. [23] Den ideala Rankinecykelnkeln best˚ar av 4 delprocesser:

1. → 2. Isentropisk tryckh¨ojning i matarvattenpump

2. → 3. V¨armeupptagning under konstant tryck i pannan.

3. → 4. Isentropisk expansion i turbin

4. → 1. V¨armebortf¨orsel och kondensering i kondensorn.

Delstegen kan ses i Fig.2. Med isentropisk process menas att den sker under konstant entropi, vilket inneb¨ar b˚ade adiaba-tisk (ingen v¨armef¨orlust) och reversibel. En s˚adan idealiserad process existerar inte i verkligheten men kan visa energin som ¨ar teoretiskt m¨ojligt att utvinna om processen sker utan f¨orluster. Den ideala processen ¨ar anv¨andbar vid modellering och j¨amf¨orelse med verkliga processer och ger en bild av hur n¨ara man ¨ar den ideala processen. [23]

I processen anv¨ands s˚a gott som alltid vatten som arbets-medium p.g.a. dess h¨oga v¨armekapacitet, f¨orm˚agan att lagra

Figur 2.Schematisk bild ¨over Rankinecykeln.

mycket energi. Det finns ocks˚a organiska Rankinecyklar som anv¨ander ett kylmedium ist¨allet f¨or vatten vilket m¨ojligg¨or att cykeln kan k¨oras i betydligt l¨agre temperaturer, t.ex. som v¨arme˚atervinning efter en gasturbin [24]. Vattnet s¨atts under tryck i matarvattenpumpen och tillf¨ors ˚angpannans ekonomi-ser d¨ar vattnet v¨arms av r¨okgaekonomi-serna till m¨attnadstemperaturen. I ˚angpannan f¨or˚angas vattnet under konstant tryck och stiger upp till ˚angdomen d¨ar ˚angan avskiljs fr˚an vatten. Utg˚aende ˚anga fr˚an ˚angdomen g˚ar till pannans ¨overhettare d¨ar ˚angan v¨arms ¨over sin m¨attnadstemperatur och kallas nu f¨or torr (el-ler ¨overhettad) ˚anga d˚a ingen fukt finns kvar. Detta kan ske i flera steg och g¨ors upp till temperaturer ¨over 500◦C och tryck ¨over 100 bar. Tryck och temperatur varierar beroende p˚a br¨ansle och hur pannan ¨ar t¨ankt att anv¨andas. ˚Angan leds nu till turbinen d¨ar den till˚ats expandera och ¨overf¨ora sin ener-gi till turbinens rotor, turbinaxeln ¨ar i sin tur kopplad till en generator som genererar elektricitet. I den ideala cykeln sker expansion i ett steg ner till m¨attnadstrycket, allts˚a precis innan kondensering b¨orjar. I verkligheten sker vanligtvis expansio-nen i steg, f¨orst i en h¨ogtrycksturbin ner till ca 10 bar. H¨ar kan process˚anga tas ut och anv¨andas f¨or diverse processer i kraftverket, s˚a som f¨orv¨armning av f¨orbr¨anningsluft eller matarvatten. ˚Angan g˚ar sedan igenom l˚agtrycksturbinen d¨ar mer energi tillf¨ors turbinaxeln som sedan ¨overf¨ors till genera-torn. Kondensering sker i kraftverkets kondensor d¨ar v¨armen ¨overf¨ors till kylvattenkretsen, i ett kraftv¨armeverk tar man till vara p˚a v¨armen i kylvattnet som skickas ut p˚a fj¨arrv¨armen¨atet. Efter kondensorn ˚aterf¨ors vattnet till pannan via matarvatten-pumpen f¨or att hettas upp p˚a nytt. [23]

F¨or˚angning och ¨overhettning sker som sagt i ˚angpannan som tillf¨ors v¨arme i form av ett br¨ansle som f¨orbr¨anns i luft och ¨overf¨or sin v¨arme till pannans vatten. I ett kraftv¨armeverk kan m˚anga olika br¨anslen anv¨andas, f¨orr anv¨andes mest de fossila br¨anslena kol, olja och naturgas. Idag anv¨ands prim¨art biobr¨anslen av olika slag och avfall som br¨ansle i kraftv¨armeverken. [25]

F¨or att ber¨akna effekterna i de olika stegen anv¨ander man sig oftast av arbetsmediets entalpi i de olika delstegen. Entalpi

defineras

H= U + pV [J] (1)

och ¨ar ett m˚att p˚a termodynamisk potential, d¨ar H ¨ar ¨ar syste-mets entalpi i [J], U ¨ar systesyste-mets inre energi i [J], p ¨ar trycket i [Pa] och V ¨ar volymen i [m3]. Det ¨ar inte praktiskt att veta ett systems absoluta entalpi vilken ocks˚a ¨ar sv˚ar att m¨ata, d¨arf¨or anv¨ander man sig av entalpiskillnader ¨over de olika delstegen i Rankinecykeln f¨or att best¨amma effekterna. [23] V¨arden p˚a k¨anda ¨amnens entalpier i olika stadier finns att tillg˚a i tabeller och anges d˚a ist¨allet som specifik entalpi

h= u + pν [kJ/kg] (2)

d¨ar h ¨ar ¨ar specifika entalpin i [kJ/kg], u ¨ar specifika energin i [kJ/kg] och ν ¨ar volymiteten i [m3/kg]. Effekten ˙Qi [W] kan d˚a best¨ammas med hj¨alp av mediets massfl¨ode enligt

˙

Q= ˙m∆h [W ] (3)

d¨ar ∆h ¨ar entalpi¨andringen ¨over en delprocess och ˙m¨ar mass-fl¨odet i [kg/s]. Om mediet ej genomg˚ar en fas¨andring kan man ofta nyttja den specifika v¨armekapaciteten cpi [J/kg,K]

ist¨allet enligt

˙

Q= ˙mcp∆T [W ] (4)

d¨ar ∆T ¨ar temperaturskillnaden i [K]. V¨armekapaciteten ¨ar temperaturberoende och d¨arf¨or anv¨ands oftast v¨ardet vid me-deltemperaturen i aktuell process. Vid f¨or˚angning av en v¨atska kr¨avs energi enligt

˙

Q= ˙mhvap [W ] (5)

d¨ar hvap¨ar v¨atskans f¨or˚angningsentalpi i [kJ/kg]. [23]

F¨or att beskriva andelen el som produceras j¨amf¨ort med fj¨arrv¨arme s˚a anv¨ander man n˚agot som kallas alfav¨arde som definieras α = ˙ Pel ˙ QFV [%] (6)

d¨ar ˙Pel ¨ar eleffekt fr˚an generatorn och ˙QFV ¨ar fj¨arrv¨armeeffekt

fr˚an kondensorerna. [24]

4.2 Br ¨ansle

M˚anga olika br¨anslen anv¨ands i pannor, f¨orut var fossi-la br¨anslen den dominerande energik¨alfossi-lan men idag har m˚anga st¨allt om till mer milj¨ov¨anliga biobr¨anslen t.ex. tr¨aflis. Hush˚allsvfall ¨ar ocks˚a vanligt att man f¨orbr¨anner som sista ˚atg¨ard innan deponi, kallat energi˚atervinning [2]. Br¨anslen ¨ar oftast organiska och best˚ar i regel av 4 grund¨amnen, kol, v¨ate, syre och kv¨ave men ¨aven en del svavel f¨orekommer

samt aska. Detta ¨ar den torra delen av br¨anslet, i tr¨adbr¨anslen finns n¨astan alltid fukt som f¨or˚angas n¨ar br¨anslet torkar innan ant¨andning. Aska ¨ar ett samlingsnamn f¨or icke br¨annbara substanser som blir kvar efter avslutad f¨orbr¨anning. Vid f¨orbr¨anningsber¨akningar ¨ar det gynnsamt att k¨anna till br¨anslets sammans¨attning som man utg˚ar ifr˚an, kallat ele-mentaranalys. D¨ar best¨ams br¨anslets inneh˚all av kol, syre, v¨ate, kv¨ave och svavel. Ju mer kol br¨anslet inneh˚aller desto h¨ogre blir v¨armev¨ardet, se Kap.4.2.1. Beroende p˚a vad som ¨ar av intresse kan man ben¨amna br¨anslet p˚a olika s¨att. Den totala m¨angden br¨ansle inklusive alla dess best˚andsdelar och fukt kallas totalsubstans eller leveranstillst˚and. F¨or att un-derl¨atta ber¨akningar brukar man ofta r¨akna med ett tillst˚and som f¨orkortas TS, vilket ¨ar en f¨orkortning av torrsubstans. Detta underl¨attar vid t.ex. ber¨akningar med aska d˚a man f˚ar askhalten f¨or ett kg torrt br¨ansle ist¨allet f¨or totalsubstans d¨ar askhalten ¨ar beroende av fukthalten. Ut¨over ett kg torrt br¨ansle s˚a l¨agger man ocks˚a till fuktens inverkan och r¨aknar av f¨or˚angningsv¨armet fr˚an det torra effektiva v¨armev¨ardet. Detta g¨or att ett kg TS ¨ar mer ¨an ett kg totalsubstans beroende p˚a hur mycket fukt som finns i br¨anslet. Den torra substan-sen inneh˚aller br¨anslets br¨annbara substans och askan som ej deltar i f¨orbr¨anningen och ¨ar d¨arav en f¨orlust man g¨arna mini-merar. Den br¨annbara substansen best˚ar i sin tur av flyktiga best˚andsdelar samt koks˚aterstod som ¨ar den delen av br¨anslet som f¨orbr¨anns. Flyktiga best˚adsdelar kan best¨ammas genom att hetta upp br¨anslet till 900◦C utan tillg˚ang till syre, d˚a avg˚ar de flyktiga best˚ansdelarna i gasform och det som finns kvar ¨ar koks˚aterstod. Om tillg˚ang till syre finns s˚a kommer de flyktiga best˚andsdelarna och koks˚aterstoden att brinna och det som blir kvar ¨ar endast askan. [25] F¨or att best¨amma askhalten r¨acker det med v¨armning till 550◦C med tillg˚ang till syre [26].

Tr¨adbr¨anslen inneh˚aller oftast mycket fukt och p˚averkar br¨anslets egenskaper kraftigt och ¨ar d¨arf¨or viktigt att k¨anna till. Bland annat p˚averkas br¨anslets v¨armev¨arde. Vid best¨amning av br¨anslets fuktinneh˚all anv¨ander man sig oftast av fukthalten F som definieras

F= mf mtot

[%] (7)

d¨ar mf ¨ar fuktens massa och mtot ¨ar provets totala massa.

Askhalt definieras p˚a samma s¨att enligt

A= ma mtot

[%] (8)

d¨ar ma¨ar askans massa. [25]

4.2.1 V ¨armev ¨arde

Ett br¨ansles v¨armev¨arde definieras som den energim¨angd som frig¨ors d˚a en given vikt av br¨anslet f¨orbr¨anns fullst¨andigt vid konstant volym eller tryck samt n¨ar f¨orbr¨anningsprodukterna kyls till utg˚angstemperaturen. Vanligt ¨ar att man anv¨ander sig av enheten MJ/kg f¨or fasta br¨anslen, ¨aven MWh/ton anv¨ands f¨or st¨orre volymer. Det finns tv˚a olika definitio-ner p˚a v¨armev¨arde, kalorimetriskt v¨armev¨arde eller effek-tivt v¨armev¨arde. Kalorimetriskt v¨armev¨arde,Hs, ¨aven

br¨anslets ska ha kondenserat efter f¨orbr¨anningsf¨orloppet. Det-ta v¨arde anv¨ands ofDet-ta n¨ar man inkluderar r¨okgaskondensering i ber¨akningarna. Det effektiva v¨armev¨ardet,Hi, eller

und-re v¨armev¨ardet utg˚ar ifr˚an att vatten˚angan fortfarande ska vara i ˚angform efter f¨orbr¨anningen och l¨ampar sig b¨attre till ber¨akningar d¨ar r¨okgaskondensering exklueras eller in-te anv¨ands alls. Vanligast i Sverige ¨ar att man inin-te r¨aknar med r¨okgaskondensering och anv¨ander sig av det effektiva v¨armev¨ardet, i andra l¨ander kan det vara vanligare att anv¨anda sig av det kalorimetriska v¨armev¨ardet. [25]

Vid best¨amning av v¨armev¨ardet kan man anv¨anda sig en bombkalorimeter. I en s˚adan f¨orbr¨anner man en liten m¨angd av br¨anslet under standardiserade f¨orh˚allanden och m¨ater den energi som frig¨ors. Detta g¨ors genom att st¨anga in br¨anslet i en sluten kammare med ett ¨overskott av syrgas som sedan s¨anks ner i ett vattenbad. Genom att veta m¨angden vatten och m¨ata temperaturh¨ojningen under f¨orbr¨anningen kan man best¨amma hur mycket energi som frigjorts och genom det v¨armev¨ardet. Hela metoden f¨or best¨amning av v¨armev¨arde finns att tillg˚a i SS 18 71 72 [27]. Det som best¨ams i en bombkalorimeter ¨ar det kalorimetriska v¨armev¨ardet under konstant volym d˚a det st¨angs in i en sluten beh˚allare, en tryck¨okning f˚as via f¨orbr¨anningen. I en panna ¨ar volymen ej konstant d˚a man ofta har ett undertryck som genereras av r¨okgasfl¨akten och det v¨armev¨arde man anv¨ander sig av ¨ar d¨arav det effektiva under konstant tryck vilket kan ber¨aknas. Det kalorimetriska v¨armev¨ardet kan omvandlas till det effektiva v¨armev¨ardet med hj¨alp av br¨anslets inneh˚all av fukt och v¨ate enligt

Hi= Hs− 2442(8, 94H + F) [kJ/kg] (9)

d¨ar 2442 ¨ar vattens f¨or˚angningsentalpi vid 25◦C i [kJ/kg] och H ¨ar br¨anslets inneh˚all av v¨ate. Det torra och askfria v¨armev¨ardet best¨ams ocks˚a ofta vid br¨ansleanalysen, f¨or att r¨akna om detta till leveranstillst˚and beh¨over man veta fukthalt och askhalt och kan d˚a ber¨aknas enligt

Hi= Hs(1 − A − F) − 2442F. [kJ/kg] (10)

Fukten i br¨anslet g¨or att b˚ada typerna av v¨armev¨arde mins-kar. Det kalorimetriska minskar genom att fukten tar upp en st¨orre del av br¨anslet, ett kg fuktigt br¨ansle inneh˚aller allts˚a mindre br¨annbara andelar ¨an ett torrt br¨ansle. F¨or det effektiva v¨armev¨ardet anv¨ands ocks˚a mer av br¨anslets energi till att f¨or˚anga vattnet vilket g¨or att mindre energi g˚ar att anv¨anda f¨or att f¨or˚anga vattnet i pannan. Det finns givetvis metoder f¨or att minska br¨anslets inneh˚all av fukt men d˚a detta ¨ar en extra kost-nad g¨ors det s¨allan f¨or st¨orre anl¨aggningar. Man kan ocks˚a se till att man har en v¨al fungerande torkzon i pannan d¨ar br¨anslet hinner torka och de flyktiga best˚andsdelarna avg˚ar som sedan f¨orbr¨anns med prim¨ar och sekund¨arluft. I st¨orre pannor ¨ar detta inte ett lika stort problem d˚a man har mer v¨arme lag-rat i pannans och br¨anslets massa, i sm˚a anl¨aggningar ¨ar det dock f¨ordelaktigt med relativt konstant fukthalt och homogent br¨ansle. H¨ar kan t.ex. pellets vara ett alternativ som best˚ar

av sammanpressad flis med j¨amn fukthalt och v¨armev¨arde. Fukthalten ligger ofta kring 15-20% d˚a ett f¨or torrt br¨ansle s¨allan ¨ar ¨onskv¨art d˚a h¨oga temperaturer kan bli ett problem. Stora f¨orbr¨anningsanl¨aggningar kan elda tr¨adbr¨anslen med fukthalt upp mot 65% utan att problem uppst˚ar. [25]

4.2.2 Aska

Br¨anslet inneh˚aller ocks˚a en mindre del aska, som ¨ar den icke br¨annbara delen. Till st¨orsta del best˚ar askan av kiseldioxid (SiO2- sand), aluminiumoxid och j¨arnoxid samt andra

metal-ler och andra icke ¨onskv¨arda ¨amnen, dock i l˚aga koncentratio-ner som varierar beroende p˚a br¨ansle. I askan som matas ut ur pannan finns ofta sp˚ar av br¨annbart material som inte f¨orbr¨ants fullst¨andigt. I f¨orbr¨anningsanl¨aggningar skiljer man p˚a aska som f¨oljer med r¨okgaserna och askan som blir kvar i eldsta-den. Bottenaska eller slagg brukar innefatta den aska som blir kvar i eldstaden och flygaska, eller stoft det som f¨oljer med r¨okgaserna och avskiljs i r¨okgasreningen. Askan bidrar inte med n˚agot positivt eller negativt till f¨orbr¨anningen f¨orutom att den minskar br¨anslets inneh˚all av br¨annbar substans vilket inneb¨ar att mer br¨ansle beh¨ovs j¨amf¨ort med ett askfritt br¨ansle. Om askan och temperaturen i b¨adden hanteras p˚a ett bra s¨att ¨ar askan ganska harml¨os, dock kan problem uppst˚a om man l˚ater askan bilda bel¨aggningar p˚a de v¨arme¨overf¨orande ytorna, vilket minskar v¨armen som ¨overf¨ors till pannans vatten och verkningsgraden minskar. Torr aska som fastnar p˚a ytorna kan avl¨agsnas med sotning som brukar k¨oras regelbundet, h¨ar kan man anv¨anda sig av t.ex. ˚angsotning eller spr¨angsotning. [25] ˚Angsotning anv¨ands med en sotapparat som anv¨ander l˚agtrycks˚anga som bl˚ases p˚a pannans v¨arme¨overf¨orande ytor (panntuber) f¨or att bl˚asa bort askan, dessa system har dock si-na problem med r¨orliga delar och risken finns att dessa fastsi-nar. Spr¨angsotning ¨ar en annan metod d¨ar man anv¨ander tryckv˚ag f¨or att p˚a s˚a vis sl˚a loss askan. Som namnet antyder l˚ater man en explosion ske och tryckv˚agen riktas mot panntuber och ¨overhettare f¨or att p˚a s˚a s¨att sl˚a bort bel¨aggningarna. Detta g¨ors ofta med metan och syre. [28] Om askan d¨aremot blir s˚a varm att den delvis sm¨alter blir vidh¨aftningen betydligt starka-re och kan vara sv˚art att f˚a bort. Ett problem h¨ar ¨ar korrosion d˚a askan ¨ar korrosiv och f˚ar man inte bort askan kan skador uppst˚a p˚a tuberna som minskar deras livsl¨angd eller orsakar l¨ackage. L˚ater man askan bilda stora block av sm¨alta kan de till slut lossna och falla ner i pannan vilket kan orsaka stora skador. [25]

4.2.3 Fasta br ¨anslen

Fasta br¨anslen finns i olika varianter, stenkol, brunkol, torv och tr¨adbr¨anslen ¨ar vanliga. Kol och torv r¨aknas som fossila br¨anslen d˚a det tar v¨aldigt l˚ang tid innan de bildas, storleks-ordningen ¨ar miljoner ˚ar. Generellt kan man s¨aga att de ¨aldre br¨anslena (kol och torv) inneh˚aller mer kol ¨an tr¨adbr¨anslen och v¨aldigt lite av syre och kv¨ave, med andra ord sm˚a andelar flyktiga best˚andsdelar. Tr¨adbr¨anslen inneh˚aller mycket syre och kv¨ave och s˚aledes mycket flyktiga best˚andsdelar. Ved-eller tr¨adbr¨anslen ¨ar olika namn f¨or br¨ansle som baseras p˚a tr¨a fr˚an skogen i olika former. Det ¨ar ofta ett heterogent br¨ansle