EN1527
Examensarbete för civilingenjörsexamen i energiteknik
Reduktion av stoftutsläpp från
närvärme-panna genom tillsats av kaolin som
bränsleadditiv
- Reduction of particle emissions from local heating facility by using
kaolin as a fuel additive
Sammanfattning
Hörnefors är en tätort belägen strax söder om Umeå. Orten har ett fjärrvärmenät som ägs och drivs av Umeå Energi AB där två pelletseldade pannor står för den huvudsakliga produktionen.
Det finns en risk att fjärrvärmeproduktionen i Hörnefors blir satt under hårdare utsläppskrav genom ett nytt direktiv som eventuellt kommer att införlivas under 2015. Direktivet kommer troligen att
sätta ett gränsvärde för stoftutsläpp på 45 mg/Nm3 vid 6% O2 från och med år 2030 vilket är så lågt
att pannorna Hörnefors inte kommer klara av det. I detta arbete har därför metoden att minska stoftutsläpp genom additivtillsats undersökts.
Det bestämdes att proveldningar skulle utföras med kaolin som tillsatsmedel. Kaolin är ett lermineral som fångar upp kalium vilket är ett problematiskt ämne när det kommer till stoftutsläpp. Testerna utfördes genom att blanda in kaolin i pelletsströmmen på väg in i pannan, stoftutsläpp och storleksfördelning på stoftet mättes i utgående rökgaskanal innan skorstenen. Driftfallen vid testerna delades in i hög och låg last samt 0.3 eller 1 vikt-% inblandning av kaolin. I tillägg till detta så gjordes referenstester utan inblandning av kaolin också vid hög och låg last.
Resultatet av proveldningarna på låg last visar att en signifikant reduktion av stoftutsläpp erhölls redan vid 0.3 vikt-% kaolin och att utsläppet minskade ytterligare vid 1 vikt-% kaolin. Detta gjorde att pannan med god marginal skulle klara sig under den föreslagna gränsen med endast 0.3 vikt-% kaolin inblandat.
Vid hög last gav proveldningarna inte ett signifikant resultat och det gick därmed inte att se någon skillnad mellan proverna med och utan kaolininblandning. Pannan skulle därmed inte klara den
föreslagna gränsen på 45 mg/Nm3. Anledningen till detta är troligen för hög hastighet på gasflödet
genom bädden vilket orsakat medryckning av partiklar.
Slutsaten av arbetet är att stoftreduktion genom tillsats av kaolin fungerar bra vid låg last men ger ingen skillnad vid hög last. Kaolintillsats skulle vara det absolut bästa alternativet för stoftreduktion om det skulle fungera vid även vid hög last på grund av det relativt låga priset. Önskas en snabb lösning rekommenderas spärrfilter eftersom det ger ett garanterat stoftutsläpp under gränsvärdet. Beräkningarna på ekonomi för de olika reningsmetoderna utvärderades också med nuvärdes-metoden och en kalkylränta på 8%. Ekonomiberäkningarna visade att det billigaste alternativet är kaolintillsats, därefter kommer spärrfilter och dyrast är elfilter.
Abstract
Hörnefors is an urban center south of Umeå. The center has a district heating network which is owned and operated by Umeå Energi AB. Two wood pellet fired boilers are the main suppliers of heat in the network.
There is a great risk that the production of district heating in Hörnefors will be put under stricter requirements due to new directions from the European Union. The new directions will probably set a
limit of particle emissions to maximum 45 mg/Nm3 at 6% O2 which is practically impossible to
guarantee from these boilers. The task of the work described in this report is therefore to investigate the performance of fuel additives to reduce particle emissions.
It was decided that kaolin was the most interesting additive for the tests. Kaolin is a clay mineral used for capturing potassium which is an important ability in reduction of particle emissions. The testing was performed by adding kaolin into the conveyor screw, thus the kaolin was mixed with the pellet on the way in to the boiler. Total dust emission and size distribution of the particles was measured in the flue gas channel. Different operating conditions were tested, high or low load as well as 0.3 or 1 weight-% of kaolin addition. In addition to this, clean test without kaolin was performed at high and low load.
At low load it was possible to distinguish a significant difference between the clean tests and the ones with kaolin addition. Already at 0.3 weight-% the emission of particles was well under
45 mg/Nm3 and it got even lower at 1 weight-%.
At high load the tests showed no significant difference in particle emissions between the operating conditions. The boiler will hence not reach the desired particle emissions. This is probably caused by high gas velocity through the fuel bed leading to fuel particles being captured by the flue gas.
The conclusions that can be made are that reduction of particle emissions by using kaolin as a fuel additive works well at low boiler load. The method does however not make any difference at high boiler load. Addition of kaolin would be the best alternative if it could show better performance at high load. Fabric filter would be recommended if a solution is desired immediately, because of its low guaranteed emission levels. Economical calculations were performed for the different methods of dust removal using net present value method with 8% discount rate. These calculations showed that the most economic feasible method is addition of kaolin followed by fabric filters and electrostatic precipitators.
Förord
Detta examensarbete omfattar 30 högskolepoäng och är examinerande för civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid tekniska högskolan på Umeå universitet. Arbetet har utförts på uppdrag av Umeå Energi AB under perioden 2015-01-19 till 2015-06-07.
Till en början vill jag tacka min handledare på Umeå Energi, Henrik Melander, som varit till stort stöd och hjälp under hela arbetets gång. Jag vill också tacka min handledare Christoffer Boman vid institutionen för Tillämpad Fysik och Elektronik på Umeå universitet för kloka råd som definitivt gjorde arbetet både lättare och bättre.
Jag vill också rikta ett stort tack till Anders Rebbling, doktorand vid institutionen för tillämpad fysik och elektronik på Umeå Universitet. Tack för ovärderlig hjälp med utrustning och metod vid provtagningarna och för den tid du avsatte för mitt examensarbete.
Ett tack ska också riktas till Åsa Benckert, Gunnar Larsson, Per-Olov Ljung, Anton Jakobsson och Erik Westberg, alla vid Umeå Energi, som på ett eller annat sätt bidragit med hjälp, tid och svar på frågor. Slutligen riktas också ett tack till Thiele Nordic som bidrog med kaolin till testerna.
Innehållsförteckning
1 Introduktion... 1 Syfte ... 2 1.1 Mål ... 2 1.2 Avgränsningar ... 2 1.3 2 Begrepp och termer ... 33 Teori ... 4 Stoft i rökgaser ... 4 3.1 MCP-direktivet... 4 3.2 Normalisering av emissionsvärden ... 5 3.3 3.3.1 Normalisering torra rökgaser ... 6
Närvärme ... 7
3.4 Sekundära reningstekniker för stoft ... 8
3.5 3.5.1 Tidigare arbete på området... 9
Additiv i bränslet ... 12
3.6 Mätmetoder för partiklar och rökgaser ... 13
3.7 Ekonomi ... 14 3.8 Yttranden om direktivet ... 16 3.9 4 Genomförande ... 17 Bränsleanalyser ... 17 4.1 Försöksanläggning för fullskaleeldningar ... 17 4.2 Val av additiv och inblandningsmetod ... 17
4.3 4.3.1 Kaolinskruv ... 18 Mätningar ... 19 4.4 4.4.1 Förberedelser ... 19 4.4.2 Utförande ... 21 4.4.3 Impaktorprovtagning ... 22 4.4.4 Totalstoftprovtagning ... 22 4.4.5 Gasanalys ... 23 Ekonomi ... 23 4.5 5 Resultat ... 24
Fullskaleeldningar med kaolintillsats - mätningar vid låg last ... 24
5.1 Fullskaleeldningar med kaolintillsats - mätningar vid hög last ... 28
6 Diskussion ... 33
Additivtillsats för stoftreduktion (mätningar) ... 33
6.1 6.1.1 Mätningar vid låg last ... 33
6.1.2 Mätningar vid hög last ... 34
Åtgärder för optimering av kaolintillsats ... 35
6.2 Alternativa lösningar för stoftreduktion ... 35
6.3 6.3.1 El- och spärrfilter ... 35
6.3.2 Lågstoftpannor ... 36
Ekonomiska aspekter... 37
6.4 7 Slutsatser ... 38
8 Förslag på framtida arbete ... 39
Referenser ... 40
Bilaga 1 – Bränsleanalys 2012 ... 44
Bilaga 2 – Bränsleanalys 2015 ... 45
Bilaga 3 – Offert LAKA 3 MW biopanna ... 46
Bilaga 4 – Kassetfilter Envicompac förklaring ... 50
Bilaga 5 – Doserutrustning för kaolin ... 52
Bilaga 6 – Kalibrering av matarskruv ... 54
Bilaga 7 – Mätrapport från panna, Hjo Energi, 2.5 MW ... 56
1
1 Introduktion
Umeå Energi AB är ett kommunalägt energibolag med verksamhet inom ett flertal områden. Koncernen är indelad i affärsområdena el, elhandel, sol vind & vatten, UmeNet och energilösningar. Företaget har en målsättning att bli klimatneutrala till 2018 vilket innebär att all fjärrvärme och el ska komma från sol-, vind-, vatten- och biokraft. Affärsområdet energilösningar levererar fjärrvärme och fjärrkyla till Umeå och driver även biobränsleeldade närvärme- och industripannor i mindre omkringliggande orter. En stor framtida utmaning för Umeå Energi ligger i att klara framtida krav på effektivitet, miljökrav och lönsamhet i dessa mindre nät.
FN:s klimatpanel, IPCC, betonar i sin senaste rapport vikten av åtgärder för att nå målet med maximalt 2°C uppvärmning jämfört med 1800-talets andra hälft. En av möjligheterna som lyfts fram är biomassa som energikälla [1]. Den svenska miljöpolitiken får anses vara relativt ambitiös och baseras på bedömningarna som FN:s klimatpanel gör. Den svenska klimat och energipolitiken har satt upp följande mål till år 2020 [2]:
Minst 50% av den svenska energin ska vara förnybar
Utsläppen av växthusgaser i Sverige ska reduceras till 40% av 1990 års nivå
Energieffektiviteten ska ökas med 20%
För att uppnå detta kan Sverige utnyttja sin enormt stora potential i biomassa.
Sverige har också sedan 2009 sexton miljökvalitetsmål som beskriver det tillstånd som det svenska miljöarbetet ska leda fram till. Biobränslen spelar här en stor roll i att uppfylla målen ”Begränsad miljöpåverkan” och ”Frisk luft” [3].
Fjärrvärme/närvärme är en metod för uppvärmning som sedan 80-talet vuxit stort i Sverige. Metoden att med en central större anläggning producera värme, och i många fall även el, ger flertalet positiva effekter på den lokala miljön då det både är lagstadgat och mer ekonomiskt att rena rökgaser från en stor anläggning. I Sverige har utvecklingen även gått från att en stor del av fjärrvärmen producerades med fossil energi till nyttjande av biobränslen. [4]
För att säkerställa en god levnadsmiljö har Europeiska Unionens medlemsländer enats om ett allmänt miljöhandlingsprogram. Programet kallas ”Att leva gott inom planetens gränser” och har stor betydelse för de utsläpp till luft och vatten som tillåts från verksamheter i unionen. Mot denna bakgrund föreslog EU-kommissionen den 18 december 2013 ett nytt direktiv (MCP-direktivet) angående emissioner till omgivningsluften från medelstora förbränningsanläggningar, dvs. anläggningar med tillförd effekt mellan 1 och 50 MW. [5]
I det nya EU-direktivet föreslås bland annat att befintliga anläggningar med tillförd effekt mellan 1 och 5 MW ska innefattas av en maxgräns för utsläppt stoft på 45 mg per normalkubikmeter rökgas
vid 6 % O2 [5]. För Umeå Energis vidkommande berörs i dagsläget tre så kallade närvärmepannor av
2
Andra lösningar för rökgasrening finns men främst för anläggningar med högre effekt, det innebär att många rökgasreningsutrustningar inte är ekonomiskt försvarbara för dessa mindre anläggningar. En utmaning finns alltså i att hitta en helhetslösning som behåller anläggningens lönsamhet.
Genom att designa ett bränsle på ett visst vis kan olika förbränningsmässiga fördelar uppnås. En stor andel av partiklarna som avgår vid förbränning är under 1 µm i diameter. Det har visats att det är möjligt att reducera mängden fina partiklar genom att samelda bränslet med andra innehållsmässigt olika bränslen eller additiv. Detta genom att transformationen till aska förändras så att problematiska ämnen som annars skulle bildat stoft i rökgaserna istället binds i askan. [7]
Syfte
1.1
Syftet med examensarbetet var att utreda och experimentellt studera möjligheterna att reducera stoftutsläppen från en av Umeå Energis närvärmeanläggningar (1.5 MW) med fokus på användningen av bränsleadditiv. Arbetet innefattar även en kartläggning och jämförande analys av tekniska och ekonomiska aspekter av alternativa och mer traditionella stoftreningsmetoder.
Mål
1.2
Frågeställningarna som besvaras av arbetet är:
Finns det något additiv att blanda i bränslet som kan fungera i Umeå Energis anläggningar
och som leder till minskat utsläpp av stoft?
Hur fungerar detta additiv i praktiken i en befintlig närvärmepanna?
Vad kan implementering av additivmetoden ge för ytterligare påverkan på vilket arbete som
behövs i anläggningarna?
Kan implementering av konceptet med bränsleadditiv rekommenderas för Umeå Energi, eller
är det någon annan reningsmetod som är mer fördelaktig ur ett tekno-ekonomiskt perspektiv?
Avgränsningar
1.3
Det kommer bara vara möjligt att genomföra förbränningstester i fullskala med endast ett additiv, vilket inledningsvis kommer bestämmas efter en noggrann litteraturstudie. Endast en metod för att tillsätta additivet kommer också kunna testas. Utrustningen för att tillsätta additivet behöver därför inte vara en slutgiltig lösning men ska vara av sådan natur att konceptet kan anses testas under relevanta förhållanden för en eventuell senare implementering
3
2 Begrepp och termer
Kraftvärme – Teknik för att producera kraft (elektricitet) och värme (ofta vattenburen) [8].
Medelstora förbränningsanläggningar – Enligt Europeiska Kommissionens definition anläggningar
med tillförd effekt mellan 1 och 50 MW.
MCP-direktivet – Direktiv som ska styra utsläppen från medelstora förbränningsanläggningar, MCP är
en förkortning för ”Medium Combustion Plant”.
Fjärr/närvärme – Mindre fjärvärmenät kallas ofta för närvärme, de bygger dock på samma princip
som ett större fjärrvärmenät.
Stamved – Den barkfria delen av trädstammen, karaktäristiskt för denna är lågt askinnehåll och goda
förbränningsegenskaper.
GROT – Förkortning för ”GRenar Och Toppar”, billigare biobränsle men med sämre
förbränningsegenskaper än ren stamved. Exempelvis finns risk för kontamination av sand samt ett större innehåll av förbränningstekniskt problematiska ämnen.
Additiv – I detta arbete en benämning på tillsatser som på något vis blandas med bränslet i syfte att
uppnå förändring i förbränningen.
Asktransformationer – Kemiska reaktioner som askan genomgår under förbränningen, vilka
föreningar som bildas har stor betydelse för hur väl bränslet fungerar.
4
3 Teori
Det har länge varit känt att rökgaser från eldning av biobränslen har en påvisbar effekt på människors hälsa. Det har visats att människor i områden med höga partikelkoncentrationer mer frekvent får problem med hjärta och luftvägar [9]. Biobränsleförbränning är en stor källa till utsläpp av partiklar, ofta från mindre, äldre och enklare eldsstäder där ingen avancerad utrustning för rökgasrening finns [10] [11]. Vid en jämförelse mellan en pelletseldad och en oljeeldad anläggning med samma installerade effekt står det klart att den pelletseldade anläggningens partikelutsläpp vida överstiger den oljeeldades [12]. Reduktion av partikelutsläpp är alltså viktigt för att ge biobränslen ännu bättre miljöprestanda vid sidan av att de gör anläggningen fossiloberoende.
I många artiklar konstateras att tillgången på ren stamved kan bli allt svårare att säkerställa i framtiden. Lösningen blir då att värmeproduktion i stor utsträckning kommer elda mindre attraktiv biomassa som bark, returflis eller GROT. Problem som då kan förekomma är att bränslen som innehåller icke-stamved har ett större askinnehåll och större variation i ask- och aerosolbildande element [13]. Detta resulterar då i större utsläpp men kan även, beroende på bränslet, resultera i slaggning med driftsproblem som följd.
Stoft i rökgaser
3.1
Det element som främst är källan till askrelaterade problem och stoftutsläpp är kalium. I askan kan kalium bilda smältor tillsammans med t ex kisel vilket ger slaggning i rostpannor och bäddagglomerering i fluidbäddspannor [14], [15]. För stoftutsläpp har det visats att kalium är den viktigaste komponenten för bildandet av oorganiska askpartiklar som avgår i rökgaserna, framförallt i det submikrona intervallet, dvs. partiklar med diameter under 1 µm [16], [17], [18]. Kalium bildar
bland annat KCl och KOH i gasfas som sedan kan kondensera eller reagera vidare med SO2/SO3 i
rökgaserna till t ex K2SO4, och bilda partiklar.
Studier har vidare visat att stora utsläpp av partiklar kommer från medelstora anläggningar utan rökgasrening eller anläggningar med endast cyklon som avskiljningsmetod [19], detta till stor del på grund av att cykloner inte klarar att avskilja submikrona partiklar. Studier visar även att pannans last inverkar på storleksdistributionen av partiklar. Låg last tycks öka den relativa andelen submikrona partiklar medan de grövre partiklarna mellan 1 och 10 µm ökar vid högre laster [20]. Vad som dock
står klart är att de submikrona partiklarna, även kallade PM1, vid båda lasterna är dominerande i
partikelmängden under 10 µm. Detta tyder på att de grövre partiklarna i större utsträckning och på ett mer uppenbart vis kan påverkas av driften och utformningen av anläggningen medan de submikrona partiklarna i stor utsträckning beror på bränslets kemiska sammansättning [20]. Dock inverkar driften även på bildandet av submikrona askpartiklar genom att de specifika förhållandena, t ex temperatur och atmosfär, förändras för olika driftlägen [21].
MCP-direktivet
3.2
Det förslag på nytt direktiv som ligger bakom syftet med detta examensarbete gavs ut av Europeiska Kommissionen 18/12 – 13 [5]. Direktivet skulle, om det antas, innebära ett steg för att uppnå en
bättre luftkvalitet i medlemsländerna genom att sätta upp gränsvärden för utsläpp av SO2, NOx och
partiklar.
5
mindre aktörer har direktivet anpassats genom att mindre anläggningar får en längre anpassningstid och ingen tillståndsansökan kommer krävas. Det planeras även att införas förenklade övervaknings- och rapporteringskrav för de mindre anläggningarna.
De gränsvärden som föreslås gälla för befintliga medelstora förbränningsanläggningar är normaliserade mot sex procent syre i rökgaserna för anläggningar som eldas med fasta bränslen. För anläggningar som eldas med flytande eller gasformiga bränslen normaliseras allt mot tre procent syrgas i rökgaserna. Alla gränsvärden för befintliga anläggningar presenteras i Tabell 1.
Tabell 1. Gränsvärden för utsläpp i mg/Nm3 normaliserade mot 6% O2 för fastbränsleanläggningar och 3% O2 för
anläggningar eldade med flytande eller gasformiga bränslen [22]. Alla värden gäller befintliga medelstora förbränningsanläggningar. Förorenande ämne Fast biomassa Övriga fasta bränslen Andra flytande bränslen än tung eldningsolja Tung eldningsolja Naturgas Andra gasformiga bränslen än naturgas SO2 200 400 170 350 - 35 NOx 650 650 200 650 200 250 Partiklar 301 30 30 30 - -
För nyuppförda medelstora förbränningsanläggningar föreslås något hårdare krav, dessa presenteras i Tabell 2. Samma normaliseringar som i Tabell 1 gäller.
Tabell 2. Gränsvärden för utsläpp i mg/Nm3 normaliserade mot 6% O2 för fastbränsleanläggningar och 3% O2 för
anläggningar eldade med flytande eller gasformiga bränslen [22]. Alla värden gäller nya medelstora förbränningsanläggningar. Förorenande ämne Fast biomassa Övriga fasta bränslen Andra flytande bränslen än tung eldningsolja Tung eldningsolja Naturgas Andra gasformiga bränslen än naturgas SO2 200 400 170 350 - 35 NOx 300 300 200 300 100 200 Partiklar 202 20 20 20 - -
Gränsvärdena som föreslås i Tabell 1 och Tabell 2 är alltså inte antagna ännu. Enligt förslaget så bör gränsvärdena från befintliga anläggningar gälla från och med 1 januari 2025 för pannor över 5 MW och från och med den 1 januari 2030 för pannor under 5 MW. Till nya anläggningar räknas de som uppförs senare än ett år efter direktivets införlivande, dessa ska därmed klara gränsvärdena omedelbart efter uppförandet.
Normalisering av emissionsvärden
3.3
Vid mätning av stofthalt i rökgaser måste hänsyn tas till rökgasernas sammansättning. Stoftemissioner mäts nästan alltid i volymkoncentration dvs. per normalkubikmeter och det är därmed lätt att påverka mätningen genom att exempelvis späda rökgaserna med mer luft. För att
145 mg/Nm3
för anläggningar med en tillförd effekt på 5 MW eller mindre
2
6
komma till rätta med detta relateras alltid mätvärden med ett visst luftöverskott givet i O2-halt eller
CO2-halt. Detta innebär att det inte längre går att manipulera rökgaserna med luft eftersom
mätvärdet alltid måste normaliseras mot samma luftöverskott [23]. Förutom O2-halt eller CO2-halt så
brukar även stoftutsläppet gälla för torr gas vid tillståndet 1 bar och 0°C.
3.3.1 Normalisering torra rökgaser
För att härleda ekvationen för normalisering nyttjas först ett samband för torra rökgaser, detta beskrivs i ekvation ( 1 ) [23].
𝑔𝑡 = 𝑔0𝑡+ (𝑚 − 1)𝑙0𝑡 ( 1 )
Där gt är mängden torra rökgaser i, got är den teoretiska mängden stökiometriska rökgaser och lot är
den teoretiska mängden luft vid stökiometrisk förbränning. Luftfaktorn m i ekvation ( 1 ) kan bestämmas med hjälp av exempelvis halten syrgas i rökgaserna, syre som kommer ut i rökgaserna kommer till stor del av ett luftöverskott. Om m är 1 så sker förbränningen stökiometriskt och den högra termen kommer helt försvinna. Luftfaktorn kan beräknas enligt ekvation ( 2 ), vid torra
rökgaser är det möjligt att göra förenklingen att got och lot är lika [23].
𝑚 = 1 +𝑔𝑜𝑡 𝑙𝑜𝑡 ∙ [𝑂2]𝑡 0.21 − [𝑂2]𝑡 ≈ 0.21 0.21 − [𝑂2]𝑡 ( 2 )
Där [O2]t är halten syre i rökgaserna, ekvationen används därmed för att skapa ett förhållande mellan
luftens syreinnehåll som här antas vara 21% och luftens syreinnehåll minus rökgasernas. Om en gränsvärdesbetraktelse görs så är det lätt att se att luftfaktorn går mot 1 när halten syre i rökgaserna går mot 0 dvs. stökiometrisk förbränning. När syrehalten i rökgaserna går mot 21% går luftfaktorn mot oändligheten dvs. det behövs oändligt mycket luft för att ingen förändring i syrehalt över förbränningen ska kunna uppstå.
För att förenkla uttrycket så antas alltså got och lot vara ungefärligen lika eftersom det är torra
rökgaser som åsyftas. Detta gör att ekvation ( 1 ) och ( 2 ) därmed kan sättas ihop och skrivas om enligt ekvation ( 3 ).
𝑔𝑡 = 𝑔𝑜𝑡+ (𝑚 − 1)𝑙𝑜𝑡 = 𝑔𝑜𝑡 + (
0.21
0.21 − [𝑂2]𝑡− 1) 𝑔𝑜𝑡 = 𝑔𝑜𝑡𝑚
( 3 )
Omräkningen i stoftemission mellan två syrehalter blir därmed en kvot mellan två luftfaktorer
eftersom got är lika i båda fallen. Detta innebär att förhållandet mellan två halter syre, f, blir en kvot
mellan två värden för luftfaktorn enligt ekvation ( 4 ) [23].
𝑓 =𝑚𝑚ä𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔 𝑚𝑣𝑖𝑙𝑙𝑘𝑜𝑟 = (0.21 − [𝑂0.21 2]𝑡)𝑚ä𝑡𝑛𝑖𝑛𝑔 (0.21 − [𝑂0.21 2]𝑡)𝑣𝑖𝑙𝑙𝑘𝑜𝑟 ( 4 )
Där mmätning är luftfaktorn i rökgaserna vid mätning och mvillkor luktfaktorn i rökgaserna som
7
parentesen ska vara de som gäller vid mättillfället medan index ”villkor” anger att variablerna ska vara de som gäller vid det normaliserade tillståndet. För mätningar på verklig rökgas kan också ekvation ( 4 ) användas om även den faktiska syrehalten mäts. I sådana fall tas index t bort från syrehalterna.
Det finns olika konventioner för hur stofthalter ska normaliseras. Tidigare användes oftast
normalisering mot 13% CO2-halt, detta har dock i allt större utsträckning ersatts med normalisering
mot 6% O2-halt. Omvandlingen mellan dessa är ett helt linjärt samband som utgår från antagandet
att förbränningsluften innehåller 21% syre. Teorestisk sett skulle sedan en stökiometrisk lufttillförsel
ge en CO2-halt på 21% eftersom molförhållandet i syre mellan O2 och CO2 är 1:1. I realiteten så åtgår
dock lite syre för att bilda föreningar med svavel och kväve. Omvandlingen kan därmed ske enligt Figur 1. [24]
Figur 1. Graf för omvandling mellan normalisering mot syre- eller koldioxidhalt. [24]
Närvärme
3.4
Det finns ingen klar definition på vad som räknas som närvärme. I vissa fall kan ett närvärmenät bestå av fyra villor som värms från en gemensam flispanna medan det i andra fall kan vara en mindre orts fjärrvärmenät som åsyftas. Vad som är klart är att ett närvärmenät skiljer sig mycket från ett större fjärrvärmenät vad gäller ekonomi. I ett större nät kan det vara mer motiverat att göra större investeringar eftersom det stora kundunderlaget gör att investeringen relativt snabbt intjänas. Närvärme däremot är betydligt känsligare för stora kostnader eftersom intäkterna är så mycket lägre. Dessutom är många av teknikerna som används i fjärrvärmeproduktion, exempelvis avfallseldning och avancerade rökgasreningsmetoder, inte tillgängliga till mindre anläggningar som används i närvärmenät. Detta beror till stor del på att storskalighet är lönsamt så den specifika kostnaden, kr/MW, är lägre för större system.
TPS-8
Energi. Som spetslast nyttjas två oljepannor på 2.5 MW och 1.5 MW vardera. I tillägg till detta finns även en ackumulatortank för ge en jämnare drift på pannorna.
Sekundära reningstekniker för stoft
3.5
Många förbränningsanläggningar med installerad effekt under 10 MW använder multicyklon som rökgasreningsmetod. Multicyklonen fungerar så att rökgaserna delas upp i ett flertal mindre cykloner där rökgaserna leds i en cirkulär rörelse. Stoftet i rökgaserna som är tyngre än själva gasen slungas därmed mot cyklonernas väggar där gasen i princip står helt stilla. Partiklarna kan då falla längs cyklonens väggar och samlas upp i botten av cyklonen, Figur 2 beskriver processen.
Figur 2. Skiss av en multicyklon, rökgaserna från pannan (röd pil) leds nedåt i en cirkulär rörelse varvid stoftet (svart pil) avskiljs, rökgaserna fortsätter därefter sin cirkulära bana uppåt (blå pil) och renas ytterligare innan de lämnar cyklonen.
[25]
Cyklontekniken bygger på att partiklarna måste ha en viss rörelsemängd för att avskiljas och det blir därmed svårt att avskilja små partiklar på grund av deras ringa massa. Avskiljningsförmågan försämras kraftigt vid partikelstorlekar under 5 µm och under 1 µm skiljs i princip inga partiklar av [26]. Vid förbränning av biomassa ligger stoftutsläppet från en anläggning renad med multicyklon
typiskt på 100-250 mg/Nm3 [26]. För att nå lägre nivåer krävs kombination med annan reningsmetod
som lämpar sig bättre för rening av mindre partiklar.
Elfilter eller elektrostatiskt filter är en metod att avskilja stoft genom att partiklarna laddas för att sedan avskiljas genom elektrostatisk attraktion. Ett elfilter för rökgasrening är uppbyggt med högspänningstrådar kallade ejektorelektroder och jordade plattor kallade kollektorelektroder. För att ladda partiklarna konstrueras filtret så att koronaurladdningar uppstår kring högspänningstrådarna. Koronaurladdningar är en urladdning som uppstår vid relativt höga spänningar mellan två elektroder med olika polaritet, dock inte så höga att en ljusbåge uppstår. Koronaurladdningarna joniserar molekyler kring högspänningstrådarna, dessa joner förflyttas sedan i det elektriska fältet mot kollektorelektroderna. Jonerna kolliderar då mot partiklar i rökgaserna som i sin tur laddas, de laddade partiklarna kommer då också att förflyttas i det elektriska fältet och fastnar sedan på kollektorelektroderna. [27]
9
Figur 3. Principschema av ett elfilter, partiklarna i rökgasen joniseras av de blå ejektorelektroderna och kan därmed sedan fångas upp av de rödfärgade kollektorelektroderna. [28]
Avskiljningen i filtret beror på filtrets storlek, den elektriska fältstyrkan och partiklarnas resistivitet. Plattorna som fångar partiklarna renas mekaniskt genom skakning eller elektriska pulser, det finns även så kallade våta elfilter där plattorna spolas med vatten. Med ett vått elfilter tillkommer då även utrustning för vattenrening. Elfilter kan ge mycket god avskiljningsgrad och utsläppsnivån ligger i
allmänhet i intervallet 0.1-20 mg/Nm3 vid 6% O2 [26].
Spärrfilter består ofta av cylindriska filter i textil uppträdda på en metallställning och kallas därmed ofta för slangfilter. Rökgaserna filtreras genom slangarna som då skiljer av stoftet och rökgaserna kan renade fortsätta upp i skorstenen. Spärrfilter kräver system för avskiljning av filterkakan som bildas på filterytan, exempelvis genom att mekaniskt skaka filtren eller genom tryckluftsimpuls. Det finns också system där filterkakan tas bort genom att blåsa luft eller rökgaser bakvägen genom filtret. Avskiljningsgraden för stoft är ofta god och utsläppen av stoft hamnar normalt sett i
storleksordningen 1-10 mg/Nm3 vid 6% O2 [26]. Spärrfilter innebär en merkostnad då filtren måste
bytas med jämna mellanrum, de kräver också att temperaturen på rökgaserna inte är allt för hög, filtret tål i allmänhet temperaturer på cirka 250°C [6]. Det är också viktigt att glödande partiklar inte kommer i kontakt med filtret, denna avskiljning sker enklast med en multicyklon uppströms filtret.
3.5.1 Tidigare arbete på området
10
rapporten konstateras att multicykloner inte kan avskilja submikrona partiklar och har svårt att ge en
stofthalt på under 100 mg/Nm3 vid 13% CO2. Dock har multicykloner en fördel i lågt pris och
driftsäkerhet jämfört med annan teknik. Bäst avskiljning ger slangfilter men dessa kräver system för rensning och tål inte allt för höga temperaturer, 200°C till 290°C beroende på fabrikat. [6]
Den färskaste rapporten på området är en Värmeforskrapport utkommen 2014 som sammanfattar koncept för att minska utsläpp av fint stoft och kväveoxider. I rapporten föreslås kaolin som det mest intressanta alternativet för additivinblandning eftersom det är väl testat och fungerar på många olika biobränslen. Stegad förbränning för emissionsminskning kan vara dyrt eftersom det ofta kräver en ny panna, exempel på lågstoftpannor finns idag från tillverkarna Müller AG Holzfeuerungen i Schweiz samt den finska tillverkaren LAKA. Lågstoftpannor, eller ombyggandstekniker för befintliga pannor, är dock något som kan komma att bli allt vanligare i framtiden. Slutsatsen angående stoftutsläpp i rapporten är att beroende på hur stor emissionsminskning som eftersträvas, så rekommenderas (i turordning) [29]:
1. Optimering av processtyrning
2. Proveldningar med tillsats av kaolin (eller billigare lermineral) 3. Proveldningar av bränsle med lägre askinnehåll
4. Ombyggnad till lågstoftpanna, investering i ny lågstoftpanna, eller förbättra stoftrening, t.ex. med elfilter eller slangfilter
En rökgasskrubber använder en vätska för att tvätta rökgaserna, detta gör att stoft och även vissa gasformiga föroreningar kan avskiljas. Skrubbrar utrustas ofta med en värmeväxlare och fungerar därmed som en rökgaskondensor där både värmeutbyte och rening kan erhållas. Stoftet i rökgaserna fångas i vattendropparna genom tröghetskrafter och diffusion. En kombination med
rökgaskondensor och multicyklon kan nå stoftnivåer på 30-100 mg/Nm3 vid 6% O2. Ett problem för
skrubbrar med god avskiljning av stoft är att de ofta ger ett relativt stort tryckfall vilket ställer högre krav på rökgasfläktar [26]. Avskiljning av stoft genom rökgaskondensering tas upp i en rapport från 2010, i rapporten konstateras att multicyklon inte är tillämplig för submikrona partiklar och
stofthalter under 100 mg/Nm3 vid 13% CO2. En rökgaskondensor kan fungera som en våtavskiljare av
partiklar, det får dock till följd att utökad vattenrening kommer krävas. Enligt företag som verkar i branschen är det tveksamt om rökgaskondensering någonsin kommer bli lönsamt för anläggningar under 10 MW [26].
11
Figur 4. Specifik kostnad för installation av slangfilter eller elfilter. [30]
Valet av rökgasreningsutrustning beror även på de löpande kostnaderna för reningsteknikerna. Ett elfilter har största löpande kostnad i förbrukad el, medan slangfilters löpande kostnad beror på hur ofta filtren måste bytas. En jämförelse har gjorts av Leif Lindau i en rapport från värmeforsk [30], i rapporten jämförs totalkostnaden för att installera olika reningstekniker De antaganden som görs i rapporten är att elfilter har en elkostnad på 350 SEK/MWh och en drifttid på 4000 ekvivalenta fullasttimmar per år. Slangfilter har olika livslängd på filtren en betydande del i den totala kostnaden
därför redovisas livslängden 1, 2 och 4 år i Figur 5. Kostnaden för nya filter antas vara 270 SEK/m2 och
arbetskostnaden 50-90 SEK/m2, ökande för mindre anläggningar. Kostnaderna är evaluerade med
nuvärdesmetoden för 15 års evalueringstid och 4% realränta.
12
Det finns ett antal nya rapporter som behandlar småskaliga elfilter. Det finns elfilter för montering i skorstenen som har visat god avskiljningsförmåga i försök. Ett sådant som finns på marknaden är ”Zumikron” från det tyska företaget [31], dock finns detta filter upp till effekter på max 40 kW. Det norska företaget Applied Plasma Physics AS som numer är uppköpta av företaget Schenck Process GmbH har utvecklat ett elfilter som ska kunna fungera upp till ett par MW. Detta filter har även det visat sig bra i tester [32], dock är det inte kommersialiserat ännu och ingen information finns om det någonsin kommer bli det.
Additiv i bränslet
3.6
Ett sätt att reducera stoftavgången redan i bränslebädden är att tillsätta additiv till förbränningen. Syftet med detta är att få en förändring i sammansättningen av bränslets aska mot att innehålla mer föreningar med höga smälttemperaturer. Detta sker genom att framförallt kalium som annars skulle bilda submikrona partiklar binds upp i föreningar med hög smälttemperatur. Inblandning av additiv är testat på forskningsskala med goda resultat men det saknas data på implementeringar i fullskala. [29]
Tester har bland annat gjorts med mineraladditiven Dolomit, Kalcit och Kaolin. Av dessa har kaolin visat sig vara det effektivaste alternativet eftersom det ger möjlighet till att både minska stoftemissioner och slaggningstendenser [33], [34]. Kaolin består huvudsakligen av lermineralet
kaolinit, Al2Si2O5(OH)4. Vid uppvärmning av kaolinit avgår vatten och metakaolinit, Al2O3·2SiO2, bildas
[35]. Denna har egenskaper som gör att den lätt kan binda till sig kalium. Den föreslagna reaktionsformeln för metakaolinitens kaliumbindande reaktioner har redovisats av t ex Tran et al., enligt [35]:
𝐴𝑙2𝑂3∙ 2𝑆𝑖𝑂2+ 2𝐾𝐶𝑙(𝑔) + 𝐻2𝑂(𝑔) → 2𝐾𝐴𝑙𝑆𝑖𝑂4+ 2𝐻𝐶𝑙(𝑔) ( 5 )
𝐴𝑙2𝑂3∙ 2𝑆𝑖𝑂2+ 𝐾2𝑆𝑂4→ 2𝐾𝐴𝑙𝑆𝑖𝑂4+ 𝑆𝑂3(𝑔) ( 6 )
𝐴𝑙2𝑂3∙ 2𝑆𝑖𝑂2+ 2𝐾𝑂𝐻(𝑔) → 2𝐾𝐴𝑙𝑆𝑖𝑂4+ 𝐻2𝑂(𝑔) ( 7 )
Ekvation ( 5 ) visar hur kaolin och vattenånga kan binda kaliumet i kaliumklorid. Ekvation ( 6 ) och ( 7 ) visar hur kaolin binder kaliumet i kaliumsulfat respektive kaliumhydroxid.
13
tidigare var problematiska i det avseendet, inklusive bränslen som avsiktligt kontaminerats med sand. I rapporten anges en kostnad för additivtillsats på <0,6 öre/kWh pellets. [36]
Kaolin har visat sig fungera bäst i reducerande miljöer dvs. med ett visst luftunderskott. Det bästa vid eldning med kaolin i rostpanna vore därmed alltså att styra primärluften så att reducerande förhållanden erhålls på rostret [37]. Detta innebär alltså att bränslet förgasas och måste därmed kompletteras med ett steg där utbränning av gaserna säkerställs med hjälp av sekundär- eller tertiärluft. Att minska på primärluften i en rosterpanna ger även fördelar i lägre rostertemperatur, och därmed slaggning, samt lägre risk för medryckning av askpartiklar [38].
Mätmetoder för partiklar och rökgaser
3.7
För att mäta storleksfördelning på partiklar i rökgas kan en impaktor användas. En impaktor separerar partiklar med olika aerodynamisk diameter i ett antal steg, Figur 6 visar detta för en 3-stegs impaktor. Avsättningen av partiklar på substratet beror av hastigheten U som styrs av
munstyckets diameter Dj. Med ett stegvis minskande Dj erhålls därmed en storleksfördelning med de
största partiklarna på det översta substratet och de minsta på det nedersta.
Figur 6. Beskrivning av funktionen hos en 3-stegs impaktor.
14
Tabell 3. En tabell över ”cut-off”-diametrar för partiklarna som deponeras på de olika stegen.
Steg Diameter [µm] 13 10 12 6.8 11 4.4 10 2.5 9 1.6 8 1.0 7 0.65 6 0.40 5 0.26 4 0.17 3 0.108 2 0.06 1 0.030
Gasanalys kan utföras genom FTIR-spektroskopi. FTIR står för Fourier Transform InfraRed vilket alltså är en typ av infraröd spektroskopi. Tekniken fungerar genom att IR-strålning tillåts passera genom ett prov där en del av strålningen absorberas och en del transmitteras. De våglängder som absorberas eller transmitteras ger sedan ett mått på vilka ämnen som finns i provet. FTIR lämpar sig mycket väl för provtagning på gaser eftersom tekniken kan detektera mycket små mängder av gas. Typiska gaser
som den lämpar sig för är O2, N2, H2O, CO2, CO, CH4, NO, SO2 och H2. Detta innebär att FTIR är ett bra
verktyg vid provtagning på rökgaser då flera av dessa gaser är viktiga ur utsläppssynpunkt och också för att se hur bra en förbränningsanläggning fungerar. Vid provtagning på rökgaser med FTIR är det viktigt att ha kontroll på förbränningen. Ett FTIR-spektroskop är känslig för tjärhaltiga rökgaser och ska därmed inte användas under exempelvis uppstart eller nedeldning.
Ekonomi
3.8
För att utvärdera olika investeringars lönsamhet kan nuvärdesmetoden användas. Metoden bygger på att framtida kostnader och intäkter från investering diskonteras tillbaka till året för investering. Nuvärdet betecknas NV och för en enstaka framtida inbetalning beräknas detta genom ekvation ( 8 ).
𝑁𝑉 = 𝐼
(1 + 𝑝)𝑛 ( 8 )
15
Där C är det årsvisa kassaflödet dvs. investeringskostnader, inbetalningsöverskott och restvärde. a är det årliga inbetalningsöverskottet, dvs inkomster minus utgifter och R är anläggningens restvärde vid beräkningens slut (efter n år). i är i detta fall uppräkningsvariabel.
Nettonuvärdet, NNV, kan sedan beräknas genom att subtrahera grundinvesteringskostnaden, G, från nuvärdet enligt ekvation ( 10 ).
𝑁𝑁𝑉 = 𝑁𝑉 − 𝐺 = ∑ 𝐶𝑖 (1 + 𝑝)𝑖 𝑛 𝑖=1 − 𝐺 = 𝑅 (1 + 𝑝)𝑛− 𝐺 + ∑ 𝑎𝑖 (1 + 𝑝)𝑖 𝑛 𝑖=1 ( 10 )
Figur 7 förklarar hur nuvärdesmetoden fungerar, här diskonteras både årliga intäkter och restvärdet till år 1 för att jämföras med investeringskostnaden. Notera att den sammanlagda stapelhöjden av staplarna a och R överstiger den diskonterade blå stapeln, detta beror på den ränta som är inräknad.
16
Yttranden om direktivet
3.9
Ett flertal svenska branschorganisationer har skrivit yttranden angående det planerade MCP-direktivet. Även Naturvårdsverket har skrivit ett yttrande i frågan där man konstaterar att förslaget kan komma att förändras innan det slutligen antas. Naturvårdsverket gissar även att EU-parlamentet och ministerrådet kommer att besluta om ett direktiv tidigast hösten 2015 och man konstaterar att svenska myndigheter då kommer ha tre år på sig att ta fram och besluta den lagstiftning som ska göra att direktivet efterlevs. [40]
Svensk Fjärrvärme är fjärrvärmeföretagen i Sveriges branschorganisation. Svensk Fjärrvärme har i ett yttrande behandlat det föreslagna MCP-direktivet och tagit fram föreslagna förändringar. Man konstaterar att direktivet riskerar att missgynna småskalig fjärrvärme till fördel för egeneldning som visats ge större emissioner men inte innefattas i direktivet. Direktivet som föreslås av Svensk Fjärrvärme innefattar bland annat ett förslag om att höja gränsvärdet för stoftutsläpp från befintliga pannor eldade med fast biomassa 1-10 MW till 150 mg/Nm3. Kort sagt så skulle Svensk Fjärrvärmes förslag till ändringar innebära att inga åtgärder skulle behöva göras för Umeå Energis medelstora förbränningsanläggningar. Det är dock tveksamt att EU-parlamentet helt skulle godkänna Svensk Fjärrvärmes förslag till förändringar, detta eftersom man redan föreslagit en lång invänjningstid fram till 2030 för dessa anläggningar. [41]
Organisationer som företräder skogsindustrierna och innovations- och kemiindustrierna har även de kommit ut med yttranden angående MCP-direktivet. Även dessa organisationer konstaterar att gränsvärdena för stoftutsläpp är för låga och motiverar det med att det är orimligt att en panna på 1 MW ska ha samma krav för stoftutsläpp som en panna på 50 MW. Man konstaterar också att med det nuvarande industriutsläppsdirektivet så kan pannor mellan 5 och 50 MW få strängare kvar än pannor mellan 50 och 100 MW. Organisationerna betonar att man principiellt är för minskande utsläpp genom nya direktiv men att detta måste göras i takt med att det är ekonomiskt och tekniskt möjligt. [42] [43]
En observation som gjorts under arbetets gång är att det verkar finnas en skillnad i vad som anses möjligt för rening av stoft med multicyklon. På naturvårdsverkets hemsida finns ”Vägledning för förbränningsanläggningar mindre än 20 megawatt”. I denna vägledning anges att ”Med briketter eller pellets klarar man ofta nivåer under 100 mg/Nm3 tg vid 6 procent O2 med enbart multicyklon
som rening” [44]. Detta är ett citat som visserligen inte är felaktigt då man kan klara sådana stoftnivåer med endast multicyklon. Dock anses det av många inte som trovärdigt att en anläggning med endast multicyklon som reningsutrustning ska klara så låga halter som medelvärde. Bland annat Energimyndigheten har i en rapport angett att rökgaser renade med multicyklon i allmänhet har en
stofthalt på 100-250 mg/Nm3 vid 13% CO2 [45]. Stoftutsläppet skiljer sig även väsentligt mellan en
nysotad panna och om pannan varit i drift en längre tid, även olika driftsförutsättningar påverkar
stofthalterna i rökgasen. Enligt Umeå Energis egen personal är 150 mg/Nm3 vid 13% CO2 en rimlig
17
4 Genomförande
För att få en bättre förståelse för hur marknaden ser ut för lösningar på stoftemissions-problem har några intervjuer även utförts. En intervju med Carl-Olof Samuelsson på Finn-Trade AB har genomförts. Finn-Trade saluför pannor från den finska tillverkaren LAKA som har intressanta lösningar på området för pannor med låga stoftemissioner. En annan intervju har utförts med Mikael Bäckman på Klintpellets AB som är Umeå Energis pelletstillverkare och leverantör.
För att få en bild av hur andra myndigheter och företag uppfattar MCP-direktivet söktes yttranden från dessa aktörer upp. Flera aktörer har åsikter om utformningen av direktivet och resonerar även om när direktivet kan tänkas införlivas och vilka ändringar som kan tänkas göras.
Bränsleanalyser
4.1
Bränsleanalyser utfördes för att få en god bild av bränslet som används i anläggningarna samt för att kunna beräkna den önskade mängden additiv. Testerna utfördes av det ackrediterade laboratoriet Bränslelaboratoriet Umeå AB.
Bränsleanalyserna påvisar att bränslet har samma askhalt 2012 som 2015. Det effektiva värmevärdet skiljer något mellan åren och likaså fukthalterna. Resultat från bränsleanalyserna finns bifogat i Bilaga 1 och Bilaga 2
Försöksanläggning för fullskaleeldningar
4.2
För att testa inblandningen av additiv valdes pelletspannan på 1.5 MW ut som försöksobjekt. Pannan matas med pellets via en bränsleskruv i pannans framkant. Pelletsen lagras i två siloer och transporteras sedan via cirka 15 meter matarskruv med två eller tre fallschakt innan den når bränsleskruven. Om det är två eller tre fallschakt beror på vilken silo som används. Bränslet transporteras sedan framåt i bädden av hydraulstyrda skrapor i botten. Askan som bildas skruvas därefter ut från pannans bakdel.
Effektregleringen av pannan är indelad i sex fasta reglersteg (1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 3.1, 3.2) vilka styr hur mycket pellets som matas in i pannan. Detta styrs genom att skruven som matar pelletsen till sista fallschaktet har en konstant gåtid på 6 sekunder medan ståtiden varieras beroende på vilket effektsteg som används. Bränsleskruven får därmed in olika massflöde bränsle beroende på effektsteg. Förbränningsförloppet styrs av primär- och sekundärluftsfläkten vilka styrs av förinställda börvärden på undertrycket i pannan respektive syrehalten i rökgaserna.
Val av additiv och inblandningsmetod
4.3
Valet av kaolin som additiv baserades på den starka enhällighet som rådde i de forskningsrapporter som fanns tillgängliga. Även faktorer som pris och tillgänglighet låg till grund för valet. För att testa hur mängden kaolin påverkade stoftutsläppet så beslutades det att testa vid en hög och en lägre inblandningsgrad samt vid två olika panneffekter.
18
4.3.1 Kaolinskruv
För att blanda in kaolinet i pelletsströmmen användes en separat matningsutrustning med förråd och skruv byggd av personal på Umeå Energi. Skruvanordningen har tidigare använts för att dosera aktivt kol och svavelgranuler. Jämfört med skruvanordningens storlek var de önskade mängderna kaolin mycket små. Själva transportskruven byggdes därför specifikt för projektet med relativt tät lindning och liten vinghöjd, detta för att ge en jämnare och finare dosering av kaolin. För att driva skruven var en 0,75 kW enfasmotor av märke Carpanelli kopplad med 4 poler. Motorn kopplades till skruven via en snäckväxel med utväxling 1:40, dvs. 40 varv på motorn motsvarar 1 varv på skruven, snäckväxeln var av fabrikat Varvel. Figur 8 visar en bild över hur skruven har installerats. Den vitfärgade lådan på förrådets sida är varvtalsregleringen för skruven.
19
Vid matarskruvens utlopp kopplades en slang som sedan anslöts till pelletsströmmen i stupet innan pannans bränsleskruv, se Figur 9.
Figur 9. En figur över anslutningen mellan pelletsskruven och kaolindoseringen. [47]
Eftersom pannan styr primärluftsfläkten på undertrycket i förbränningsutrymmet så försågs förrådet på matningsutrustningen med en tätslutande gummilist för att stoppa onödigt inläckage av luft.
Mätningar
4.4
Mätningarna som utfördes var mätningar av totalstoft och stoftets storleksdistribution samt en gasanalys. Till detta användes en filterhållare för totalstoftmätningen, en Dekati Low Pressure Impactor för storleksfördelningen och ett FTIR-spektroskop för gasanalysen. Även lågtrycksimpaktorn användes för att göra en totalstoftsanalys.
4.4.1 Förberedelser
Mätningarna förbereddes genom att förbereda material till totalstoftfilterhållaren och impaktorn. Impaktorns substrat består av stansade aluminiumfoliebitar, dessa bitar tillverkas med en cirkulär stans. Substraten kontrollvägs sedan med en Mettler Toledo-våg med noggrannhet på 1 µg. Detta gjordes för att det ska vara möjligt att sedan bestämma mängden stoft som fastnat i substratet. Vikten på samtliga substrat noteras, substrat till 16 stycken impaktorer förbereddes.
20
Två mätuttag fanns på rökgaskanalen efter cyklonen, dessa satt på samma avstånd från cyklonen men monterade 90° förskjutna från varandra. Mätuttagen var placerade så att mätplanet uppfyllde kraven om att ha minst 5 hydrauliska diametrar rak kanal uppströms och minst 2 hydrauliska diametrar nedströms. Mätuttagen nåddes via en arbetsplattform som fanns monterad i pannans bakkant. Det undre uttaget användes för att ansluta sonden till FTIR-spektroskopet, detta eftersom gasanalysen skulle ske kontinuerligt under provtagningen och det undre uttaget var mest svåråtkomligt.
Det övre uttaget användes för att ansluta den sond som skulle kopplas till impaktorerna och totalstoftsmätningen. Figur 10 visar anslutningarna som beskrivits. På den övre sonden monterades också en värmepåse som hölls vid cirka 150°C med hjälp av två värmepistoler. I påsen förvärmdes
sedan impaktorerna och totalstoftmätarna för att undvika kondensering under
provtagningsförloppet.
21
4.4.2 Utförande
Experimenten utfördes på den anläggning i Hörnefors som innefattas i projektet. Tester gjordes vid hög och låg last samt vid hög och låg inblandning av kaolin. Referensprover utan kaolin utfördes också för att kunna jämföra utsläppen vid normal drift med utsläppen när additivet används. Turordningen för försöken redovisas i Tabell 4, låglastförsök utan kaolininblandning gjordes endast en gång på grund av tidsbrist.
Tabell 4. En försöksmatris som visar i vilka datum de olika testerna utfördes.
Kaolininblandning\Last Låg Hög
0 vikt-% 2015-04-08 2015-04-13
0.3 vikt-% 2015-04-09 2015-04-14
1.0 vikt-% 2015-04-10 2015-04-14
0 vikt-% - 2015-04-15
För låg respektive hög last användes driftstegen 1.2 och 3.1 vilka ska ge ungefär 30 respektive 80% last. Testerna utfördes på separata dagar för att pannan skulle få tid att stabilisera sig vid de nya driftsförhållandena. Vid tester med kaolinmatning startades matningen minst två timmar i förväg för att ge pannan tid att nå kontinuerlig drift med kaolintillsats. För att nå de relativt låga doseringarna av kaolin som behövdes i experimentet kunde inte matningsutrustningen alltid gå med fullt förråd. För alla inblandningar utom 1 vikt-% vid hög last fylldes därför förrådet på var 10:e minut med så mycket kaolin som skruven skulle mata ut under efterföljande 10 minuter. Tester visade att detta gav ett relativt konstant utflöde av kaolin, resultat från dessa tester är bifogade i bilaga 6. De önskade inblandningsmängderna beräknades genom att värmevärdet för pelletsen var känt och pannverkningsgraden antogs vara 80%. Pannan regleras efter önskad effekt på fjärrvärmenätet så med känd effekt och verkningsgrad var det möjligt att räkna ut massflödet bränsle och kaolin. Tabell 5 visar de önskade mängderna, kurvor som visar kalibreringen av matarskruven finns i bilaga 6.
Tabell 5. Tabellen visarden faktiska inblandningen av kaolin vid de olika driftsfallen.
Kaolininblandning\Last Låg Hög
0 vikt-% 0 0 g/min
0.3 vikt-% 6 g/min 15 g/min
1.0 vikt-% 18 g/min 50 g/min
22
4.4.3 Impaktorprovtagning
Rökgaserna sögs genom impaktorerna med en vakuumpump som höll ett konstant undertryck på 0,1 bar, detta gav ett flöde genom impaktorn på cirka 10 l/min. För varje driftsfall utfördes två impaktorprovtagningar, den första provtagningen var alltid 20 minuter och därefter öppnades impaktorn och substraten studerades. Den andra provtagningstiden valdes sedan beroende på hur mycket avsatt stoft som fanns i impaktorn. Vid hög avsättning halverades tiden till 10 minuter och om avsättningen var låg så ökades tiden till 30 minuter. Tiderna för impaktorprovtagningarna presenteras i Tabell 6.
Tabell 6. Provtagningstider för impaktorer vid olika driftfall.
Kaolininblandning\Last Körning Låg Hög 0 vikt-% 1 14:33 – 14:53 13:52 – 14:12 2 15:55 – 16:05 14:56 – 15:06 0.3 vikt-% 1 10:28 – 10:48 09:30 – 09:50 2 12:57 – 13:27 10:55 – 11:05 1.0 vikt-% 1 12:13 – 12:33 13:50 – 14:10 2 13:30 – 14:00 15:11 – 15:41 0 vikt-% 1 - 09:18 – 09:38 2 - 11:05 – 11:15
Efter provtagningarna vägdes varje substrat med samma våg som använts för att väga de tomma substraten. Vikten noterades och det var då möjligt att beräkna skillnaden i vikt och därmed producera en graf för stoftkoncentration som funktion av partikelstorlek. För att konstruera denna graf användes färdiga Excel-kalkylblad från tillverkaren av impaktorerna. Data från varje mätning vid de olika lasterna sammanfogades därefter i ett separat kalkylblad och standardavvikelse lades till, standardavvikelsen beräknades med funktionen STDAV.S i Microsoft Excel.
4.4.4 Totalstoftprovtagning
Totalstoftprovtagningen gjordes med svensk standard (SS-EN 13284-1) där rökgaser sögs genom en hållare där gasen passerade två filterpapper av märke Munktells. För detta användes en vakuumpump som ställdes in för att hålla ett gasflöde på cirka 20 l/min. Allt stoft i den utsugna rökgasen avskiljdes därmed, och det totala flödet genom filtren mättes samtidigt. För varje driftfall sögs rökgaser 20 eller 30 minuter, se Tabell 7, och filtren vägdes därefter på samma våg som använts för att väga de oanvända filtren. Skillnaden i vikt och den totalt utsugna rökgasmängden användes därefter för att beräkna rökgasernas stoftinnehåll.
Tabell 7. Provtagningstider för totalstoftprovtagningarna.
Kaolininblandning\Last Låg Hög
0 vikt-% 15:05 – 15:25 14:20 – 14:40
0.3 vikt-% 10:54 – 11:24 10:00 – 10.30
1.0 vikt-% 12:41 – 13:11 14:13 – 14:43
23
4.4.5 Gasanalys
Under impaktor- och totalstoftmätningarna kördes kontinuerligt en gasanalys med FTIR-spektroskop. Detta gjordes för att säkerställa att pannan gick med kontinuerlig drift under provtagningstiden. Gasanalysen visades dels i realtid på en skärm enligt Figur 11 och den exporterades även till ett kalkylblad för Microsoft Excel.
Figur 11. En figur som visar uppställningen av FTIR-spektroskopet. Rökgasen kommer in genom slangen längs till vänster. Den metallfärgade enheten pumpar och späder gasen och har också till uppgift att hålla slangarna vid 180°C. Rökgasen leds därefter vidare in i den gula enheten som är själva analysutrustningen. Gasanalysen loggas kontinuerligt av datorn
som syns i figuren.
Ekonomi
4.5
24
5 Resultat
Fullskaleeldningar med kaolintillsats - mätningar vid låg last
5.1
I Figur 12, Figur 13 och Figur 14 visas gasdatan från de olika provtagningsdagarna vid låg last, figurerna likar till stor del varandra vilket inte är förvånande då de visar gasinnehållet i rökgaserna vid liknande driftsfall. För att se de exakta provtagningstiderna kan figurerna jämföras med Tabell 6. Figurerna för gasdata användes främst för att bestämma om pannan gick vid konstant drift.
Figur 12. Gasdata vid låg last och ingen inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 14:30 och 16:05.
0 5 10 15 20 25 14 :0 8: 03 14 :1 4: 08 14 :2 0: 13 14 :2 6: 18 14 :3 2: 23 14 :3 8: 28 14 :4 4: 33 14 :5 0: 38 14 :5 6: 43 15 :0 2: 48 15 :0 8: 53 15 :1 4: 58 15 :2 1: 03 15 :2 7: 08 15 :3 3: 13 15 :3 9: 18 15 :4 5: 23 15 :5 1: 28 15 :5 7: 32 16 :0 3: 38 16 :0 9: 43 16 :1 5: 48 16 :2 1: 53 16 :2 7: 58 16 :3 4: 03 A n d e l [ vo l-%] Tid
Gasdata - låg last, 0 vikt-% Kaolin
Water vapor H2O
Carbon dioxide CO2
25
Figur 13. Gasdata vid låg last och 0.3 vikt-% inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 10:28 och 13:27. Den kraftiga spiken i syrehalt vid 09:20 berodde på ett ofrivilligt stopp i anläggningen.
Figur 14. Gasdata vid låg last och 1 vikt-% inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 12:13 och 14:00.
0 5 10 15 20 25 08 :1 8: 04 08 :3 0: 14 08 :4 2: 24 08 :5 4: 34 09 :0 6: 43 09 :1 8: 54 09 :3 1: 03 09 :4 3: 13 09 :55 :23 10 :07 :33 10 :1 9: 43 10 :3 1: 53 10 :4 4: 03 10 :5 6: 13 11 :0 8: 23 11 :2 0: 33 11 :3 2: 43 11 :4 4: 52 11 :5 7: 02 12 :0 9: 12 12 :2 1: 22 12 :3 3: 32 12 :4 5: 42 12 :5 7: 52 13 :1 0: 02 13 :2 2: 12 13 :3 4: 22 13 :4 6: 32 13 :5 8: 42 A n d e l [ vo l-%] Tid
Gasdata - låg last, 0,3 vikt-% Kaolin
Water vapor H2O Carbon dioxide CO2 Oxygen 0 5 10 15 20 25 10 :2 9: 01 10 :3 9: 09 10 :4 9: 18 10 :5 9: 26 11 :0 9: 34 11 :1 9: 42 11 :2 9: 50 11 :3 9: 58 11 :50 :06 12 :0 0: 14 12 :1 0: 22 12 :2 0: 30 12 :3 0: 38 12 :4 0: 46 12 :5 0: 54 13 :0 1: 02 13 :1 1: 10 13 :21 :18 13 :3 1: 27 13 :4 1: 35 13 :5 1: 43 14 :0 1: 51 14 :1 1: 59 14 :2 2: 07 14 :3 2: 15 A n d e l [ vo l-%] Tid
Gasdata - Låg last, 1 vikt-% Kaolin
Water vapor H2O
Carbon dioxide CO2
26
För impaktorprovtagningen vid låg last presenteras resultatet i Figur 15. Figuren är resultatet av sex provtagningar med olika längd, figuren är framtagen med hjälp av det kalkylblad som tillhandahölls av impaktortillverkaren Dekati.
27
Genom impaktorprovtagningen var det möjligt att även erhålla total stoftmängd i rökgaserna, även detta beräknades med kalkylbladet från Dekati och finns presenterat i Figur 16.
Figur 16. Totalstoftmängd för låg last och olika kaolininblandningar baserat på mätningarna med impaktor, staplarna i figuren anger standardavvikelse.
Resultatet från totalstoftprovtagningarna finns presenterat i Figur 17.
Figur 17. Totalstofthalten i rökgasen vid låg last och olika inblandningar kaolin baserat på mätningarna med totalstoftmätare. 0 10 20 30 40 50 60 Sto ftko n ce n tr ation [m g/ N m 3vi d 6% O2 ]
Totalstoft, låg last
0 vikt-% 0,3 vikt-% 1 vikt-%
0 20 40 60 80 100 120 140 Sto ftko n ce n tr ation [m g/ N m 3 vi d 6% O2 ]
Totalstoft, låg last
28
Fullskaleeldningar med kaolintillsats - mätningar vid hög last
5.1
I Figur 18, Figur 19, Figur 20 och Figur 21 visas gasdatan från de olika provtagningsdagarna vid låg last. För att se de exakta provtagningstiderna kan figurerna jämföras med Tabell 6.
Figur 18. Gasdata vid hög last och ingen inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 13:52 och 15:06.
Figur 19. Gasdata vid hög last och 0.3 vikt-% inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 09:30 och 11:05.
0 5 10 15 20 25 13 :2 3: 20 13 :2 9: 25 13 :3 5: 30 13 :4 1: 35 13 :4 7: 40 13 :5 3: 45 13 :59 :50 14 :0 5: 55 14 :1 2: 00 14 :1 8: 05 14 :2 4: 10 14 :3 0: 15 14 :3 6: 20 14 :4 2: 25 14 :4 8: 30 14 :5 4: 35 15 :0 0: 40 15 :06 :45 15 :1 2: 50 15 :1 8: 55 15 :2 5: 00 15 :3 1: 05 A n d e l [ vo l[ -%] Tid
Gasdata - Hög last, 0 vikt-% Kaolin
Water vapor H2O Carbon dioxide CO2 Oxygen 0 5 10 15 20 25 08 :4 9: 30 08 :5 7: 36 09 :0 5: 43 09 :1 3: 49 09 :2 1: 56 09 :3 0: 03 09 :3 8: 09 09 :4 6: 15 09 :5 4: 22 10 :0 2: 28 10 :1 0: 35 10 :1 8: 41 10 :2 6: 48 10 :3 4: 54 10 :4 3: 02 10 :5 1: 08 10 :5 9: 15 11 :0 7: 22 11 :1 5: 28 11 :2 3: 35 11 :3 1: 41 11 :3 9: 48 11 :4 7: 55 11 :5 6: 01 A n d e l [ vo l-%] Tid
Gasdata - Hög last, 0,3 vikt-% Kaolin
29
Figur 20. Gasdata vid hög last och 1 vikt-% inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 13:50 och 15:41.
Figur 21. Gasdata vid hög last och ingen inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 09:18 och 11:15. Noterbart är att gasdatan vid hög last skiljer sig från den vid låg last. När pannan går vid högre last är koldioxidhalten i rökgaserna högre än syrehalten, vid låg last gäller det motsatta förhållandet.
0 5 10 15 20 25 12 :0 1: 05 12 :1 1: 13 12 :2 1: 22 12 :3 1: 30 12 :4 1: 38 12 :5 1: 46 13 :01 :54 13 :1 2: 02 13 :2 2: 10 13 :3 2: 18 13 :4 2: 27 13 :5 2: 35 14 :0 2: 43 14 :1 2: 51 14 :2 2: 59 14 :3 3: 08 14 :4 3: 16 14 :53 :24 15 :0 3: 32 15 :1 3: 40 15 :2 3: 49 15 :3 3: 57 15 :4 4: 05 15 :5 4: 13 16 :0 4: 21 16 :1 4: 30 A n d e l [ vo l-%] Tid
Gasdata - Hög last 1 vikt-% Kaolin
Water vapor H2O Carbon dioxide CO2 Oxygen 0 5 10 15 20 25 08 :1 4: 07 08 :22 :13 08 :3 0: 20 08 :3 8: 27 08 :4 6: 33 08 :5 4: 40 09 :0 2: 46 09 :1 0: 53 09 :1 9: 00 09 :2 7: 06 09 :3 5: 13 09 :4 3: 19 09 :5 1: 26 09 :5 9: 32 10 :0 7: 39 10 :15 :45 10 :2 3: 52 10 :3 1: 59 10 :4 0: 05 10 :4 8: 12 10 :5 6: 18 11 :0 4: 24 11 :1 2: 31 11 :2 0: 37 11 :2 8: 44 11 :3 6: 50 11 :44 :57 A n d e l [ vo l-%] Tid
Gasdata - Hög last, 0 vikt-% Kaolin
30
För impaktorprovtagningen vid hög last presenteras resultatet i Figur 22. Figuren är resultatet av åtta provtagningar med olika längd, figuren är framtagen med hjälp av det kalkylblad som tillhandahölls av impaktortillverkaren Dekati.
31
Resultat för totalstoft från impaktorprovtagningen beräknades med databladet från Dekati och finns presenterat i Figur 23.
Figur 23. Totalstoftmängd för hög last och olika kaolininblandningar baserat på mätningarna med impaktor, staplarna i figuren anger standardavvikelse.
Figur 24. Totalstofthalten i rökgasen vid hög last och olika inblandningar kaolin baserat på mätningarna med totalstoftmätare. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Sto ftko n ce n tr ation [m g/ N m 3vi d 6% O2 ]
Totalstoft, hög last
0 vikt-% (1) 0,3 vikt-% 1 vikt-% 0 vikt-% (2)
0 10 20 30 40 50 60 70 Sto ftko n ce n tr ation [m g/ N m 3vi d 6% O2 ]
Totalstoft, hög last
32
Ekonomiska beräkningar
5.2
För att räkna på andra alternativ togs offerter in från leverantörer, en sammanställning av dessa offerter finns i Tabell 8. Offerterna som tabellen bygger på finns bifogade i bilagorna 3-5, för lågstoftpannan från LAKA Oy erhölls endast en offert för en 3 MW-panna så det är denna som är bifogad i bilaga 3. Priset i Tabell 8 är en uppgift för en 1.5 MW-panna som är tagen direkt från LAKA:s svenska återförsäljare, dock ingår då samma utrustning som beskrivs i bilaga 3. Kaolinkostnader är beräknade på 2013 års drifttid, 0,5 vikt-% kaolininblandning och pris från Thiele Nordic.
Tabell 8. Sammanställning av offerter från olika tillverkare.
Applikation Inköpskostnad
[SEK]
Leverantör Löpande kostnad
Lågstoftpanna 5 768 568 LAKA Oy -
Elfilter 632 268 BETH Filter GmbH -
Spärrfilter 495 000 Pilum AB Filterbyte: 50 000 kr var 4:e år
Kaolintillsats 55 000 Peal AB Kaolin: 12 000 kr/år (3000 kr/ton)
Att investera i en ny lågstoftpanna kan inte jämföras med de andra alternativen eftersom det är en helt ny anläggning medan de andra alternativen är påbyggnader på den befintliga anläggningen. En ny lågstoftpanna bör alltså snarare ses som ett helt enskilt alternativ. I Figur 25 visas nuvärdet som funktion av avskrivningstiden för elfilter spärrfilter och kaolintillsats. För nuvärdesberäkningarna har det bortsetts från driftskostnader.
Figur 25. Ackumulerat nuvärde för olika stoftreningsmetoder baserat på en kalkylränta på 8%.
0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 SE K år
