Bäddagglomereringsrisk vid förbränning av odlade bränslen (hampa, rörflen, halm) i kommersiella bäddmaterial

Bäddagglomereringsrisk vid förbränning av odlade bränslen (hampa, rörflen, halm) i kommersiella bäddmaterial

Thomas Erhardsson, Marcus Öhman, Sigrid de Geyter, Anna Öhrström

Bäddagglomereringsrisk vid förbränning av odlade bränslen (hampa, rörflen, halm) i kommersiella

bäddmaterial

Bed agglomeration risk related to combustion of cultivated fuels (wheat straw, red canary grass,

industrial hemp) in commercial bed materials

Thomas Erhardsson, Marcus Öhman, Sigrid de Geyter, Anna Öhrström

A5-505

VÄRMEFORSK Service AB 101 53 STOCKHOLM · Tel 08-677 25 80

December 2006

ISSN 1653-1248

i

Abstract

Projektet behandlar bäddagglomereringstendenser för odlade biobränslen (halm, rörflen

och hampa) tillsammans med några olika kommersiella bäddmaterial. I projektet gick

det inte att visa på några signifikanta skillnader i agglomereringstendens för de olika

bränslena i kombination med de nyttjade bäddmaterialen. Av de studerade bränslena

hade halm högst agglomereringstendens följt av rörflen och hampa.

VÄRMEFORSK

ii

iii

Sammanfattning

Den hårdnande marknaden för skogsprodukter gör att man inom förbränningsindustrin söker alternativa biobränslen som till exempel vetehalm, rörflen och hampa. Underlag som karaktäriserar dessa relativt nya biobränslen med hög kiselhalt är begränsade och denna studie har haft till uppgift att kvantifiera bäddagglomereringstendenser för halm, rörflen och hampa i kombination med kommersiella bäddmaterial. Skillnader i agglomereringstendens mellan de olika bäddmaterialen har särskilt studerats.

Bäddagglomereringsförsök i en 5 kW bubblande fluidbäddsreaktor har utförts för de tre bränslena i kombination med de olika mineraler som återfinns i natursand ( kvarts, plagioklas och kalifältspat) och ett alternativt bäddmaterial (olivin). Under försökens gång har bäddprover tagits och från de begagnade bäddarna har agglomerat samlats för vidare analys med svepelektronmikroskop (SEM) och energidispersiv röntgenanalys (EDS).

Av de studerade bränslena hade halm högst agglomereringstendens följt av rörflen och hampa. Den nyttjade halmen visade en betydligt kraftigare agglomereringstendens än tidigare nyttjade typiska skogsbränslen (stamvedsflis, bark, grot) under i övrigt samma experimentella betingelser emedan rörflen och hampa visade på en något högre

agglomereringstendens än för typiska skogsbränslen.

De nyttjade kiseldominerade bränslena gav inte upphov till någon signifikant lagertillväxt på de olika bäddpartiklarna. Bränsleaskkomponenterna återfanns i bädden, i huvudsak, som klibbiga (delvis smälta) enskilda askpartiklar. Detta medför att bäddmaterialens interaktionsegenskaper med askkomponenter i bränslet är av underordnad betydelse för agglomereringsprocessen. Bäddmaterialets mineralogiska sammansättning hade därför ingen signifikant betydelse för agglomereringstendensen för de nyttjade bränslena.

Nyckelord: bäddagglomerering, halm, rörflen, hampa

VÄRMEFORSK

iv

v

Summary

The market of forest products is expanding and thus resulting in more expensive biomass fuels. Therefore research within the combustion industry for alternative fuels is needed, for example cultivated fuels. Combustion and gasification research on these cultivated fuels are limited. The objectives of this work was to increase the general knowledge of silicon rich cultivated fuels by study the agglomeration characteristics for wheat straw, reed canary grass and industrial hemp in combination with commercial bed materials.

Controlled fluidized bed agglomeration tests was conducted in a 5 kW, bench-scale, bubbling fluidized bed reactor. The tendencies of agglomeration were determined with the three cultivated fuels in combination with various minerals present in natural sand (quarts, plagioclase and potassium feldspar) and an alternative bed material (olivine).

During the experiments bed samples and formed agglomerates were collected for further analyses with a scanning electron microscope (SEM) and with X-ray microanalysis (EDS).

Wheat straw had the highest agglomeration tendency of the studied fuels followed by reed canary grass and industrial hemp. No significant layer formation was found around the different bed particles. Instead, the ash forming matter were found as individual ash sticky (partial melted) particles in the bed. The bed material mineralogical composition had no influence of the agglomeration process because of the non layer formation propensities of the used silicon rich fuels.

Key words: bed agglomeration, wheat straw, reed canary grass, industrial hemp

VÄRMEFORSK

vi

ix

Innehållsförteckning

1 INLEDNING ... 1

1.1 B AKGRUND ... 1

1.2 M ÅL ... 4

2 METOD OCH UTFÖRANDE ... 5

2.1 B ÄDDMATERIAL OCH BRÄNSLEN ... 5

2.2 B ÄDDAGGLOMERERINGSFÖRSÖK I BÄNKSKALA ... 8

2.3 SEM/EDS- ANALYS AV BÄDDMATERIAL ... 12

3 RESULTATREDOVISNING ... 14

3.1 K ONTROLLERADE BÄDDAGGLOMERERINGSFÖRSÖK ... 14

3.2 SEM/EDS- ANALYSER PÅ BÄDDMATERIAL OCH AGGLOMERAT ... 15

4 RESULTATANALYS ... 21

5 SLUTSATSER ... 23

6 REKOMMENDATIONER OCH ANVÄNDNING ... 24

7 FÖRSLAG TILL FORTSATT FORSKNINGSARBETE... 25

8 LITTERATURREFERENSER ... 26

Bilagor

A DEFLUIDISERINGSFÖRLOPP FRÅN AGGLOMERERINGSFÖRSÖKEN

1

1 Inledning

1.1 Bakgrund

Problem med bädden och bäddagglomerering kostar årligen svenska anläggningsägare stora summor pengar, dels i form av driftstopp och dels en hög sandförbrukning. Detta får anses vara ett av de återstående problemen med fluidbäddtekniken.

De flesta biobränslen innehåller relativt stora mängder alkali. Kalium och natrium kan reagera med t.ex. Cl, S, Si, Al, Fe, C, O, H och bilda gaser (t ex KCl, KOH) och/eller partiklar i form av salter och/eller silikater. Dessa ämnen och andra askbildande element ger upphov till en lagertillväxt runt bäddens partikelytor [1, 2] För kvartspartiklar har lagertillväxten och agglomereringsmekanismerna studerats länge framförallt för konventionella biobränslen som olika typer av skogsbränslen samt för enstaka typer av odlade bränslen och då framförallt halm [3, 4]. Vid förbränning av skogsbränslen består lagren oftast av ett inre homogent lager och ett yttre heterogent lager.

Omfattande reaktion mellan askbildande element (bl.a. Ca, K och P) och bäddmaterial har också dokumenterats. I värsta fall består det bildade bäddkornslagret av lågsmältande föreningar vilka resulterar i att bäddmaterialet agglomererar [3, 5].

Smältförloppet och viskositeten för den bildade smältan hos bäddkornslagret är kritisk för agglomereringsförloppet [5] eftersom adhesionskrafterna mellan bäddkornen ökar då klibbig smälta uppträder. Smältförloppet beror av sammansättningen hos lagret och viskositeten av andel smälta och smältkaraktäristik. En omfattande litteraturstudie och vidare klarläggning av mekanismerna som orsakar bäddagglomerering och orsakar defluidisering har rapporterats [6]. En överblick av de olika mekanismerna som är inblandade i lagertillväxt och kan orsaka defluidisering och agglomerering i fluidbäddar illustreras i Figur 1.

Det finns dock ett begränsat underlag som karakteriserar förbränningsegenskaper hos

rörflen respektive hampa framförallt i fluidbäddar. Senareläggning av skörd till efter

årsskiftet har gett de bästa förbränningsegenskaperna och högsta torrhalten hos såväl

hampa som rörflen vilket också bör sänka lagrings och hanteringskostnaderna för dessa

bränslen och minska arbetsmiljörisker med spridning av bl.a. mögelgifter.

VÄRMEFORSK

2

By solid particles

By melted particles

By sticky ash on burning fuel particles

Direct adhesion 1.

2.

3.

4a.

Initial layer formation Subsequent adhesion

Coating formation by melted ash particles - “ - followed by attack layer formation Gaseous alkali attack/heterog.

reaction

Particle/Aerosol deposition, followed by coating or attack layer formation 5.

6.

7.

8.

Direct chemical reaction sintering

4b. Coating initiated chemical reaction sintering By solid particles

By melted particles

By sticky ash on burning fuel particles

Direct adhesion 1.

2.

3.

4a.

Initial layer formation Subsequent adhesion

Coating formation by melted ash particles - “ - followed by attack layer formation Gaseous alkali attack/heterog.

reaction

Particle/Aerosol deposition, followed by coating or attack layer formation 5.

6.

7.

8.

Direct chemical reaction sintering

4b. Coating initiated chemical reaction sintering

Figur 1: Identifierade bäddagglomereringsmekanismer [6]

Figure 1: Identified bed agglomeration mechanisms [6]

I ett nyligen avslutat värmeforskprojekt [7] studerades skillnaderna i agglomereringstendens mellan olika mineral som återfinns i natursand (kvarts, kalifältspat, plagioklas) och för ett antal alternativa bäddmaterial (magnesiumoxid, gjuterisand, olivin, hyttsand). Projektet var begränsat till att studera agglomererings- tendensen vid nyttjade av ett typiskt skogsbränsle (bark) och olivkross. Den nyttjade barken var ett kalciumrikt bränsle vilket liknar många av de biobränslen som i stor utsträckning förbränns idag vid svenska energianläggningar medan det nyttjade olivkrosset var ett kaliumrikt bränsle. Halm, rörflen och hampa är också kommande inhemskt odlade bränslen som i närmaste framtiden kan bli aktuella för svenska energianläggningar. Till skillnad mot olivkross och bark är dessa bränslen också relativt rika på kisel vilket starkt påverkar agglomereringsförloppet/-mekanismerna [7].

Resultat från tidigare utfört projekt [7] visar att det inte går att generalisera och säga att ett visst bäddmaterial är bäst för alla bränslen. Det är snarare så att ett visst bäddmaterial kan vara bra för ett kaliumrikt bränsle medan skillnaden för ett kalciumrikt bränsle är betydligt mindre. Resultaten visar på bäddmaterial/- bränsleinteraktioner d v s beroende på bränslets sammansättning har valet av bäddmaterial olika effekt på agglomereringstendensen.

Rådasand, som testats som typexempel av natursand, visade sig ge en något ökad

agglomereringstendens i förhållande till kvartsand då olivkross nyttjades som bränsle.

3

Resultaten visar att detta troligen är en effekt av förekomsten av framför allt K- fältspater som förekommer i natursand. Plagioklas ((Na, Ca)-fältspat) som också förekommer i natursand verkar dock inte ha en negativ effekt på agglomereringsrisken.

Resultaten indikerar därmed även att det kan vara en fördel att använda en kiselbaserad natursand med en låg andel K-fältspat. Detta gäller speciellt i kombination med kaliumrika bränslen.

Olivinsand gav upphov till en lägre agglomereringstendens i förhållande till kvarts vid förbränning av olivkross men agglomererade i samma temperaturområde vid förbränning av bark. Den lägre agglomereringstendensen för olivinsand i jämförelse med kvarts vid försöken med olivkross indikerar att olivin är ett lämpligt bäddmaterial vid förbränning av kaliumrika bränslen. Att så är fallet har visats tidigare men genom det aktuella projektet kan man på ett bättre sätt än tidigare förklara denna skillnad.

Det viktigaste resultatet från det tidigare utförda projektet [7] var dock den nyvunna kunskapen kring olika mineralers sintringstendens och de mekanismer som styr sintringen. Denna kunskap är viktig i det fortsatta arbetet i sökandet efter lämpliga bäddmaterial. Det är helt klart att man kontinuerligt står inför nya utmaningar vad gäller att ta fram det optimala bäddmaterialet i kombination med aktuell bränslemix allt eftersom nya besvärliga bränslen introduceras. En ökad användning av olika restprodukter från jordbruket och andra restprodukter är exempel på detta.

En ökad konkurrens om skogsprodukter gör att man inom förbränningsindustrin söker

alternativa bränslen som exempelvis odlade bränslen. Denna typ av bränslen kan

medföra vissa komplikationer i form av en högre halt alkali än traditionella

trädbränslen. Höga halter alkali kan medföra problem med beläggningsbildning och

korrosion. Vid förbränning i fluidbäddar har alkalimetaller också en tendens att

ackumuleras i bädden och detta i kombination med hög kiselhalt kan göra att bädden

lättare agglomererar.

VÄRMEFORSK

4

1.2 Mål

Projektets mål har varit att:

i) kvantifiera bäddagglomereringstendensen för tre olika kiselrika odlade bränslen (rörflen, halm och hampa) i kombination med kommersiella bäddmaterial.

ii) kvantifiera skillnader i bäddagglomereringskaraktäristik mellan kommande

odlade svenska bränslen och mer traditionella biobränslen vid nyttjande av

idag kommersiella bäddmaterial.

5

2 Metod och utförande

Kontrollerade bäddagglomereringsförsök i bänkskala utfördes för de olika bränsle- och bäddmaterialskombinationerna under liknande förbränningsbetingelser och metodik som i tidigare utfört projekt [7]. Bäddprover som genererades från försöken analyserades vidare med svepelektronmikroskop (SEM) med tillhörande energidispersiv röntgenanalys (EDS).

2.1 Bäddmaterial och bränslen

De bäddmaterial som nyttjades i studien var olivin och olika mineraler som återfinns i kommersiella natursander som används i fullskaleanläggningar. Natursandernas mineralogiska sammansättning består till stor del av kvarts och fältspater. Bland fältspaterna återfinns oftast plagioklas och kalifältspat. Bäddmaterialen som nyttjades var kvarts, olivin, k-fältspat och plagioklas.

De biobränslen som nyttjades var rörflen, vetehalm och energihampa. Rörflenet och energihampan var vårskördad i Umeå under 2005. Halmen härrörde från Swalöfs värmeverk i Skåne där driftspersonalen tagit ut ett representativt halmmaterial.

Bäddagglomereringsförsök utfördes med alla bädd- och bränslekombinationer. Totalt utfördes 12 försök, se Tabell 1.

Tabell 1. Utförda förbränningsexperiment.

Table 1. Performed combustion experiments.

Halm Rörflen Hampa

Kvarts x x x

Olivin x x x

K-fältspat x x x

Plagioklas x x x

2.1.1 Bäddmaterial

Mängden bäddmaterial som användes vid varje försök var 542 g. Storleksfraktionen på

sanden som användes låg mellan 100 och 125 µm. Anledning till det snäva fraktions-

intervallet var att efter försöken underlätta bestämningen av eventuell lagertillväxt av

agglomerat på kornen. I Tabell 2 redovisas elementsammansättningen för bädd-

materialen som nyttjades i försöken. De nyttjade bäddmaterialen var identiska med de

material (både sammansättning och storleksfördelning) som nyttjats i det tidigare

utförda Värmeforskprojektet [7].

VÄRMEFORSK

6

Tabell 2. Bäddmaterialens elementarsammansättning (givet som oxider i vikts-% av prov) [7].

Table 2. Bed material elemental composition (given as oxides in weight-% of sample) [7].

Kvarts Olivin Plagioklas

(Ca, Na)-fältspat

K-fältspat

SiO 2 98,9 42,05 54 66,2

Al 2 O 3 0,181 0,45 27 19,3

Fe 2 O 3 0,123 7,05 - 0,1

CaO 0,123 0,075 11 1,3

MgO 0,129 49,5 - 0,1

Na 2 O 0,004 - 6 4,8

K 2 O 0,06 - - 8,2

MnO 0,013 0,075 - -

P 2 O 5 < 0,012 - - 0,12

TiO 2 0,04 - - -

Cr 2 O 3 - 0,25 - -

NiO - 0,325 - -

Rb 2 O - - - 0,07

Kvartsand

Kvartssanden som nyttjades vid försöken bestod till 98,9 % av SiO 2 och levererades från Askania AB. Sammansättningen för kvartssanden som återfinns i Tabell 2 är hämtat från leverantörens specifikation.

Fältspat

Fältspat är benämningen för en stor och varierande grupp av mineraler. Fältspater är jordskorpans vanligaste mineral och i natursand förekommer fältspater i varierande halter. Bland fältspaterna i natursand hittas oftast plagioklas och kalifältspat. Fältspater kännetecknas av silikatmineralen innehållande aluminium med olika inslag av kalium, natrium och/eller kalcium. Fältspaters skillnad gentemot kvarts är den något lägre hårdheten (6 i Mohs hårdhetsskala) och smälttemperatur [8]. Fältspater har en hög spaltbarhet, det innebär att väl avgränsade kristallplan eller plana begränsningsytor kan bildas som reflekterar ljuset likt en spegel.

Plagioklas

Plagioklas har liknande egenskaper som kalifältspat. Den innehåller natrium och

kalcium i varierande proportioner, som utgör en skala från ren natriumplagioklas (albit)

till ren kalciumplagioklas (anortit). Den plagioklas som nyttjades under

agglomereringsförsöken har samma sammansättning som den plagioklas som finns i

Rådasand, den benämns labradorite (Na 0,4 Ca 0,6 Al 1,6 Si 2,4 O 8 ). Elementsammansättningen

för det nyttjade materialet, som bygger på SEM/EDS analyser från tidigare arbete [7],

återfinns i Tabell 2.

7

Kalifältspat

I agglomereringsförsöken användes en fältspat som till största delen innehöll kalifälspat men en mindre andel av andra silikater ingick också i den nyttjade sanden.

Sammansättningen i Tabell 2 är hämtad från leverantörens specifikation. XRD-analys visade att faserna i utgångsmaterialet bestod till största delen av microline (KAlSi 3 O 8 ).

Albit (NaAlSi 3 O 8 ), plagioklas ((Na, Ca)Al(Si, Al) 3 O 8 samt SiO 2 Återfanns också i mindre mängder.

Olivinsand

Olivinsand valdes för att det i tidigare undersökningar visat sig lämpligt för kaliumrika bränslen. Olivin består huvudsakligen av (Mg, Fe) 2 SiO 4 och sammansättningen i Tabell 2 är hämtat från leverantörens specifikation.

2.1.2 Bränslen

Biobränslena som nyttjades var pelleterade till en diameter på 8 mm och fukthalten var cirka 9 %. Sammansättningen för de nyttjade bränslena med avseende på askbildande element återfinns i Tabell 3. De mest betydande elementen var kisel, kalium och kalcium. För rörflen och hampa återfanns även aluminium. Askhalten var högre för rörflen än för halm och hampa. Gemensamt för bränslena var den relativt höga halten av kisel i jämförelse med andra typiska biobränslen, till exempel bark, där motsvarande kiselhalt är betydligt lägre. Bränsleaskans hos samtliga bränslen domineras av kisel.

Halm har den högsta kaliumhalten och rörflen har lägst kalciumhalt. Halm har även hög klor- och svavelhalt i jämförelse med de övriga bränslena.

Tabell 3. Bränslesammansättning - askbildande huvudelement, torr- och askhalt (vikts-%).

Table 3. Fuel composition – main ash forming elements, dry- and ash content (weight-%).

Halm Rörflen Hampa

Torrhalt* 91,6 91,0 91,0

Askhalt** 7,10 10,70 5,90

Cl** 0,25 0,05 0,03

S** 0,11 0,09 0,08

SiO 2 *** 57,80 77,0 56,0

Al 2 O 3 *** 1,0 5,50 7,20

Fe 2 O 3 *** 0,30 1,40 4,40

CaO*** 10,40 3,80 13,0

MgO*** 1,90 1,10 1,60

Na 2 O*** 0,60 0,66 1,30

K 2 O*** 12,50 4,10 5,30

MnO*** - 0,17 0,27

P 2 O 5 *** 3,30 1,90 3,0

TiO 2 *** 0,10 0,18 0,28

*) vikts-% av prov **) vikts-% av TS ***) vikts-% av aska

Idag finns ett mycket begränsat underlag som karaktäriserar bränsleegenskaperna hos

hampa. Tidigare arbete har visat att inga stora skillnader i bränsleegenskaper eller

VÄRMEFORSK

8

oorganisk sammansättning kunde detekteras mellan oljehampa och fiberhampa [9].

Ingen större skillnad mellan enbart vedämnen och hela plantan verkar heller inte finnas [9]. Växtplatsen har liksom för rörflen en tydlig skillnad på bränslesammansättningen där upptaget av framförallt kisel varierar mellan mullrika och lerhaltiga jordar [9].

Tidigare undersökningar har visat att kisel, kalcium och kalium är de dominerande oorganiska elementen i hampa. [9] I likhet med de fåtal tidigare studerade bränslefraktioner av hampa domineras bränsleaskan hos den valda hampan av elementen kisel, kalcium och kalium. Svavel och klorhalterna hos den nyttjade hampan är också lik dem som tidigare studerats [9].

Det nyttjade rörflenet hade en för växtförhållandena typisk sammansättning med relativt hög askhalt och kiselinnehåll samt relativt låg sintringstendens [10].

Det nyttjade halmprovet hade en liknande sammansättning som tidigare (typisk) nyttjade halmbränslen [11, 12].

2.2 Bäddagglomereringsförsök i bänkskala

Förbränningsexperimenten utfördes i en bubblande fluidbädd i bänkskala (5kW) se Figur 2. Reaktorn är tillverkad i rostfritt stål och är cirka 3 meter hög. Innerdiametern är 100 mm i bäddregionen och 200 mm i fribordssektionen.

Prim.

Propane Air Sec. Air

Pre-heater

Wall heater

F1 F2 F3

Propane burner Fuel

Pump CO CO

O

NO THC

Cyclone Ventilation

Condenser

T6 T7 T8

T5

T4

T3 P4 T2 P3 P2 T1

P1

T/P Signals

Data Acquisition System with On-Line PCA

F4

.

.

. .

. .

.

. . .

DP

.

View window

.

x

Figur 2. Schematisk bild över pilotreaktorn.

Figur 2. Illustration of the bench-scale fluidized bed reactor.

En perforerad rostfri platta med 1 % öppen hålarea (90 hål) används som

distributionsplatta. Sandbädden som är lokaliserad ovan plattan genomblåses av

primärluften som förvärms med hjälp av elvärmare. En gasolbrännare är belägen under

distributionsplattan för möjligheten att värma bädden externt utan att tillsätta

fastbränsle, anledningen är att undvika ojämn temperaturfördelning i bädden.

9

Reaktorkroppen är omgiven av väggvärmare och är isolerad för att minska effekten av kalla väggar och därmed få en jämn kontrollerbar temperatur i fribordsregionen.

Bäddtemperaturen mäts på fyra olika ställen med termoelement och i fribordssektion återfinns fyra termoelement. Maximal temperatur för reaktorn är dimensionerad till 1050°C. Bäddtryck mäts vid fyra olika positioner i bädden för att kontrollera fluidiseringsegenskaperna. Reaktorn styrs från ett kontrollprogram som loggar alla data var femte sekund. Fastbränsle matas in ovanför bädden med hjälp av en cellmatare med variabel hastighet och rökgaserna renas från flygaska med hjälp av en cyklon.

Varje försök startade med att reaktorn värmdes externt med hjälp av värmarna till 800°C. Bränslet matas in och antänds av den höga temperaturen. Fluidiserings- hastigheten styrs av primärluften som tillsätts genom bädden, den sattes till 4 gånger högre än den lägsta hastigheten på luften som krävs för att bädden ska fluidisera (4×U mf

= 0,4 m/s). Förbränningsegenskaperna kontrollerades genom mätning av syrehalten i rökgaserna, den vidhölls vid 6 % syrgas i genomsnittlig koncentration av rökgaserna.

Reaktorn är försedd med en observationslucka som kan öppnas. Genom den togs bäddprover ut under förbränningsfasen med hjälp av en luftkyld bäddprovtagare.

Bäddprover togs ut vid olika tider ¹ från det att försöken startades.

Varje bränsle- och sandkombination förbrändes separat med en bäddtemperatur på 800°C i 40 h eller tills defluidisering inträffade. Efter inaskningsfasen (normal förbränning av bränslet) stängdes bränslematningen av och bädden värmdes externt med hjälp av elvärmarna och gasolbrännaren. Värmarna styrdes enligt en förprogrammerad linjär kurva med en uppvärmningshastighet på 3°C/min, upp till maximalt 1050°C eller tills dess att defluidisering inträffade. Vid defluidisering sker en signifikant förändring av differenstrycket över bädden. Med hjälp av bäddtryck- och bäddtemperaturgivarna kan initial defluidiseringstemperatur bestämmas.

Halm och rörflen defluidiserade under inaskningsfasen utan att bäddtemperaturen höjdes externt, utifrån dessa försök kunde inte en specifik agglomereringstemperatur anges. Resultaten för dessa försök anger därför tiden till initial defluidisering.

I Figur 3 visas data för ett typiskt experiment med halm som bränsle, i detta fall i kombination med kvarts. En tydlig indikering på bäddefluidisering är när bäddtrycken faller hastigt.

1 Tidpunkter för provtagning: 0.5 h, 1 h, 1.5 h , 2 h, 3 h, 4 h, 6 h, 12 h, 16 h, 24 h, 32 h och 40 h

VÄRMEFORSK

10

Halm i kombination med kvarts

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

14 :21 :13

14 :41 :13

15 :01 :13

Bä ddtemp eratur [° C]

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Bä ddtry c k [mBa r]

Differenstryck i bädden

Bäddtemperaturer

Figur 3. Bäddtemperaturer och tryck över bädden vid agglomereringsförsök när halm nyttjades som bränsle.

Figure 3. Temperature in bed and pressure over bed at bed agglomeration experiment using wheat straw as fuel.

Hampan som nyttjades klarade inaskningsfasen med de olika bäddmaterialen utan att defluidisera och förbrändes därmed i 40 h (Figur 4). Den externa uppvärmningsfasen startades och bädden värmdes från 800°C med en hastighet på 3°C/min.

Temperaturökningen resulterade i ett utdraget defluidiseringsförlopp. Den bränslespecifika initiala defluidiseringstemperaturen kan normalt bestämmas med god precision med detta förfarande, men det utdragna defluidiseringsförloppet för hampa medförde svårigheter till exakt bestämningen av den initiala defluidiseringstemperaturen.

Rörflensförsökens defluidiseringsförlopp var också utdraget och långsamt i jämförelse

med halmförsöken. Dessa kan till stor del liknas vid hampaförsökens

defluidiseringsförlopp.

11

Kalifältspat i kombination med hampa

700 800 900 1000 1100 1200 1300

13 :0 0: 47

13 :2 5: 47

13 :5 0: 47

14 :1 5: 47

B äddtemper at ur [° C]

0 1 2 3 4 5 6 7 8

B äddtryck [mBar ]

Extern uppvärmning Differenstryck i bädden

Bäddtemperturer

Figur 4. Bäddtemperaturer och tryck över bädden vid kontrollerat bäddagglomereringsförsök med hampa i kombination med kalifältspat.

Figure 4. Temperature in bed and pressure over bed at bed agglomeration experiment using industrial hemp as fuel.

Mängden bränsle som förbrukades vid varje bäddagglomereringsförsök var 0,9 kg för

halmförsöken, 3 kg för rörflensförsöken och 12 kg för hampaförsöken. När

defluidisering inträffat och reaktorn kallnat, plockades bädden ut och genomsöktes efter

agglomerat som sparades för vidare SEM/EDS-analys.

VÄRMEFORSK

12

2.3 SEM/EDS-analys av bäddmaterial

De bäddprover som valdes för analys var de senaste som togs innan defluidisering inträffade (se Tabell 4). Prover på bildade agglomerat efter defluidisering, d v s prover tagna efter försöket, analyserades också.

Tabell 4. Valda bäddprover för SEM/EDS-analys.

Table 4. Selected bed samples for SEM/EDS-analysis.

Halm

(tid från uppstart)

Rörflen (tid från uppstart)

Hampa (tid från uppstart)

[h] [h] [h]

Kvarts 1,5 6 40

Olivin 1,5 6 40

K-fältspat 2 6 40

Plagioklas 2 6 40

Bäddproverna göts in i epoxy för att fixeras, se Figur 5. Detta medför att ett tvärsnitt av bäddkornen kan slipas fram vilket möjliggör analys av eventuella lager. Det är också en fördel att fixera prover för instrumentets del, vilket kan skadas om lösa partiklar återfinns i vakuumkammaren.

Figur 5. Bäddprover fixerade för SEM/EDS-analys.

Figure 5. Bed material mounted in epoxy for SEM/EDS-analyses.

Bädd- och agglomeratprover slipades med kiselkarbidpapper till den snittyta som ska undersökas. De ingjutna proverna analyseras sedan med SEM/EDS för att bestämma eventuella bäddpartiklars lagerförekomst och elementarsammansättning såväl som förekomsten och elementsammansättning av enskilda askpartiklar i bädden. För att vara säker på att mätningarna utfördes mitt på bäddkornet användes bara de största bäddkornstvärsnitten och de tjockaste beläggningar.

Totalt 5 bäddkorn per bäddprov analyserades med avseende på utseende och

elementsammansättning. Varje bäddkorn analyserades med punktanalyser i lagret samt

en i själva kornet. Flertalet enskilda askpartiklar analyserades för varje agglomerat- och

13

bäddprov. Dessutom analyserades bäddagglomeratens ”halsar” som bildats mellan

bäddkorn med liknande metodik som för bäddproverna.

VÄRMEFORSK

14

3 Resultatredovisning

3.1 Kontrollerade bäddagglomereringsförsök

Tabell 5 nedan visar en översikt av resultaten från agglomereringsförsöken. Resultaten för förbränning av halm och rörflen, som defluidiserade innan 40 h passerat, är angivna i tidsenheter och mängden ingående bränsleaska till defluidisering. Den ingående askmängden är beräknad från mängden bränsle som förbrukats och askhalterna från Tabell 3. Hampa klarade inaskningsfasen utan att defluidisera och den initiala defluidiseringstemperaturerna kunde därmed bestämmas, se Tabell 5. De utdragna agglomereringsförloppen för hampa bidrog till svårigheter att exakt bestämma den initiala defluidiseringstemperaturen.

Tabell 5. Resultat från de kontrollerade bäddagglomereringsförsöken.

Table 5. Results from the bed agglomeration experiments.

Halm Rörflen Hampa

^Tid* [h]

Ingående mängd bränsleaska till

defluidisering [g]

Tid*

[h]

Ingående mängd bränsleaska till

defluidisering [g]

Initial defluidiseringstemp.

[°C]

Olivin 2 60 7 260 840 ± 20**

Kvarts 2 60 10 350 860 ± 20**

Plagioklas 2 60 9 320 830 ± 20**

K-fältspat 2 60 8 300 870 ± 20**

*) Den uppmätta tiden från att bränsle börjar matas in till defluidisering.

**) Det relativt stora temperaturintervallet beror på svårigheter vid bestämmandet av initial defluidiseringstemperatur, p.g.a. utdraget defluidiseringsförlopp.

Halm hade högst agglomereringstendens av de studerade bränslena. Rörflen och hampa hade liknande utdragna defluidiseringsförlopp, där rörflen hade något högre agglomereringstendens än hampa. Bäddagglomereringsförsöken för respektive bränsle gav ej upphov till några signifikanta skillnader för de olika bäddmaterialen.

Defluidiseringsförloppet skiljde sig markant för försöken med rörflen och hampa i jämförelse med tidigare försök med bark och olivkross där samma metodik och samma bäddmaterial nyttjats [7] Den nyttjade halmen visade en betydligt kraftigare agglomereringstendens än tidigare nyttjade typiska skogsbränslen (stamvedsflis, bark, grot) under i övrigt samma experimentella betingelser emedan rörflen och hampa visade på en något högre agglomereringstendens än för typiska skogsbränslen [7, 8].

I de begagnade bäddarna från försöken kunde även visuella olikheter i jämförelse med

tidigare försök med t ex typiska skogsbränslen urskiljas. Gemensamt för de nyttjade

bränslena i detta arbeta var att en stor mängd enskilda askpartiklar kunde återfinnas i

bädden. Askpartiklarna från halmförsöken var stora och aggregatformade. De var

porösa och innehöll ett tunt lager av bäddmaterial på ytan. Askpartiklarna från rörflens-

och hampaförsöken var i form av tunna stickor i fin fraktion. Detta kan jämföras med

15

tidigare försök med bark och olivkross där bränsleaskan i huvudsak ackumulerades i bädden i bäddkornslager och inte som enskilda askpartiklar [7].

3.2 SEM/EDS-analyser på bäddmaterial och agglomerat

Bäddprover från agglomereringsförsöken har studerats noggrant med SEM/EDS-analys.

Snittytan för varje provpuck innehöll cirka tjugotusen bäddkorn. Andelen återfunna bäddkorn med lagertillväxt var extremt låg (< 0.1 %) för prov uttagna från förbränning av rörflen och halm för samtliga bäddkombinationer. För prov uttagna vid förbränning av hampa var andelen bäddpartiklar med lagertillväxt högre men dock mycket låg i jämförelse då andra biobränslen (bark, olivkross) eldats enligt samma metodik [7].

Bränsleaskkomponenter återfanns i samtliga prov istället som enskilda askpartiklar i bädden. I de flesta fall har därför lager ej återfunnits på bäddkornen. Eftersökta lageregenskaper och agglomerathalsar illustreras i Figur 6

Figur 6. Exempel på eftersökta lager (till vänster) och agglomerathalsar (till höger).

Figure 6. Example of layers (left picture) and agglomerate necks (right)

I de få fall där bäddkornslager återfanns bestod dessa av ett tunt lager som avspeglade bränsleasksammansättningen. Dessa lagers ringa tjocklek gjorde det svårt att bestämma elementsammansättning utan störningar från bäddkornen.

Halm

De få bäddkornslager som återfanns hos bäddkorn från halmförsöken täckte bara kornen delvis, se Figur 7. Inga skillnader i kvantitet eller egenskaper med avseende på lagertillväxt kunde registreras mellan de olika bäddmaterialen.

Bäddkorn

Lager

Agglomerathals

VÄRMEFORSK

16

Figur 7. Typisk SEM analys av uttaget bäddprov vid förbränning av halm. Ett korn delvis belagt med lager och inget på närliggande bäddkorn.

Figure 7. Typical SEM analysis of a bed sample from wheat. One bed particle is partly covered with layers and there are no layers on surrounding particles.

Rörflen

Lager eller agglomerathalsar kunde inte återfinnas när rörflen nyttjats som bränsle.

Askpartiklar som delvis varit smälta återfanns till stor del i provet se Figur 8.

Figur 8. Typisk SEM analys av uttaget bäddprov vid förbränning av rörflen. Enskilda askpartiklar florerar bland bäddmaterialet, bäddkornen saknar lager.

Figure 8. Typical SEM analysis of a bed sample from red canary grass. Groups of ash particles could be identified among the bed material, the bed particles have no layers.

Askpartiklar

17

Hampa

När hampa nyttjades som bränsle återfanns bäddkorn med lager i något större omfattning än när halm och rörflen nyttjades. De bäddkorn som var belagda hade bara ett tunt lager, se Figur 9. I jämförelse med liknande försök med skogsbränsle, där många bäddkorn har lager runt om, (se infälld bild i Figur 9) är det ytterst få korn, om några alls som har lager runt om hela bäddkornen.

Figur 9. Typisk SEM analys av uttaget bäddprov vid förbränning av hampa och infälld bild som visar en typisk bäddpartikel från tidigare experiment med bark [7].

Figure 9. Typical SEM analysis of a bed sample when hemp was used as fuel. The small picture shows a typical bed particle from previous experiments with bark [7].

Agglomerat producerat

vid förbränning av bark

VÄRMEFORSK

18

3.2.1 Elementsammansättning hos enskilda askpartiklar, agglomerathalsar och bäddkornslager

Enskilda askpartiklar

Elementsammansättningen hos de enskilda askpartiklarna och de återfunna bäddkornslagren kan till stor del liknas vid bränsleaskans sammansättning. De dominerande elementen var kisel, kalium och kalcium. Spår av andra askbildande element kunde också registreras. Elementsammansättningen hos de olika askpartiklarna som återfunnits åskådliggörs i Figur 10. Elementsammansättningen som redovisas i figuren bygger på analyser utförda på samtliga bäddmaterialkombinationer för respektive bränsle. Ingen stor skillnad i elementsammansättningen hos de analyserade enskilda askpartiklarna kunde skönjas mellan bäddprov tagna från försök med samma bränsle men vid nyttjande av de olika bäddmaterialen. De tre figurerna ovanför diagrammet visar typiska askpartiklar som återfanns i bädden efter respektive bränsleförsök.

Figur 10. Elementsammansättning för återfunna askpartiklar. Staplar benämnda bränsleaska är asksammansättningen för respektive bränsle.

Figure 10. Elements composition for ash particles found in bed samples. The bars named

“bränsleaska” are the composition of fuel ash.

0 20 40 60 80 100

Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe

At o m -%

Halm enskilda askpartiklar Halm bränsleaska

Rörflen enskilda askpartiklar Rörflen bränsleaska

Hampa enskilda askpartiklar Hampa bränsleaska

Hampa Rörflen

Halm

19

Agglomerathalsar och bäddkornslager

Ytterst få kraftiga (tjocka) agglomerathalsar och bäddkornslager återfanns från försöken vilket försvårade möjligheterna att kunna bestämma sammansättningen hos dessa, där detta gick redovisas elementsammansättning, se Figur 11 och 12.

Figur 11. Elementsammansättning hos agglomerathalsar från halmförsöken.

Figure 11. Elements composition of agglomerate necks found from experiment with wheat straw.

Sammansättningen hos de agglomerathalsarna som återfunnits vid halmförsöken återspeglas av bränsleaskan (de vita staplarna i diagrammet). Den relativt höga halten av magnesium från försöken i kombination med olivin kan bero på en viss interaktion mellan aska och bäddmaterial. Liknande egenskaper kan noteras från den relativt höga halten av kisel för kvartsförsöket.

0 20 40 60 80 100

Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe

Atom -%

Plagioklas agglomerathalsar Kvarts agglomerathalsar Olivin agglomerathalsar Bränsleaska

Kvarts-halm Olivin - halm

VÄRMEFORSK

20

Figur 12. Elementsammansättning för de få återfunna agglomerathalsar och lager från hampaförsöken.

Figure 12. Elements composition of agglomerate necks found from bed agglomeration experiment with industrial hemp.

Elementsammansättningen för de studerade lagren och agglomerathalsarna från hampförsöken återspeglar också bränsleaskans sammansättning (de vita staplarna i diagrammet). Lager eller agglomerathalsar tjocka nog för analys återfanns ej från försöken med kalifältspat och plagioklas. Även för hampa kan vissa tendenser till interaktioner mellan aska och bäddmaterial noteras från diagrammet, där kiselhalterna är något högre för kvartsanalyserna.

0 20 40 60 80 100

Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe

At o m -%

Kvarts lager Olivin lager Bränsleaska

Kvarts agglomerathals

Olivin - hampa Kvarts - hampa

21

4 Resultatanalys

De begagnade bäddmaterialen från halmförsöken innehöll en stor mängd aggregatliknande större askpartiklar (> 5 mm) innehållande bränsleaska, oförbränt material och bäddmaterial fastklistrade på ytan. Resultaten från EDS-analyserna visar att bränsleaskpartiklarna är rika på elementen kisel och kalium. Under utbränningen av bränslepartikeln bildas lågsmältande och klibbiga kaliumsilikater som dels kan fästa andra bränslepartiklar dels kan fästa kolliderande bäddkorn. Mindre kaliumsilikatrika och därmed klibbiga askpartiklar kan också fastna på bäddpartiklarna och bilda bäddkornslager, det senare har även återfunnits i detta arbete, dock inte i någon större utsträckning. Ovanstående förlopp/resultat har även beskrivits i tidigare arbeten vid förbränning av halm [3, 4].

Askpartiklarna för rörflen och hampa skiljde sig något från halm då de återfanns i en finare fraktion och var mindre smälta. Rörflen hade den högsta askhalten av de studerade bränslena och de kunde också bekräftas visuellt från de begagnade bäddarna där mest enskilda askpartiklar återfanns från rörflensförsöken. Den stora mängden aska kan här vara av betydelse för defluidiseringsförloppet. I jämförelse med halm och hampa hade de enskilda askpartiklarna vid rörflensförsöken en elementarsammansättning med ett lägre K/Si + Ca- förhållande, vilket medför en lägre smältandel vid rådande temperatur [13] och därmed troligen också en mindre klibbighet än fallet för halm och hampa. En kontinuerlig försämring av fluidiseringsegenskaperna kunde skönjas under senare delen av försöken med rörflen redan långt innan bädden defluidiserade. I jämförelse med halm behövdes dock mer askpartiklar tillföras till bädden innan den defluidiserade vilket troligen beror på smältegenskaperna/klibbigheten hos den bildade askan.

Lagertillväxt har påträffats för halm och hampa på ytterst få korn, och i fallet rörflen på extremt få korn, i jämförelse med liknande försök med andra biobränslen (t ex skogsbränslen) som har en relativt låg andel kisel i sin bränsleaska och istället domineras av kalcium och/eller kalium. De kiselrika bränslen som studerats i detta arbete visar därför på signifikanta skillnader i agglomereringsprocesser/-mekanismer i jämförelse med mer traditionella biobränslen (t ex skogsbränslen) som studerats under liknande förbränningsegenskaper. Tidigare arbeten har visat att en stor del av kiselrika bränslens kalium reagerar med det kisel som återfinns i bränslet under förbränningen av själva bränslepartikeln [14, 15]. Huvuddelen av kaliumet finns därför troligen inte tillgänglig för reaktion med bäddpartiklarna.

Halm, rörflen och hampas agglomereringsmekanismer kan till stor del beskrivas med mekanism (2) och (3) utifrån Figur 1 där smälta enskilda askpartiklar och kletig aska på brinnande bränslepartiklar kolliderat med bäddmaterialet och mekanism (5) där de smälta askpartiklarna kolliderar med bäddpartiklarna och ger ett lager, som till viss del kan interagera med bäddmaterialet. Eftersom ytterst få korn med lager bildats under förbränningen av de studerade bränslena är bäddmaterialets interaktionsegenskaper med askkomponenter i bränslet av underordnad betydelse för agglomereringsprocessen.

Traditionella biobränslen med relativt låg kiselhalt i bränslet agglomererar däremot

oftast genom en kombination av mekanismerna (6 - 8), där alkali och kalcium via bl.a.

VÄRMEFORSK

22

reaktion med bäddmaterialet ger en klibbig lagertillväxt på bäddmaterialet. För dessa

processer har därför bäddmaterialet en viktig betydelse för agglomereringsprocessen.

23

5 Slutsatser

Av de studerade bränslena hade halm högst agglomereringstendens följt av rörflen och hampa. Den nyttjade halmen visade en betydligt kraftigare agglomereringstendens än tidigare nyttjade typiska skogsbränslen (stamvedsflis, bark, grot) under i övrigt samma experimentella betingelser emedan rörflen och hampa visade på en något högre

agglomereringstendens än för typiska skogsbränslen. Den mycket höga agglomererings- tendensen hos halm kan förklaras med att kaliumhalten var betydligt högre, vilket gör att det bildas mer klibbiga kaliumsilikater som ökar agglomereringstendensen.

De nyttjade kiseldominerade bränslena gav inte upphov till någon signifikant

lagertillväxt hos de olika bäddpartiklarna. Bränsleaskkomponenterna återfanns i bädden

i huvudsak som klibbiga (delvis smälta) enskilda askpartiklar. Detta medför att

bäddmaterialens interaktionsegenskaper med askkomponenter i bränslet är av

underordnad betydelse för agglomereringsprocessen. Bäddmaterialets mineralogiska

sammansättning hade därför ingen signifikant betydelse för agglomereringstendensen

för de nyttjade bränslena.

VÄRMEFORSK

24

6 Rekommendationer och användning

Resultaten från detta arbete visar att risken för bäddagglomerering/-defluidisering vid nyttjande av många odlade bränslen är generellt högre än vid nyttjande av typiska skogsbränslen. Det är dock viktigt att understryka att signifikanta skillnader i agglomereringstendens kan förkomma inom samma kategori av odlade bränslen p.g.a.

variationer i bränsleasksammansättning orsakade av t ex variationer i uttagsprocess och/eller växtplats.

Det viktigaste resultat från detta arbete är dock den nyvunna vetskapen om att

bäddmaterialets kemiska sammansättning är av underordnad betydelse för

agglomereringsförloppet vid nyttjande av odlade bränslen som innehåller en

bränsleaska som domineras av kisel. Detta innebär att man bör nyttja andra metoder

som t ex sameldning med torv/kol och/eller bränsleadditiv för att minimera

bäddagglomereringsrisken vid ett eventuellt ökat nyttjande av dess kiselrika bränslen i

framtiden.

25

7 Förslag till fortsatt forskningsarbete

Resultaten från detta och liknande arbeten vid förbränning av biomassa i fluidiserade

bäddar visar tydligt på hur komplext samspelet är mellan bäddmaterialet och bränslets

kemiska sammansättning. Detta gör att man inte kan generalisera och säga att ett

bäddmaterial alltid är bättre än ett annat utan det är snarare så att ett visst bäddmaterial

kan fungera väl med en viss typ av bränslen men vara mindre lämpligt eller ej vara av

underordnad betydelse för en annan typ av bränslen. Fortsatta dedikerade arbeten under

kontrollerade förhållanden föreslås att utföras under förgasningsatmosfär med ett fåtal

bränslen/bäddar för att verifiera/bestämma eventuella olikheter i

agglomereringsprocessen mellan förgasnings- och förbränningsatmosfär för olika bädd-

/bränslekombinationer.

VÄRMEFORSK

26

8 Litteraturreferenser

[1] Öhman, M., Nordin A., Brus E., Skrifvars B.-J. och Backman R. (2001).

Förbrukning av bäddmaterial i biobränsleeldade fluidbäddar p.g.a.

bäddagglomereringsrisk - beläggningsbildning och möjligheter till regenerering.

Värmeforsk Sverige AB. 30. Vol. 739

[2] Latva-Somppi, J., et al. Ash deposition on bed material particles during fluidized bed combustion of wood-based fuels. in Proc of the international conference on ash behaviour control in energy conversion systems. 1998. Pacifico Yokohama, Japan.

[3] Lin, W. G., Dam-Johansen K. och Frandsen F. (2003). Agglomeration in bio-fuel fired fluidized bed combustors. Chemical Engineering Journal 96(1-3): 171-185.

[4] Lin, W., et al. Agglomeration phenomena in fluidized bed combustion of straw. in Proc Int Conf Fluid Bed Combust [0197-453X] (14th). 1997. Vancouver, Canada.

[5] Öhman, M., Nordin, A., Skrifvars, B-J., Backman, R., Hupa, M. Bed Agglomeration Characteristics during Fluidized Bed Combustion of Biomass Fuels. Energy & Fuels, 2000. 14(1): p. 169-178.

[6] Brus, E., Bed agglomeration during combustion and gasification of biomass fuels - mechanisms and measures for prevention, Umeå University, Thesis, Umeå.

2004.

[7] De Geyter, S., et al., Skillnader i bäddagglomereringstendens mellan alternativa bäddmaterial och olika mineraler i natursand, Vol. 920. 2005: Värmeforsk Sverige AB.

[8] Spicar, E. (1995). Mineraler och Bergarter, ICA Förlaget AB.

[9] Finell , M., Xiong, S., Olsson, R. Multifunktionell industrihampa för norra Sverige, BTK-rapport 2006:13

[10] Kastberg, S., Nilsson, C., Öhman M., Reed canary-grass ash composition and it’s melting behavior during combustion, Fuel, 2001, 80, 1391-1398.

[11] Davidsson K. et al. Ramprogram - Åtgärder för samtidig minimering av alkalirelaterade problem, Värmeforsk Sverige AB

[12] Pommer, L., et al. Klargörande av bakomliggande mekanismer för torvslags positiva effekter vad gäller minskande av askrelaterade driftsproblem vid sameldning med biobränslen, Slutrapport P 21369-1 inom STEM-programmet

"Förbränning och förgasning av fasta bränslen", 2005.

[13] Öhman, M. Experimental studies on bed agglomeration during fluidized bed combustion of biomass fuels, PhD Thesis, Umeå University, 1999

[14] Morey, G. W; Kracek, F. C.; Bowen, N. L. J. Soc. Glass Technol., 1930, 14, 158 [15] Knudsen J N, Jensen P A, Johansen K D, Transformation and release to the gas

phase of Cl, K, and S during combustion of annual biomass, Energy&Fuels 2004;

18, 1385-1399

1

Bilagor

VÄRMEFORSK

2

A Defluidiseringsförlopp från agglomereringsförsöken A.1 Defluidiseringsförlopp för halm.

Kvarts - Halm

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

14 :2 3: 03

14: 35:3 3

14:4 8:03

15 :0 0: 33

B äd d te m pe ra tu r [° C ]

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Bäddt ryc k [ m B ar ]

Temp Bed Upper Temp Bed Lower dP Upper dP Lower

Plagioklas - Halm

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

15 :5 0: 03

16 :0 2: 33

16 :1 5: 03

16 :2 7: 33

16 :4 0: 03

Bädd tem p eratur [ °C]

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Bädd tryck [ m Bar ]

Temp Bed Upper

Temp Bed Lower

dP Upper

dP Lower

3

K-fältspat - Halm

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

14 :38 :0 3

14: 50 :3 3

B äddt em perat u r [ °C ]

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

B äddt ryck [m Bar]

Temp Bed Upper Temp Bed Lower dP Upper dP Lower

Halm - Olivin

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

18 :35 :0 8

18 :4 7:3 8

Bädd tem p eratu r [°C ]

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Bädd tryck [ m Bar]

Temp Bed Upper

Temp bed Lower

dP Upper

dP Lower

VÄRMEFORSK

4

A.2 Defluidiseringsförlopp för rörflen

Kvarts - Rörflen

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

22 :1 0: 52

22: 27:32

Bädd tem p eratur [°C]

0 0,5 1 1,5

Bäd d tryck [ m Bar]

Temp Bed Upper Temp Bed Lower dP Upper dP Lower

Olivin - Rörflen

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

19: 16 :54

19: 29 :24

19 :41 :54

Bäd d tem p eratu r [°C ]

0 0,5 1 1,5

B äd d tryck [m Bar]

Temp Bed Upper

Temp Bed Lower

dP Upper

dP Lower

5

Plagioklas - Rörflen

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

19 :35 :0 3

19 :51 :43

20: 08 :23

Bäd d tem p eratu r [°C ]

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

B äd d tryck [m Bar]

Temp Bed Upper

Temp Bed Lower

dP Upper

dP Lower

VÄRMEFORSK

6

A.3 Defluidiseringsförlopp för hampa

Kvarts - Hampa

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

05 :10 :28

05: 31:18

05 :52 :08

06: 12 :58

Bäd d tem p eratu r [°C ]

0 1 2 3 4 5 6

B äd d tryck [m Bar]

Temp Bed Upper Temp Bed Lower dP Upper dP Lower

Extern uppvärmning

Olivin - Hampa

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

00: 51: 56

01 :1 2: 46

01: 33 :3 6

01: 54 :2 6

B ä d d te m p e ra tu r [° C ]

0 1 2 3 4

B ä d d tr yck [ m B a r]

Temp Bed Upper Temp Bed Lower dP Upper 'dP Lower'

Extern uppvärmning

7

Plagioklas - Hampa

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

00: 51 :1 3

01: 07 :53

01: 24 :3 3

01 :41 :13

Bädd tem p eratur [ °C]

-0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Bädd tryck [ m Bar ]

Temp Bed Upper Temp Bed Lower dP Upper dP Lower

Extern uppvärmning

K-fältspat - Hampa

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

13 :0 0: 47

13 :2 5: 47

13 :5 0: 47

14 :1 5: 47

B äddt em perat u r [ °C ]

0 1 2 3 4 5 6

B äddt ryck [m Bar]

Temp Bed Upper Temp Bed Lower dP Upper dP Lower

Extern uppvärmning

1 Öhman, M., et al., Förbrukning av bäddmaterial i biobränsleeldade fluidbäddar p.g.a.

bäddagglomereringsrisk - beläggninsbildning och möjligheter till regenerering.

Vol. 739. 2001: Varmeforsk Sverige AB. 30.

2 Latva-Somppi, J., et al. Ash deposition on bed material particles during fluidized bed combustion of wood-based fuels. in Proc of the international conference on ash behavior control in energy conversion systems. 1998. Pacifico Yokohama, Japan.

3 Lin, W. G., Dam-Johansen K. och Frandsen F. (2003). "Agglomeration in bio-fuel fired fluidized bed combustors." Chemical Engineering Journal 96(1-3): 171-185.

4 Lin, W., et al. Agglomeration phenomena in fluidized bed combustion of straw. in Proc Int Conf Fluid Bed Combust [0197-453X] (14th). 1997. Vancouver, Canada.

5 Öhman, M., et al., Bed Agglomeration Characteristics during Fluidized Bed Combustion of Biomass Fuels. Energy & Fuels, 2000. 14(1): p. 169-178.

6 Brus, E., "Bed agglomeration during combustion and gasification of biomass fuels - mechanisms and measures for prevention", Umeå University, Thesis, Umeå. 2004.

7 De Geyter, S., et al., Skillnader i bäddagglomereringstendens mellan alternativa bäddmaterial och olika mineraler i natursand Vol. 920. 2005: Varmeforsk Sverige AB.

8 Öhman, M. Experimental studies on bed agglomeration during fluidized bed

combustion of biomass fuels, PhD Thesis, Umeå University, 1999