Fossilfri papperstillverkning: En analys av tekniska och praktiska möjligheter att ersätta eldningsolja och gasol med förnyelsebara bränslen

Fossilfri papperstillverkning

En analys av tekniska och praktiska möjligheter att ersätta eldningsolja och gasol med förnyelsebara bränslen

Fossil free paper production

An analysis of technical and practical possibilities to replace fuel-oil and LPG with renewable fuels

Kristin Eriksson

Fakulteten för Hälsa, Natur- och Teknikvetenskap Civilingenjör Energi- och Miljöteknik

Examensarbete 30 hp Christer Gustavsson Roger Renström 18-10-18

Sammanfattning

Pappers- och massaindustrin är den sektorn som använder mest energi. Av den totala energianvändningen står fossila bränslen för 7 %. Sveriges vision är att år 2050 inte ha några nettoutsläpp av växthusgaser. Detta gör att industrier måste börja ta sitt ansvar för att minska utsläppen.

Syftet med det här examensarbetet är att utreda möjligheterna att driva Billingsfors pappers och massabruk utan fossila bränslen. Målet är uppdelat i följande fem punkter:

1. Bränslekarakteristik och prestanda 2. Teknisk utvärdering

3. Praktiskt utvärdering 4. Systemuppbyggnad 5. Ekonomisk utvärdering

Olika fasta, flytande och gasformiga förnyelsebara alternativ har undersökts.

Erhållen data från Billingsfors Bruk har använts vid beräkningar för att svara på hur både de fossila och förnyelsebara bränslenas karakteristik och prestanda. Bränslena har sedan utvärderats både tekniskt och praktiskt med hjälp av de beräknade resultaten, litteratur samt avstämning med hemsidor och leverantörer. Genom att sammanväga prestanda, den tekniska och praktiska utvärderingen har en systemuppbyggnad tagits fram som sedan har utvärderats ekonomiskt.

Studien visar att det är fullt möjligt att ersätta de fossila bränslena både tekniskt och praktiskt till förnyelsebara bränslen. De fossila bränslenas prestanda är högre än de förnyelsebara bränslena vilket medför att en betydligt större mängd bränslen behövs för att ersätta de fossila bränslena.

Den bästa lösningen för Billingsfors Bruk är att konvertera mesaugnen och gaspannan till träpulver och byta ut eldningsolja mot tallolja i fastbränslepannan och sodapannan. För pappersmaskinerna finns ingen ekonomisk lönsamhet att konvertera till biogas då en väldigt liten del kan produceras internt samt att den är för dyr att köpa externt. Produktgas är därför mer lämpad då den kan produceras internt och inte är lika kostsam. Det är dock inte helt problemfritt och det finns heller ingen ekonomisk lönsamhet i dagsläget.

Abstract

The pulp and paper industry using most energy today in their processes. Fossil fuels stands for 7 % of the total energy use. Sweden has a vision to not have any net greenhouse gas emissions to 2050. To achieve the vision, industries must start to begin to take their responsibility to reduce emissions.

The purpose of this master thesis is to investigate the possibilities to power Billingsfors paper and pulp mill without fossil fuels. The goal is divided into the following five points:

1. Fuel characteristics and performance 2. Technical evaluation

3. Practical evaluation 4. System Structure 5. Economic evaluation

Different solid, liquid and gaseous renewable alternatives have been investigated.

Data obtained from Billingsfors Bruk has been used to calculate both the characteristics and performance of the fossil and renewable fuels. The fuels have been evaluated both technically and practically using the calculated results, literature, websites and suppliers. By comparing characteristics, performance, the technical and practical evaluation, a system structure has been developed which has later been evaluated economically.

The study shows that it is possible to replace fossil fuels both technically and practically with renewable fuels. The performance of fossil fuels is higher than renewable fuels, which means that a significantly higher amount of fuel is needed to replace fossil fuels.

The best solution for Billingsfors Mill is to convert the lime kiln and the gas boiler to wood powder and replace the fuel-oil with tall oil in the solid fuel boiler and recovery boiler. For the paper machines, there is no economic profitability to convert to biogas since a very small amount can be produced internally and it´s too expensive to buy externally. Product gas is therefore more suitable since it can be produced internally and not as costly. However, it is not completely trouble-free and there is also no economic profitability today.

Förord

I denna rapport redovisas ett examensarbete utfört åt Ahlstrom-Munksjö Paper AB i Billingsfors. Examensarbetet avslutar civilingenjörsprogrammet i energi och miljöteknik på Karlstads universitet. Först och främst vill jag tacka Ahlstrom- Munksjö som lät mig genomföra ett examensarbete på deras pappers- och massabruk. Även ett stort tack till alla anställda som ställt upp och tagit tid till att besvara frågor.

Detta examensarbete har redovisats muntligt för en i ämnet insatt publik. Arbetet har därefter diskuterats vid ett särskilt seminarium. Författaren av detta arbete har vid seminariet deltagit aktivt som opponent till ett annat examensarbete.

Juni 2018 Kristin Eriksson

Tabell 1. Nomenklatur.

Beteckning Förklaring Enhet

Cpg Specifik värmekapacitet för rökgas kJ/kg*°C Cpl Specifik värmekapacitet för luft kJ/kg*°C

gt Teoretisk rökgasmängd Nm³/MWh

gv Verklig rökgasmängd Nm³/MWh

Hi Värmevärde MWh/kg

LPG Liquefied Petroleum Gas -

lt Teoretisk luftmängd Nm³/MWh

lv Verklig luftmängd Nm³/MWh

lö Luftöverskott -

PM2 Pappersmaskin 2 -

PM5 Pappersmaskin 5 -

PM6 Pappersmaskin 6 -

tg Adiabatisk flamtemperatur °C

tl Luftens temperatur °C

T&B Tryck och bestrykning -

TS Torrsubstanshalt -

VS Förbränningsbar substans -

WI Wobbeindex MWh/Nm³

CH4 Metan -

CO Kolmonoxid -

CO2 Koldioxid -

H2 Vätgas -

H2S Vätesulfid -

N2 Kvävgas -

O2 Syrgas -

Innehållsförteckning

1. Introduktion ...1

1.1 Inledning ... 1

1.2 Bakgrund ... 2

1.3 Syfte och Mål ... 2

2. Teori ...3

2.1.1 Torkmetoder i pappersmaskiner ... 3

2.1.2 Ugn och pannor ... 4

2.2 Förbränning ... 6

2.3 Värmeöverföring ... 8

2.4 Bränslen ... 9

2.4.1 Gaser ... 9

2.4.2 Fasta och flytande bränslen ... 11

2.5 Bränsleproduktion ... 12

2.5.1 Biogasproduktion ... 12

2.5.2 Termisk förgasning ... 12

2.6 Miljöpåverkan ... 15

3. Ahlstrom-Munksjö Paper AB ... 16

3.1 Pappers- och massatillverkning ... 16

3.2 Bränslekartläggning ... 17

4. Metod ... 22

4.1 Litteraturstudie ... 22

4.2 Utförande och analys ... 22

5. Resultat ... 25

5.1 Bränslekarakteristik och prestanda ... 25

5.1.1 Gaser ... 25

5.1.2 Flytande och fasta bränslen ... 27

5.2 Teknisk utvärdering ... 30

5.2.1 Torkkåpor ... 30

5.2.2 IR-tork ... 30

5.2.3 Uppstart- och lastbrännare ... 31

5.2.4 Fordonsdrift ... 31

5.2.5 Pannor... 31

5.2.6 Mesaugn ... 32

5.3 Praktisk utvärdering ... 33

5.3.1 Tillgång på förnyelsebara bränslen ... 33

5.3.2 Lagring ... 35

5.4 Systemuppbyggnad ... 36

5.4.1 Ersättning av gasol ... 36

5.4.2 Ersättning av olja ... 37

5.4.3 Lösning ... 37

5.5 Ekonomi... 38

6. Diskussion ... 40

6.1 Bränslekarakteristik och prestanda ... 40

6.2 Teknisk utvärdering ... 40

6.3 Praktiskt utvärdering ... 41

6.4 Systemuppbyggnad ... 42

6.5 Ekonomisk utvärdering ... 42

7. Slutsats ... 43

8. Referenser ... 44 9. Bilagor ... i

1. Introduktion 1.1 Inledning

Pappers- och massaindustrin är den sektor i Sverige som i dagsläget använder mest energi. Största delen av energianvändningen täcks upp av biobränslen medan 7 % av den totala energianvändningen i industrisektorn kommer från fossila bränslen (Energimyndigheten 2015). Regeringen har en vision om att Sverige år 2050 ska ha en hållbar och resurseffektiv energiförsörjning utan nettoutsläpp av växthusgaser. En stor utmaning för att nå visionen är att minska utsläppen av växthusgaser från industrin. Den svenska pappers- och massaindustri är idag världsledande gällande minskning av klimatutsläpp. För att fortsätta vara världsledande inom detta område krävs effektivare energianvändning och minskade utsläpp vilket gör att samtliga industrier måste ta sitt ansvar (Energimyndigheten 2014).

Vid förbränning av fossila bränslen bildas rökgaser innehållande koldioxid som i sin tur förstärker växthuseffekten och påverkar luftkvaliteten negativt (Thunell 1998).

De fossila bränslen som är dominerande inom industrin är olja och gasol. Oljan används i huvudsak till pannor och mesaugn för att alstra värme medan huvuddelen av gasolen används i torkprocessen för att torka papper. Anledningen till att många industrier fortfarande använder sig av fossilbaserade bränslen i sina processer är för att det är säkert, uppnår höga processtemperaturer vid förbränning och är lätthanterligt (Energimyndigheten 2015).

För att begränsa utsläppen måste koldioxidneutrala alternativ som t.ex. olika typer av biomassa ersätta de fossila bränslena. Förbränning av biomassa släpper ut koldioxid till atmosfären precis som de fossila bränslen gör men skillnaden är att koldioxiden binds in när ny biomassa bildas genom fotosyntesen vilket medför att nettoutsläppen av koldioxid är noll (Ranhagen et al 2004). Det finns en rad olika biobränslen både i fast-, flytande och i gasform. Det som är gemensamt för de flesta biobränslen är att de är producerade av restprodukter från industrin. Pellets och träpulver tillverkas av sågspån, biogas kan produceras genom att röta slam från reningen och tallolja utvinns från harts och terpener som erhålls som restprodukt från massaindustrin (Björn et al. 2015) (Ikonen 2012) (Lehtikangas 1999).

De befintliga systemen som finns i dagens industrier har olika förutsättningar för att klara av en konvertering till fossilfria bränslen. Innan beslut tas för att konvertera måste det säkerställas att de förnyelsebara alternativen uppfyller de krav som finns vid förbränning och användning av pannor och ugnar. Den viktigaste frågan som behöver besvaras är om samma produktion kan uppnås utan att kvalitéten på produkten försämras. En utredning av systemen måste därmed göras för att klargöra teknisk möjlighet, tillgänglighet och lönsamhet av en konvertering till biobränslen.

Möjligheten för egenproduktion av biobränslen från industrins egna restprodukter undersöks också då det potentiellt skulle kunna öka lönsamheten för en konvertering från fossila till biobaserade bränslen.

1.2 Bakgrund

Ahlstrom-Munksjö Paper AB Billingsfors tillverkar oblekt sulfatmassa och specialpapper. Energibehovet i tillverkningsprocessen tillgodoses idag till största delen av biobaserade bränslen. Utöver de biobaserade bränslena så används fortfarande en mindre del fossil olja och gasol, ca 70 GWh årligen. Oljan som köps in används som bränsle till mesaugnen, gaspannan, fastbränslepannan och sodapannan. Alla pannorna drivs i huvudsak av biobaserade bränslen som producerats internt i bruket så som tallolja och sediment m.m. Produktionen av de biobaserade bränslena räcker inte till att driva pannorna och mesaugnen fullständigt därav måste ytterligare bränsle köpas till externt. I dagsläget används oljan enbart för att täcka upp resterande behov. Huvuddelen av gasolen som köps in används för att torka pappret där rökgaserna från gasolen blåses mot det våta arket. Bruket består av tre olika pappersmaskiner och samtliga maskiner är beroende av gasol, PM2, PM5 och PM6. En liten mängd av den inköpta gasolen går även till tryckpressarna och bestrykningsmaskinen.

1.3 Syfte och Mål

Syftet med examensarbetet är att utreda möjligheterna att driva Billingsfors pappers och massabruk utan fossila bränslen.

För att uppfylla syftet med arbetet har följande delmål besvarats:

1. Bränslekarakteristik och prestanda

Vad är skillnaden mellan de fossilfria bränslena och de kommersiella fossila bränslena, olja och gasol? Hur mycket krävs det för att ersätta respektive bränsle?

2. Teknisk utvärdering

Hur påverkas de olika bränslesystemen vid konvertering till fossilfria bränslen?

3. Praktisk utvärdering

Hur mycket finns det att tillgå av de fossilfria bränslena och kan de produceras internt eller måste de köpas externt? Hur ser lagringsmöjligheterna ut på bruket för de fossilfria bränslena?

4. Systemuppbyggnad

Vilket fossilfritt bränsle är mest lämpligt att ersätta oljan och gasolen med?

Vad är den bästa lösningen för Billingsfors Bruk?

5. Ekonomisk utvärdering

Vad är skillnaden i bränslekostnad för dagens bruk med fossila bränslen och ett bruk med enbart fossilfria bränslen?

2. Teori

I det här kapitlet presenteras olika torkmetoder, pannor och mesaugn mer ingående.

Därefter beskrivs vad som sker vid förbränning och värmeöverföring. Även olika typer av fossila och fossilfria bränslen beskrivs samt hur de kan produceras internt.

Slutligen presenteras hur förbränning av både fossila och fossilfria bränslen påverkar miljön.

2.1.1 Torkmetoder i pappersmaskiner Yankeecylinder

Yankeecylinderns uppgift är att transportera pappret under torkprocessen och leverera energi till torkningen, se Figur 1. Efter pressning uppnås en torrhalt på 35–

40 %. Cylindern värms inifrån med kondenserande ånga och energin överförs genom ledning. Utanför cylindern sitter två kåpor som blåser en varm rökgasström, omkring 250–500 °C med hastighet mellan 75–150 m/s mot den yttre pappersytan.

Rökgasströmmen kommer från två brännare där gasol förbränns. Vattnet i pappret avdunstas och förs bort med kåpans returluft. Cirka 40 % av energin kommer från yankeecylindern resterande från yankeekåpan (Stenström 2002). Värmeöverföring för yankeecylindern sker främst genom påtvingad konvektion dvs. att gasströmmen tvingas på ytan för att värma pappersbanan och avdunsta vattnet. Den påtvingade konvektionen uppstår genom en fläkt (Lindqvist 2010). Värmeöverföring beskrivs mer ingående i kapitel 2.3.

Figur 1. Yankee cylinder med tillhörande kåpa (Billingsfors u.å.).

IR-tork

Gaseldade IR-torkar använder gasol som bränsle. Brännaren är designad med en keramisk platta där gasen flödar genom håligheter och antänds på en öppen yta (Nordenö & Gustavsson 2017). Värmeöverföring för IR-torken sker genom strålning som befinner sig i det infraröda området mellan våglängderna 0,75 till 1000 µm. Den överförda värmemängden ökas kraftigt genom att utnyttja strålning istället för konvektion vilket gör att IR-torken är mer kompakt (Persson 1992).

2.1.2 Ugn och pannor

Nedan beskrivs gaspanna, fastbränslepanna, sodapanna och mesaugn mer ingående.

Förbränningsprocesserna förtydligas med schematiska bilder.

Gaspanna

I en gaspanna förbränns giftiga gaser exempelvis stark-, indunstning- och/eller strippergas i kombination med eldningsolja, se Figur 2. Gaserna innehåller svaveldioxid, kvävedioxid och mindre svavelföreningar. Den frigjorda energin i rökgaserna används för produktion av ånga. Ångan går sedan vidare ut trycksångnät för att användas i andra delar av industrin.

Fastbränslepanna

En oljepanna med en barkugn av typen roster visas i Figur 3 och benämns med samlingsnamnet fastbränslepanna. I pannan eldas biomassa exempelvis bark, bränsleflis, pappersspill och restprodukter från produktion. Utöver biomassan kan även eldningsolja förbrännas. Biomassan förs in till vänster i pannans nedre del och glider ner längs den lutande rosten och torkar, förgasas och förbränns med hjälp av luften som kommer in underifrån. Askutmatningen sker automatiskt vid slutet av rosten. Vid förbränning bildas rökgaser och innan dem lämnar pannan går dem genom ett parti där värmeöverföring sker i form av konvektion (Alvarez 2006).

Figur 2. Gaspanna med in- och utflöde.

Figur 3. Fastbränslepanna med in- och utflöde.

Sodapanna

Sodapannan har tre viktiga funktioner, producera värme för ångproduktionen, se Figur 4, återvinna kokkemikalier och förstöra miljöskadliga ämnen. Tjockluten är sodapannans primära bränslen och den värms till cirka 130 °C i en lutförvärmare innan den sprutas in i pannan. Luten fördelas jämt över ugnens botten och bildar en bädd. Luten torkas till små droppar, sväller och förbränns på vägen ner. För att uppnå god förbränning i pannan tillsätts luft på olika nivåer i pannans nedre del.

Sodapannan är försedd med en överhettare, konvektionstubsater och en ekonomiser efter pannan. Ståltuber är placerade på pannans väggar, botten och tak. Tuberna är fyllda med matarvatten som kokas av värmen. Vid förbränning bildas rökgaser av de organiska kemikalierna och de oorganiska kemikalierna brinner i pannans botten och bildar en smälta med en temperatur på ca 1000 °C. Smältan leds vidare med hjälp av löprännor till en lösartank. I lösartanken bildas grönlut genom att svaglut tillsätts.

Den frigjorda energin tas tillvara genom att producera högtrycksånga som sedan går vidare till en turbin (Österlund 2014).

Mesaugn

En mesaugn är en liggande roterugn där en elmotor varvtalsstyr ugnen så den roterar, Figur 5. Temperaturen på insidan i brännzonen är cirka 900 °C och cirka 250 °C i torkzonen. Mesan tillförs i den högre liggande ändan (vänster i bilden) och faller sedan nedåt till den lägre delen av ugnen och matas ut via en kylare. Olja tillsätts vid flamman (höger i bilden). I bortersta delen av ugnen där temperaturen är som lägst torkas mesan. Temperaturen vid oljebrännaren måste överstiga 800 °C för att mesan ska sönderfalla till kalciumoxid. Den brända kalken lämnar sedan ugnen via en kylare och värmeväxlas mot den inkommande luften för att förvärma luften och kyla kalken. Ugnarna är tegelklädda på insidan och ofta försedda med hängande kedjor för att förbättra värmeöverföringen från rökgas till kalk (Adams u.å.).

Figur 4. Sodapannas olika zoner där de blåa pilarna symboliserar luft in i förbränningskammaren.

Mesa består av kalciumkarbonat och bildas vid ombränning s.k. kausticering av grönlut. Kalcinering sker i mesaugnen genom torkning och upphettning där kalciumkarbonatet omvandlas till bränd kalk, se Figur 6. Grönluten omvandlas till vitlut med hjälp av kalciumhydroxid och sedan avskilj vitluten från kalciumkarbonaten. Vitluten tvättas, avvattnas och återförs tillbaka till mesaombränningen medan kalciumkarbonaten förbränns och bildar kalciumoxid och koldioxid. Kalciumoxiden reagerar sedan med vatten och bildar kalciumhydroxid (Lundqvist 2009).

Figur 6. Kausticering och kalkombränning.

2.2 Förbränning

Vid förbränning av ett trädbränsle reagerar bränslets kol-, väte- och syremolekyler med luftens syre och bildar koldioxid och vatten, se (2.1). Energin som varit bunden i biomassan frigörs som värme.

𝐶_"𝐻_$%𝑂_'+ 6 𝑂₊ → 6 𝐶𝑂₊+ 5 𝐻₊𝑂 (2.1)

Oberoende av eldningsteknik sker fyra olika processer i förbränningskammaren.

Processerna är torkning, pyrolys, förbränning och förbränning av kol. Första

Figur 5. Mesaugn med in- och utflöden.

processen är torkning då biomassa alltid innehåller en mängd vatten. När biomassan matas in i förbränningskammaren kommer energi konsumeras vilket gör att vattnet förångas. Ångan som bildas ingår sedan i andra reaktioner (Lehtikangas 1999).

Nästa process är pyrolys där organiskt material upphettas i en syrefattig miljö.

Molekylerna sönderfaller och bildar nya ämnen på grund av den höga temperaturen.

Flytande och fuktiga ämnen lämnar bränslet och kvar blir en rest i fast form, s.k.

char. Pyrolysen sker mellan 150 °C till 500 °C och processen är till en början långsam men ökar med ökande temperatur (Lehtikangas 1999).

Tredje processen som sker är förbränning. Förbränningen börjar vid 500 °C och involverar kemiska reaktioner där bränslet oxideras av syre som finns i luften. Vissa föreningar kräver en förbränningstemperatur upp emot 1100 °C för att förbrännas (Lehtikangas 1999). I förbränningsanläggningar tillsätts syre via luften för att uppnå fullständig förbränning så de brännbara substanserna oxideras fullt ut till en stabil förening. För kol är det koldioxid, se (2.2) och för väte är det vatten, se (2.3).

𝐶 + 𝑂₊ → 𝐶𝑂₊ (2.2)

2𝐻₊+ 𝑂₊ → 2𝐻₊𝑂 (2.3)

Sista steget är förbränning av fast kol. Fast kol är det som återstår efter förbränning av de flyktiga substanserna. Vid temperaturen 800–900 °C brinner eller glöder det fasta kolet långsamt. Kolet omvandlas till koloxid då förbränningen inte är fullständig. Koloxid kräver höga temperaturer och luftöverskott för att brinna (Lehtikangas 1999). En fullständig förbränning för ett godtyckligt bränsle bestående av C, H och O visas i (2.4). K, L och M är antal atomer för bränslet.

𝐶_/𝐻₀𝑂₁+ 2𝐾 +⁰

4−¹

+6 𝑂₊ → 𝐾𝐶𝑂₊ +⁰

+𝐻₊𝑂 (2.4)

Höga temperaturer i förbränningskammaren ger höga reaktionshastigheter.

Uppehållstiden kan inte vara allt för kort för att reaktionen ska hinna ske. För att bränslet ska oxidera fullt ut krävs rätt kemiska förutsättningar. Bränslet måste ha tillräckligt med tid och energi samt omrörning i förbränningskammaren. Kvar efter förbränning finns aska och energin som tagits från bränslet återfinns i rökgaserna som används vidare (Fredriksson 2015). Se delkapitel 2.6 för mer ingående om askegenskaper.

Luftöverskott

Lutftöverskottet måste vara tillräckligt högt så att tillfört syre räcker till att omvandla bränslet till koldioxid och vatten. Den minsta luftmängden som krävs för att uppnå fullständig förbränning kallas för stökiometrisk luftmängd. Då erfordras en extremt god blandning av bränslet vilket är nästintill omöjligt att åstadkomma. Därför sätts alltid i praktiken luftöverskott för att med säkerhet uppnå fullständig förbränning.

Lutftöverskottet beror på förbränningskammarens uppbyggnad samt vilket typ av bränsle som förbränns. Ur verkningsgradssynpunkt vill man minimera lutftöverskottet för att luften som tillsätts extra kräver energi för att värmas upp som sedan går förlorad (Novator 1996a). Lutftöverskottet bör vara lågt vid förbränning

av gasformiga ämnen, måttlig vid oljeeldning och vid eldning av fasta material krävs ett högre luftöverskott (Alvarez 2006).

Temperaturreglering med hjälp av rökgasåterföring

Rökgaser som återförs till förbränningskammaren hjälper till att reglera temperaturen i kammaren. Blir temperaturen för hög ökas rökgasåterföringen och riskerar temperaturen att bli för låg minskas den. Genom att värmeväxla rökgaserna kan värmen och energin tas tillvara, värmen förs tillbaka till ugnen och förvärmer förbränningsluften (Fredriksson 2015).

2.3 Värmeöverföring

Värmeöverföring är transport av värmeenergi som kan ske genom konduktion (ledning), konvektion och strålning. Konduktion är när värme förflyttar sig genom att ledas i ett material utan masstransport. Värmeledning sker i fasta, flytande eller gasformiga bränslen. Partiklar med högre temperatur och högre rörelseenergi överförs till partiklar med lägre temperatur och mindre rörelseenergi för att jämna ut temperaturen (Cengel & Ghajar 2015).

Konvektion

Konvektion uppstår mellan väggar och en flytande vätska eller gas i rörelse.

Värmeöverföring genom konvektion ökar genom ökad flödeshastighet. Det finns naturlig konvektion och påtvingad konvektion. Naturlig konvektion är när vätskan eller gasen strömmar av sig själv. Drivkraften i den naturliga konvektionen är densitetskillnader, till exempel att varm luft stiger uppåt. Påtvingad konvektion är när strömningshastigheten påverkas av en fläkt, pump eller vind. Beräkning av konvektion görs genom ekvation (2.5) där h, (W/m²*°C), är värmeöverförningskoefficienten, A är ytan där konvektionen sker, Ts är temperaturen på rökgasen och T¥ är temperaturen på förbränningskammarens väggar. Värmeöverföringskoefficienten, h, är en parameter som bestäms experimentellt och beror på ett antal variabler som påverkar konvektionen.

Variablerna är ytans geometri, fluidens rörelse samt dess egenskaper (Cengel &

Ghajar 2015).

𝑄89:;<8=>9: = ℎ𝐴_B(𝑇_B− 𝑇_E) (W) (2.5)

Strålning

Strålningsvärme överförs mellan fasta ytor men även från gaser med tre atomer, CO2

och H2O. Värmestrålning avges från allt material som har en högre temperatur än absoluta nollpunkten (Cengel & Ghajar 2015). Den överförda effekten beror på avståndet, temperaturskillnader och emissionsfaktorn, se ekvation (2.6).

Emissionstalet beror på material, ytjämnhet, yttemperatur och strålningens våglängd och riktning. Förbränningskammaren anses vara en strålningskropp och dess väggar utbyter strålningsvärme med bränslepartiklarna (Pettersson 2008).

𝑄B=GåI:>:J = 𝜀𝜎𝐴_B(𝑇_B⁴− 𝑇_E⁴) (W) (2.6)

2.4 Bränslen

I följande delavsnitt beskrivs olika typer av fossila och fossilfria bränslen som finns tillgängliga på marknaden idag.

2.4.1 Gaser Gasol

Gasol, består av cirka 95 % propan, C3H8, och resten butan, C4H10. Den är en naturlig biprodukt som utvinns från naturgas och råolja. Gasol är ett av de renaste fossila bränslena då utsläpp av andra ämnen så som svavel, kväve och tungmetaller är lågt. Gasolen förvars i slutna behållare där den är både i vätskeform och gasform.

Trycket i gasbehållaren varierar med omgivningstemperaturen. Gasol i gasform finns ovanför vätskeytan och när den används övergår den flytande gasolen till gasform. Gasol är en ren och lätthanterlig gas vilket gör den till en viktig del inom industrin (Energigas 2017a). Vid fullständig förbränning av gasol bildas koldioxid och vatten, se (2.7) för balanserad reaktionsformel för propan.

𝐶_M𝐻_N + 5𝑂₊ → 3𝐶𝑂₊+ 4𝐻₊𝑂 (2.7)

Biogas

Biogas består till största delen av metan, CH4 cirka 60 % samt cirka 40 % koldioxid, vatten och andra föreningar. Gasen är ett förnyelsebart bränsle som framställs av biomassa. Det vanligaste sättet att framställa biogas är genom rötning. Avfall och organiskt material bryts ner av mikroorganismer i anaeroba miljöer. Processen appliceras på slam från reningsverk, gödsel, matavfall osv. För att gasen ska kunna användas som bränsle höjs energiinnehållet genom att rena gasen från koldioxid.

Efter rening består biogasen av cirka 97% metan (Energigas 2017b). Ekvation (2.8) beskriver massbalansen när metan förbränns med syre:

𝐶𝐻₄+ 2𝑂₊→ 𝐶𝑂₊+ 2𝐻₊𝑂 (2.8)

Den specifika värmekapaciteten baserat på biogasens sammansättning ökar med ökande temperatur, se Figur 7.

Figur 7. Den specifika värmekapaciteten för biogas.

Produktgas

Produktgas från termisk förgasning består till största delen av CO och H2 men även en mindre del CH4 och CO2. Produktgasen kan även innehålla N2 beroende på hur den framställs. Det är önskvärt att produktgasen är fri från kväve då den späder ut gasen vilket medför ett lägre värmevärde (Held 2011). Den kan framställs på flera sätt t.ex. från naturgasen genom katalytisk reformering (innehåller endast CO och H2) och genom olika typer av förgasning t.ex. med- och motströmsförgasare, suspensionsförgasare och fastbränsleförgasare (Nilsson et al. 2016). Vid förbränning av ideal produktgas (syntesgas) reagerar kolmonoxid och vätgas med syre och bildar koldioxid och vatten, se ekvation (2.9).

𝐶𝑂 + 𝐻₊ + 𝑂₊ → 𝐶𝑂₊+ 𝐻₊𝑂 (2.9)

I Tabell 2 presenteras två olika kvalitéter på produktgas. Produktgas Hög innehåller ingen kvävgas och betydligt mer vätgas än produktgas Låg. Olika typer av förgasningstekniker för att producera produktgas presenteras i delkapitel 2.5.2.

Tabell 2. Sammansättning för produktgas Låg och produktgas Hög.

Gas Produktgas Låg [vol-%] Produktgas Hög [vol-%]

H2 17 54

CO 22 34

CH4 2 3

CO2 11 9

N2 48 0

Den specifika värmekapaciteten för två kvalitéter på produktgas visas i Figur 8, där Cp ökar med ökande temperatur.

Figur 8. Den specifika värmekapaciteten för produktgas Låg (blå linje) och produktgas Hög (röd linje).

2.4.2 Fasta och flytande bränslen Eldningsolja

Eldningsolja kommer ursprungligen från raffinerad råolja. Genom att fraktionera oljan vid olika temperaturer vid destillering samt modifiering i efterföljande processteg kan olika produkter skapas (Energikunskap 2010). Råoljan består av kolväteföreningar som har olika kokpunkter, fler atomer ger en högre kokpunkt.

Eldningsoljor innehåller en viss mängd destillat för att göra det möjligt att justera egenskaper som viskositet, svavelhalt etc. Vid låga luftöverskott ger den en sotfri förbränning med jämn kvalitét och låga svavelutsläpp. Oljan förvaras i tankar med uttag från botten för att avskilja vatten och slam från oljan. För att lättare pumpa oljan behövs den värmas, oftast med hjälp av värmeslingor i tanken (Alvarez 2006).

Tallolja

Rå tallolja är en mörkbrun, trögflytande och svavelhaltig olja som är en restprodukt från massabruken. Den utvinns i samband med tillverkning av pappersmassa genom sulfatprocessen ur svartluten. Tallolja är samlingsnamnet på de substanser som kommer från kådan oberoende vedråvara. Tallved ger upp mot 50 kg tallolja per ton massa. Bruk som tillverkar både barrveds- och lövvedsmassa får en blandning av olika tallsåpor i svartluten vilket ger den tillverkade talloljan lägre kvalitét än för enbart barrved (Aro & Fatehi 2016).

Trädbränslen

Till trädbränsle räknas alla typer av biobränslen där träd är huvuddelen och att ingen kemisk omvandling har skett. Exempel på trädbränslen är skogsbränsle, energiskog eller återvunnet trädbränsle (Lehtikangas 1999). Förbränning av trädbränslen tillför ingen extra koldioxid till atmosfären då den koldioxiden som släpps ut vid förbränning redan tagits upp av trädet under tillväxten. Förbränningen bidrar inte heller till försurning då kväve och svavelutsläppen är låga. Askan efter förbränning kan återföras direkt till naturen som gödning (Novator 1996b).

Pellets är ett förädlat trädbränsle som består av hoppressat träavfall och tillverkas normalt av biprodukter från trävaruindustrin. Såg- och kutterspån torkas, mals och pressas under högt tryck och höga temperaturer som sedan bildar en pellet. En pellet är ett komprimerat cylinderformat biobränsle med en diameter på 6–12 mm (Lehtikangas 1999). Träpulver är ett finkornigt bränsle som tillverkas av torkat sågspån eller pellets som mals och sedan siktas till små partiklarna med en storlek på mindre än 1 mm (Novator 1996). Då partiklarna är små kan träpulver användas på samma sätt som olja eller gas då det ger en betydligt snabbare utbrinningstid vilket medför att det är enklare att variera effekt efter behov i pannan (Lindström 2017).

Lämpligaste användningen för träpulver är stora pannor som konverterats från fossila bränslen till biobränslen (Lehtikangas 1999).

Samtliga bränslens egenskaper presenteras i Tabell 3, där bränslena har olika sammansättningar i kol (C), väte (H), syre (O), kväve (N) och svavel (S).

Tabell 3. Bränslesammansättning för eldningsolja och tre förnyelsebara alternativ.

Bränsle C H O N S

Eldningsolja 85,3 11,3 0,1 0,0 0,2

Tallolja 81,2 12,5 4,7 1,5 0,2

Pellets 50,9 6,2 42,8 0,1 0,0

Träpulver 50,9 6,2 42,8 0,1 0,0

2.5 Bränsleproduktion

2.5.1 Biogasproduktion

Biogas framställs genom rötning eller förgasning. Biogasprocessen kan delas upp i tre steg där första steget är hydrolys. Det innebär ett samspel mellan mikroorganismer och enzymer som sönderdelar komplexa föreningar till enklare föreningar. Andra steget är jäsning (fermentation) där alkoholer, fettsyror och vätgas bildas. I sista steget sker metanbildningen där mikroorganismer växer långsamt och dör i kontakt med syre (Mathiasson 2012). Metoder för att optimera biogasprocessen presenteras i Bilaga B. Nyckeltal vid biogasproduktion presenteras i Tabell 4.

Tabell 4. Metangasproduktion för olika typer av substrat (Carlsson & Uldal 2009).

Typ TS [%] VS av TS

[%]

Metanproduktion [CH4 / ton VS]

Fiberslam* 48 95 330

Matavfall 33 85 461

Kogödsel 9 80 213

* (Björn et al. 2015)

2.5.2 Termisk förgasning

Produktgas produceras genom förgasning där en omvandling sker av ett kolhaltigt fast eller flytande bränsle, se kapitel 2.4.1. Termisk förgasning av biomassa sker i fyra olika steg. Första steget är torkning, kvarvarande vatten drivs av och temperaturen stiger. Nästa steg är avdrivning av flyktiga komponenter och termisk sönderdelning, temperaturen stiger upp mot 200 °C och vedråvaran börjar sönderfalla samtidigt som flyktiga komponenter bildas. Tredje steget är reformering av flyktiga komponenter där avdrivna komponenter reagerar till permanenta gaser. I fjärde steget förgasas träkol genom att reaktioner sker med syre och vattenånga (Nordenö & Gustavsson 2017).

Det finns olika förgasningsprocesser för att förgasa biomassa. Tre tekniker som visat sig vara lämpliga är luftblåst suspensionsförgasare, kommunicerade bädd-förgasning och tvåstegsförgasning. Produktgassammansättningen och värmevärdet beror på vilken typ av förgasningsteknik som används vid produktion (Nilsson et al. 2016).

1. Luftblåst suspensionsförgasare

Biomassa och luft matas in i förgasningsreaktorn, se Figur 9. Förgasningstekniken kräver små och homogena partiklar vilket gör det till en mindre passande teknik för biomassa. Denna typ av förgasare finns tillgänglig i stor skala. En liknande teknik är en cyklonförgasare (Nilsson et al. 2016).

Figur 9.Schematisk bild över en luftblåst suspensionsförgasare (Nilsson et al. 2016).

2. Kommunicerande bädd-förgasning

I en kommunicerande bädd-förgasning avskiljs flyktiga komponenter och de fasta resterna separeras från pyrolysgasen, se Figur 10. Förgasningen sker med överhettad ånga och värmen som behövs vid pyrolysering av bränslet samt förgasning erhålls via förbränning av den pyroliserade gasen. Tekniken finns i lämplig skala och fördelen är att produktgasen har ett relativt högt värmevärde (Nilsson et al. 2016).

Figur 10. Schematisk bild över en kommunicerande bädd-förgasning (Nilsson et al. 2016).

3. Tvåstegsförgasning

I en tvåstegsförgasningsprocess paralyseras bränslet och de fasta resterna separeras från pyrolysgasen, se Figur 11. Förgasningen sker med överhettad ånga och värmen som behövs vid pyrolysering av bränslet samt förgasning erhålls via förbränning av den pyroliserade gasen. Även denna teknik finns i lämplig skala och ger en produktgas med relativt högt värmevärde (Nilsson et al. 2016).

Figur 11. Schematisk bild över en tvåstegsförgasning (Nilsson et al. 2016).

Typiska värden erhållna från litteraturen för specifik gasproduktion för produktgas är mellan 2,5-3,0 Nm³/kgför träflis. Fukthalten gasproduktionsvärdet är baserat på är 45 % med ett värmevärde på 2,5 kWh/kg (Lassi & Wikman 2011).

Figur 12 illustrerar hur en förgasare kan samverka med en panna. Ström a är träkol och tjära in i pannan, b ånga från gaskylare, c sekundärvärme från gaskylare, d ånga till tork, e sekundärvärme till tork och f är ånga till förgasaren (Nordenö &

Gustavsson 2017).

Figur 12. Samverkan mellan en förgasare och en panna (Nordenö & Gustavsson 2017).

2.6 Miljöpåverkan

Kombinationen mellan bränsle, förbränningsteknik och reningsåtgärder är dem faktorerna som påverkar utsläppen till luft. Förekomsten av koldioxid, svaveldioxid, stoft och tungmetaller är beroende av bränslets sammansättning och egenskaper (Thunell 1998). Partikelutsläpp sker i förbränningsprocessen och mest utsläpp fås vid förbränning av fasta bränslen och mindre vid gasformiga bränslen. Pariklarna kan bestå av sot, olja, svavelsyra, metallfragment osv. Vid ofullständig förbränning uppstår sotpartiklar. Storleken på sotpartiklarna kan variera mellan <0,1 µm upp till 100 µm. Vid avskiljning av partiklar är de mindre partiklarna svårast att avskilja.

Små partiklar har även en högre koncentration av toxiska ämnen (Bro 2005). Ur hälsosynpunkt är de farligast då det kan ta sig ner i lungorna och orsaka besvär och sjukdomar. EUs gränsvärde för stoftpartiklar för gasformiga ämnen är 5 mg/Nm³ och 1 mg/MJ för en tillförd effekt över 500 MW (Thunell 1998).

Koldioxid som bildas vid förbränning av kol är den växthusgasen som bidrar mest till den förstärkta växthuseffekten. Utsläpp av koldioxid leder till förändrat klimat.

Gasen är inte giftig och utan koldioxid skulle det inte finnas något liv på jorden då människor och djur andas ut koldioxid och växter behöver den. Vid ofullständig förbränning bildas den giftiga gasen koloxid. Vid tillsättning av mer syre omvandlas kolioxiden till koldioxid (Novator, 1996). Koldioxid bildas även när biobränslen förbränns. Den koldioxiden ingår i ett kretslopp vilket gör att den koldioxid som frigörs när växtmaterial förbränns tas upp av nya växter (Bioenergiportalen, 2015).

Utöver koldioxid och vatten som bildas vid förbränning så tillkommer oönskade miljöpåverkande ämnen. Dit hör kväveoxider, koloxid, oförbrända kolväten och polyaromatiska kolväten. Bildningen av ämnena påverkas utifrån förbränningsprocessen. Koldioxidutsläppen kan endast påverkas genom att höjd verkningsgraden i brännaren eller att använda ett förnyelsebart bränsle (Näslund 2011).

En annan restprodukt från förbränning är aska. Ämnena i askan avgör askegenskaperna och innehållet för biobränslen är natrium, kalium, kalcium, magnesium och klor. Vid temperaturer mellan 700-800 °C bildar ämnena föreningar som sedan smälter. Föreningar tillsammans med spårämnen kan erhålla lägre smälttemperaturer vilket gör att askpartikel får en klisterliknande yta. Askan bildar då lätt beläggningar i förbränningskammaren vilket är negativt för värmeöverföringen (Wadsborn et al 2007). Ved innehåller låga halter av främmande föreningar vilket gör att askan förblir torr och inte fastnar (Novator, 1996).

3. Ahlstrom-Munksjö Paper AB

I det här kapitlet presenteras en kortfattad beskrivning över Billingsfors Bruk och en kartläggning över bränsleanvändningen.

3.1 Pappers- och massatillverkning

Ahlstrom-Munksjö Paper AB i Billingsfors är ett av Europas minsta bruk, se Figur 13. Den årliga produktionen för sulfatmassa är 70 000 ton och för papper 60 000 ton.

Figur 13. Vy över Billingsfors Bruk (Ohlin, 2017).

Pappersbruket består i huvudsak av tre pappersmaskiner PM2, PM5 och PM6. Det är främst egenproducerad massa som används och en mindre mängd extern massa köps in för att tillverka vissa specifika papperskvaliteter. Pappersproduktionen för PM2 och PM6 utgörs av tunnpapper. Torkningen är av typen yankee där pappret torkas termiskt när den passerar cylindern. För PM2 kompletteras yankeecylindern med en elinfra och en gasinfra som används vid behov. PM5 är en ångvärmd mångcylindermaskin med en sektion som impregnerar. Pappersmassan torkas först med ånga från torkcylindrar sedan en ångdriven yankeecylinder och slutligen en IR- tork som drivs med gasol. Efter torkning går pappret från PM5 vidare till konvertering för efterbehandling, ytbehandling och slutligen tryckning. Utöver de tre pappersmaskinerna finns en gaspanna, fastbränslepanna, sodapanna och en mesaugn. Samtliga pannor använder eldningsolja som primärt eller sekundärt bränsle. Ångan som produceras från fastbränslepannan och sodapannan går ut på ett gemensamt högtrycksångnät och vidare till en turbin för att producera el. Ångan som används vid torkning av papper kommer från gaspannan, mesaugnen och lågtrycksånga efter turbinen. Fullständig processbeskrivning över massaproduktionen återfinns i Bilaga A.

3.2 Bränslekartläggning

Processdatan som kartläggningen bygger på är hämtad från år 2017. Totalt utgör biobränslen 85 % av bränsletillförseln och resterande 15 % utgörs av fossila bränslen, Figur 14 visar den totala bränsleanvändningen för alla bränslen.

Figur 14. Bränsleanvändning på Billingsfors Bruk.

Energibehovet för bränslena presenteras i Tabell 5, där den totala användningen uppgår till 496 GWh.

Tabell 5. Den totala energiförbrukningen år 2017.

Bränsleanvändning Energi [GWh] %

Tjocklut 333 67

Interna bränslen 48 10

Externa bränslen 40 8

Fossila bränslen 75 15

Total bränsleanvändning 496 100

Biobränslen utgör en betydande del av den totala energitillförseln. Den största delen är genom förbränning av biobränslen i form av tjocklut, totalt 333 GWh. Utöver tjockluten stod de interna bränslena för 48 GWh och dit räknas sedimentmassa, spantex, stark gas samt tallolja och de externa bränslena var bark och bränsleflis och utgjorde 40 GWh. Tillsammans med barken blandas kvistar från försilerierna och sediment från sedimentbassängen. Gasol och eldningsolja ultra 3 är de fossila bränslena som används i Billingsfors Bruk, se uppbyggnad av system och förbrukning nedan. Fossila bränslen används även i fordon, totalt 1,3 % av de fossila bränslena (75 GWh).

Gasolen stod för 43 GWh år 2017. Gasolen används i alla tre pappersmaskiner och i konverteringen vid tryckpressen och bestrykningsmaskinen. I processchemat över gasolen presenteras PM2, PM5 och PM6, se Figur 15. PM2 och PM6 har två brännare där gasolen förbränns med ett luftöverskott och PM5 har en gasinfra som torkar pappret.

Bränsleanvändning

Lut Interna biobränslen Externa biobränslen Fossila bränslen

Figur 15. Processchema över gasolanvändningen.

Den totala mängden förbrukad gasol uppgår årligen till 1638 MNm³, se Tabell 6.

Tabell 6. Gasolförbrukningen för pappersmaskiner och konvertering.

Förbrukare av gasol Inköpt gasol [MNm³] Energi [GWh]

PM2 688 18

PM5 142 4

PM6 733 19

Konvertering 76 2

Totalt 1638 43

PM2 har ett jämt flöde under året och största delen av gasolbehovet ligger omkring 2 MW, se Figur 16.

Figur 16. Flödes- och effektbehovet (gasol) för pappersmaskin 2.

Fastbräns Fastbräns

PM2 PM2

PM5 har lägre flödesbehov än PM2 och PM6. Gasolförbrukningen sker under 6000 timmar årligen, se Figur 17.

PM 6 är den pappersmaskinen som har högst effektbehov, cirka 4 MW. Den körs endast få timmar på maxeffekt, se Figur 18.

Figur 19 visar oljeanvändningen, där de röda prickarna symboliserar flödesmätare.

Oljan stod för totalt 32 GWh år 2017. De största mängderna olja användes främst vid start av pannorna och när det primära bränslet inte räcker till i fastbränslepannan, sodapannan, gaspannan och mesaugnen då ångbehovet är stort.

Figur 19. Processchema över oljeanvändningen.

Figur 18. Flödes- och effektbehovet (gasol) för pappersmaskin 6.

FastbränsPM6 FastbränsPM6

Figur 17. Pappersmaskin 5 flödes- och effektbehov (gasol).

Fastbräns

FastbränsPM5 PM5

Det årliga oljebehovet presenteras i Tabell 7 för pannorna och mesaugnen.

Tabell 7. Den totala oljeförbrukningen för pannorna och mesaugnen.

Förbrukare av olja GWh

Gaspanna 9

Fastbränslepanna 8

Sodapanna 8

Mesaugn 7

Totalt 32

I gaspannan förbränns stark-, indunstning- och strippergas i kombination med eldningsolja. Det största effektbehovet i gaspannan ligger i intervallet 800 till 1200 kWh. Få timmar, cirka 100 timmar har en effekt på över 2000 kWh, se Figur 20.

De primära bränslena samt eldningsoljan till fastbränslepannan visas i Tabell 8. Total tillför effekt uppgår till 59 GWh.

Tabell 8. Bränsle tillförd till fastbränslepannan.

Bränsle till fastbränslepannan Tillförd effekt [GWh]

Eldningsolja 8

Sediment 7

Papper 4

Bark/flis 40

Totalt 59

Figur 21 presenterar flödes- och effektbehovet för det sekundära bränslet,

eldningsolja, i fastbränslepannan. Det går tydligt att se på flödet att eldningsoljan endast används vissa dagar om året. På ett år tillförs eldningsoljan endast 1400 timmar.

Figur 20. Gaspannans flödes- och effektbehov.

FastbränsGaspanna FastbränsGaspanna

Det primära bränslet i sodapannan är tjocklut. Totalt år 2017 förbrändes 333 GWh tjocklut samt 8 GWh olja. Sodapannan har två brännare (blå och röd kurva), Figur 22 visar flödes- och effektbehovet för eldningsolja för brännarna separat.

I mesaugnen förbränns tallolja primärt och eldningsolja när inte talloljan räcker till.

Flödes- och effektbehovet för mesaugnen visas i Figur 23. Mesaugnen har enbart en flödesmätare som mäter ett kombinerat flöde av eldningsolja och tallolja.

Utöver både de fossila och fossilfria bränslena som förbränns i brukets processer säljs 15,3 GWh bark då den har för hög fukthalt för att förbrännas i fastbränslepannan.

Figur 21. Fastbränslepannans flödes- och effektbehov.

Fastbräns

Fastbränslepanna Fastbränslepanna

Figur 22. Oljeflödet och effektbehovet för sodapannan.

Fastbräns Fastbräns

Sodapanna Sodapanna

Figur 23. Flödes- och effektbehovet för mesaugnen.

Fastbräns Fastbräns

Mesaugn Mesaugn

4. Metod

I detta avsnitt förklaras tillvägagångsättet i form av hur data har erhållits och hur olika beräkningar och analyser har utförts. En beräkningsmodell byggdes i Excel där datan applicerades. Modellen presenteras mer ingående i Bilaga C.

4.1 Litteraturstudie

Studien inleddes genom att utföra en bränslekartläggning på Billingfors Bruk. De befintliga pappersmaskinerna, pannorna och mesaugnen studerades för att utgöra en referensram till analysen av fossilfria bränslen. Datan som samlades in vid bränslekartläggning erhölls från Brukets processdata för år 2017. Relevant litteratur som behövdes har hämtats ifrån vetenskapliga artiklar, rapporter, hemsidor och handböcker.

4.2 Utförande och analys

Första steget för att bedöma möjligheterna att konvertera till biobränslen var att undersöka behovet för varje förbränningssystem i form av bränsleflöde och motsvarande effekt. Då bränslen har olika värmevärden fick mängden bränsle justeras för att leva upp till det befintliga effektbehovet. Andra steget var en teknisk analys som grundar sig i följande faktorer som påverkar förbränningssystemet:

o Adiabatisk flamtemperatur o Luftmängd

o Rökgasmängd

Den adiabatiska flamtemperaturen och rökgasmängden påverkar värmeöverföringen. Vid analys av värmeöverföring i form av konvektion och strålning har ekvation (2.5) och (2.6) varit till hjälp. Parametrar som area och emissionstal har antagits vara konstanta då värmestrålningen är mer komplex än för konvektion.

För att uppnå en god förbränning av bränslet erfordras en specifik luftmängd.

Luftmängden beror på bränslet som förbränns och då ett antal olika bränslen analyserades behövdes luftmängden beräknas för samtliga, se (4.1) för gaser och (4.3) för fasta och flytande bränslen. I ekvation (4.1) står x för antalet kolatomer och y för antalet väteatomer i bränslet. Även en beräkning av rökgasmängden gjordes då den bygger på luftmängden och bränslemängden (bortsett ifrån askan) samt avgassammansättningen, se (4.2) för gaser och (4.4) för fasta bränslen.

𝑙₌ =^4,S"

$%%∗ U0,5 ∗ (𝐶𝑂) + 0,5 ∗ (𝐻₊) + 1,5 ∗ (𝐻₊𝑆) + ∑ 2𝑥 +^[

46 ∗ \𝐶_]𝐻_[^ − (𝑂₊)_ (4.1) 𝑔₌=_$%%^$ ∗ U79 ∗ 𝑙₌+ (𝐶𝑂) + (𝐻₊) + (𝐻₊𝑆) + ∑ 2𝑥 +^[₄6 ∗ \𝐶_]𝐻_[^ + (𝐶𝑂₊) + (𝑁₊) + (𝐻₊𝑂)_ (4.2) 𝑙₌ = 4,77 ∙^++,4

$%%2^e

$++^f

4+ ^g

M+− ^h

M+6 (4.3)

𝑔₌ =^++,4

$%%∙ U^e

$++ ^g

M++ ⁱ

+N+ 3,76 ∙ 2^e

$++^f

4+ ^g

M+− ^h

M+6_ (4.4)

Vissa förbränningssystem kräver specifika temperaturer och för att avgöra huruvida rätt temperatur i pannorna kan uppnås analyseras den adiabatiska flamtemperaturen.

Vid beräkning av den adiabatiska flamtemperaturen antogs inga värmeförluster till omgivningen och värmemängder som avges med aska försummades. Förbränningen antas ske med stökiometrisk luftmängd. Den reflekterar inte ett verkligt fall då det alltid finns förluster till omgivningen utan är enbart ett kvantitativt mått som gör det möjligt att jämföra bränslen.

Luft- och rökgasmängd beräknades även vid ett luftöverskott på 10 % och 20 % där det verkliga flödet beräknas genom att använda det teoretiska flödet och ett specifik luftöverskott i (4.5) och (4.6).

𝑙_;= 𝑙₌(1 + 𝑙_ö) (4.5)

𝑔_; = 𝑔₌(1 + 𝑙_ö) (4.6)

Den adiabatiska flamtemperaturen beräknades enligt (4.7) och bygger på en massbalans över förbränningskammaren. Alla parametrar i en massbalans påverkas av ett bränslebyte och förhållandet mellan parametrarna avgör temperaturen i förbränningskammaren. Parametrarna in i förbränningskammaren som den adiabatiska flamtemperaturen är beroende av var följande: bränslets värmevärde, luftmängd, luftens specifika värmekapaciteten vid konstant tryck samt temperatur.

Parametrarna ut var: rökgasmängden och den specifika värmekapaciteten för rökgasen vid konstant tryck. Den specifika värmekapaciteten är beroende av gasens sammansättning samt temperatur för gaser med två och tre atomer därav användes framräknade värden från Figur 7 och 8 vid beräkning av den adiabatiska flamtemperaturen för biogas respektive produktgas.

𝑡_J =^{flmInmopq∗=q}

J_n∗o_pr (4.7)

För eldningsolja, gasol och biogas stämmer den beräknade adiabatiska temperaturen överens med allmänna tabellerade värden. Inga tabellerade värden kunde hittats för produktgas, pellets och träpulver. Då noggrannheten var hög för de framräknade AFT-värdena för olja, gasol och biogas ansågs den framräknade adiabatiska temperaturen vara rimlig för samtliga bränslen.

Vid bedömning av lämpligheten mellan olika bränslen i den tekniska analysen var det eftertraktat med ett förbränningssystem som liknande det befintliga systemet. Då det i praktiken skulle innebära mindre omfattande tekniska ombyggnationer.

En förenklad bild över en förbränningskammare redovisas i Figur 24.

Förbränningskammaren är ett stationärt system där bränsle förbränns i kombination med luft. Tillsammans omvandlas det till värme, avgaser, och aska.

Figur 24. Massbalans för en förbränningskammare.

Baserat på bränsleprestanda och den tekniska analysen togs alternativa lösningar för anläggningen fram. Vid den tekniska avvägningen för konvertering av gaser jämfördes Wobbeindex mellan olika gasbränslen för att avgöra möjligheten för utbyte. Wobbeindex definieras som (4.8) där H är gasens värmevärde och d är den relativa densiteten. Luftens densitet är 1,205 kg/m³.

𝑊 =_√u^f (4.8)

Vid byte av bränsle måste effektbehovet och den adiabatiska flamtemperaturen uppfyllas för att bytet ska vara möjligt och samtidigt bibehålla produktionskapaciteten. Utöver de faktorer som måste uppfyllas undersöktes även hur mycket fossilfri gas som kunde produceras internt med hjälp av nyckeltal från litteraturen. Vid beräkning av biogasproduktion användes Tabell 4 samt vid beräkning av den potentiella produktgasproduktionen användes nyckeltal som presenterades i delkapitel 2.5.2. Litteraturen var även till hands vid utvärdering av lagringsmöjligheter och tillgänglighet för de olika bränslen. Sist gjordes en sammanställd avvägning baserat på bränslekostnader och övriga aspekter som tagits med i analysen. Detta för att avgöra vilket eller vilka bränslen som lämpar sig för att byta ut dem fossila bränslena.

En generell ekonomisk bedömning gjordes över bytet ifrån gasol och olja till fossilfri gas och biobränsle. Investeringskostnader för att producera exempelvis biogas exkluderas liksom byte av brännare och ombyggnationer av pannor då det bedömdes vara svårt att uppskatta inom ramen för detta arbete. Den ekonomiska kalkylen bygger därför enbart på bränslekostnader. Priser togs fram genom att hämta information ifrån bruket, hemsidor, leverantörer m.m. Bränslekostnaderna är beräknade som medelvärde för år 2017. En jämförelse gjordes för att se hur det ser ut med de fossila bränslena samt utan fossila bränslen.

5. Resultat

I följande kapitel redovisas hur bränslena beter sig generellt vid förbränning.

Därefter analyseras de tekniska möjligheter att applicera bränslena i Billingsfors applikationer och även det praktiska möjligheter i form av tillgänglighet och lagring.

Efter att de tekniska och praktiska möjligheterna analyserats presenteras en fossilfri systemuppbyggnad och slutligen appliceras ett bränsleekonomiskt perspektiv på det befintliga systemet samt det fossilfria systemet.

5.1 Bränslekarakteristik och prestanda 5.1.1 Gaser

Biogas och produktgas från termisk förgasning är förnyelsebara gaser som eventuellt skulle kunna vara potentiella gaser att byta ut gasolen med. Gasernas egenskaper presenteras i Tabell 9. Gasol har ett betydligt högre värmevärde än de förnyelsebara gaserna vilket resulterar i ett högre Wobbeindex.

Tabell 9. Gasegenskaper för gasol och förnyelsebara gaser.

Bränsle Värmevärde

[MWh/nm³] Densitet [kg/nm³]

WI [MWh/nm³]

Gasol 26,0 2,01 20,1

Biogas 6,4 1,13 6,6

Produktgas Låg 1,7 0,75 2,2

Produktgas Hög 3,1 0,90 3,6

Vid förbränning skiljer sig den adiabatiska flamtemperaturen beroende på luftöverskott, se Figur 25. Vid 20 % luftöverskott är temperaturskillnaden för gasol, biogas och produktgas Låg minimal. Produktgas Hög är generellt högre än de övriga gaserna på grund av att gasen inte innehåller kväve.

Figur 25. Adiabatisk flamtemperatur för gaser vid olika luftöverskott.

Luft- och rökgasmängden skiljer cirka 2 % mellan gasol och biogas, se Figur 26 och Figur 27. För produktgasen som inte innehåller kvävgas är skillnaden betydligt

0 500 1000 1500 2000 2500

Utan luftöverskott 10 % luftöverskott 20 % luftöverskott

Adiabatisk flamtemperatur °C

Gaser

Gasol Biogas Produktgas Låg Produktgas Hög

större, uppemot 30 % lägre i jämförelse mot luft- och rökgasmängden för gasol.

Produktgas Låg har större rökgasmängd än gasol då värmevärdet är lägre vilket gör att bränslebehovet kompenseras upp. Det syns även tydligt att både luft- och rökgasmängden ökar med ökande luftöverskott.

Figur 26. Specifik luftmängd för olika typer av gaser.

Figur 27. Specifik rökgasmängd för olika typer av gaser.

Rökgassammansättning i volymprocent för gasol, biogas, och produktgas presenteras i Tabell 10. Förbränning av produktgas Låg släpper ut mest koldioxid.

Dock antas både biogasen och produktgasen vara koldioxidneutrala då den mängd de släpper ut redan har tagits upp.

Tabell 10. Rökgassammansättning för gasol, biogas och två kvalitéter på produktgas.

Sammansättning Gasol [%] Biogas [%] Produktgas

Låg [%]

Produktgas Hög [%]

CO2 10,1 9,5 18,8 12,0

H2O 13,5 19,0 11,3 18,0

N2 76,3 71,5 69,8 70,0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Utan luftöverskott 10 % luftöverskott 20 % luftöverskott Specifik luftmängd Nm3/MWh

Gaser

Gasol Biogas Produktgas Låg Produktgas Hög

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

Utan luftöverskott 10 % luftöverskott 20 % luftöverskott Specifik rökgasmängd Nm3/MWh

Gaser

Gasol Biogas Produktgas Låg Produktgas Hög

Då gasol och de förnyelsebara gaserna skiljer sig i värmevärde och densitet så ökar mängden bränsle drastiskt för att konvertera gasolen, se Tabell 11. Det totala behovet för gasol är 1,68 GNm³/år medan för den låga syntesgasen 25,5 GNm³/år.

Tabell 11. Jämförelse med gasol och fossilfria alternativ i pappersmaskinerna.

System Gasolförbrukning [GNm³]

Biogas [GNm³]

Produktgas Låg [GNm³]

Produktgas Hög [GNm³]

PM2 0,70 2,8 10,7 5,9

PM5 0,15 0,6 2,2 1,2

PM6 0,75 3,0 11,4 6,2

T&B 0,08 0,3 1,2 0,7

Totalt 1,68 6,7 25,5 14,0

5.1.2 Flytande och fasta bränslen

Eldningsolja jämförs med tre förnyelsebara bränslen, se Tabell 12. Fukthalten för pellets och träpulver är hög och utmärker i sig i jämförelse med de två flytande bränslena. Värmevärdet för oljorna är betydligt högre men innehåller även en viss mängd svavel.

Tabell 12. Bränsleegenskaper för eldningsolja, tallolja, pellets och träpulver.

Bränsle Värmevärde

[MWh/kg]

Densitet [kg/m³]

Fukthalt [%]

Askhalt [%]

Svavel [%]

Flamlängd [m]*

Eldningsolja 0,0115 910 - 0,0 0,20 7,8

Tallolja 0,0107 960 - 0,0 0,20 7,7

Pellets 0,0047 650 10,0 1,5 0,04 14,9 Träpulver 0,0049 680 7,0 1,0 0,04 14,9

* (Ikonen 2012)

Den adiabatiska flamtemperaturen skiljer sig åt mellan eldningsolja, tallolja, pellets och träpulver, se Figur 28. Talloljan ger högre flamtemperatur än eldningsoljan vid samtliga luftförhållanden. Temperaturmässigt skiljer sig pellets och träpulvret från eldningsoljan, ungefärlig skillnad på 350 °C. Ökat luftöverskott minskar förbränningstemperaturen.

Pellets och träpulver har betydligt större luft- och rökgasmängd än vad eldningsolja och tallolja har, se Figur 29 och Figur 30.

Figur 29. Specifik luftmängd för fasta och flytande bränslen.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800

Utan luftöverskott 10 % luftöverskott 20 % luftöverskott Specifik luftmängd Nm3/MWh

Fasta och flytande bränslen

Eldningsolja Tallolja Pellets Träpulver 0

500 1000 1500 2000 2500

Utan luftöverskott 10 % luftöverskott 20 % luftöverskott

Adiabatisk flamtemperatur °C

Fasta och flytande bränslen

Eldningsolja Tallolja Pellets Träpulver

Figur 28. Adiabatisk flamtemperatur för fasta och flytande bränslen vid olika luftöverskott.