Reduktion av stoftutsläpp från närvärmepanna genom tillsats av kaolin som bränsleadditiv

Transkript

1 Reduktion av stoftutsläpp från närvärmepanna genom tillsats av kaolin som bränsleadditiv - Reduction of particle emissions from local heating facility by using kaolin as a fuel additive Erik Torshage EN1527 Examensarbete för civilingenjörsexamen i energiteknik

2 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 Direktivet kommer troligen att sätta ett gränsvärde för stoftutsläpp på 45 mg/nm 3 vid 6% O 2 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/nm 3. 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 nuvärdesmetoden och en kalkylränta på 8%. Ekonomiberäkningarna visade att det billigaste alternativet är kaolintillsats, därefter kommer spärrfilter och dyrast är elfilter. Metoden med additivtillsats i den berörda anläggningen kan troligen förbättras avsevärt. Som ett steg rekommenderas att undersöka möjligheterna att bygga om bränslematningen så att bränslet inte sönderdelas innan det når pannan. Nya tester bör också genomföras med ändrad lufttillförsel där mindre primärluft tidigt på rosten skulle vara önskvärt.

3 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/nm 3 at 6% O 2 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/nm 3 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. The method of adding kaolin could very likely be improved to meet the new limits. A reconstruction of the fuel transport system might be needed to make that possible. Also, redirecting the primary air from the beginning of the grate might be an alternative.

4 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 till 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. Erik Torshage Umeå, maj 2015

5 Innehållsförteckning 1 Introduktion Syfte... 2 Mål... 2 Avgränsningar Begrepp och termer Teori Stoft i rökgaser... 4 MCP-direktivet... 4 Normalisering av emissionsvärden Normalisering torra rökgaser Närvärme... 7 Sekundära reningstekniker för stoft Tidigare arbete på området Additiv i bränslet Mätmetoder för partiklar och rökgaser Ekonomi Yttranden om direktivet Genomförande Bränsleanalyser Försöksanläggning för fullskaleeldningar Val av additiv och inblandningsmetod Kaolinskruv Mätningar Förberedelser Utförande Impaktorprovtagning Totalstoftprovtagning Gasanalys Ekonomi Resultat Fullskaleeldningar med kaolintillsats - mätningar vid låg last Fullskaleeldningar med kaolintillsats - mätningar vid hög last Ekonomiska beräkningar... 32

6 6 Diskussion Additivtillsats för stoftreduktion (mätningar) Mätningar vid låg last Mätningar vid hög last Åtgärder för optimering av kaolintillsats Alternativa lösningar för stoftreduktion El- och spärrfilter Lågstoftpannor Ekonomiska aspekter Slutsatser Förslag på framtida arbete Referenser Bilaga 1 Bränsleanalys Bilaga 2 Bränsleanalys Bilaga 3 Offert LAKA 3 MW biopanna Bilaga 4 Kassetfilter Envicompac förklaring Bilaga 5 Doserutrustning för kaolin Bilaga 6 Kalibrering av matarskruv Bilaga 7 Mätrapport från panna, Hjo Energi, 2.5 MW Bilaga 8 Offert Elfilter... 59

7 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 % O 2 [5]. För Umeå Energis vidkommande berörs i dagsläget tre så kallade närvärmepannor av detta, två i Hörnefors och en i Bjurholm. Dessa anläggningar använder idag träpellets som bränsle och producerar värme till omkringliggande samhälle. Rökgasen från pannorna renas idag med multicyklon som endast klarar av att avskilja de grövre partiklarna vilket innebär att de inte kommer klara det nya direktivets gränsvärden [6]. 1

8 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] 1.1 Syfte 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. 1.2 Mål 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? 1.3 Avgränsningar 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 Tester av additivinblandning kommer vidare begränsas till att utföras endast på en panna, i detta fall en närvärmepanna på 1.5 MW panna i Hörnefors. Detta beror på ovan nämnda tidsåtgång för mätningar samt att den valda pannan bedöms vara passande utformad för försöken. De resultat och slutsatser som presenteras i rapporten kan därmed inte helt överföras på andra pannor och framförallt inte sådana av andra modeller. Resultatet kan dock ge en god indikation om huruvida konceptet kan fungera även för andra (liknande) närvärmepannor, men för att få en fullständig bild är det antagligen nödvändigt att validera resultaten även i andra anläggningar som kan vara aktuella för implementering av additivkonceptet. 2

9 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. Lågstoftpannor Pannor byggda för att ge en förbränning med mycket låga stoftemissioner. Submikrona partiklar Partiklar med en aerodynamisk diameter under 1 µm. 3

10 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. 3.1 Stoft i rökgaser 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 SO 2 /SO 3 i rökgaserna till t ex K 2 SO 4, 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 PM 1, 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]. 3.2 MCP-direktivet 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 SO 2, NO x och partiklar. Direktivet har utformats efter samråd med näringslivsföreträdare, enskilda experter, företrädare för statlig förvaltning och icke-statliga organisationer. För att inte orsaka betydande konsekvenser för 4

11 mindre aktörer har direktivet anpassats genom att mindre anläggningar får en längre anpassningstid och ingen tillståndsansökan kommer krävas. Det planeras även att införas förenklade övervakningsoch 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/nm 3 normaliserade mot 6% O 2 för fastbränsleanläggningar och 3% O 2 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 SO NO x Partiklar Andra gasformiga bränslen än naturgas 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/nm 3 normaliserade mot 6% O 2 för fastbränsleanläggningar och 3% O 2 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 SO NO x Partiklar Andra gasformiga bränslen än naturgas 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. 3.3 Normalisering av emissionsvärden 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 1 45 mg/nm 3 för anläggningar med en tillförd effekt på 5 MW eller mindre 2 25 mg/nm 3 för anläggningar med en tillförd effekt på 5 MW eller mindre 5

12 komma till rätta med detta relateras alltid mätvärden med ett visst luftöverskott givet i O 2 -halt eller CO 2 -halt. Detta innebär att det inte längre går att manipulera rökgaserna med luft eftersom mätvärdet alltid måste normaliseras mot samma luftöverskott [23]. Förutom O 2 -halt eller CO 2 -halt så brukar även stoftutsläppet gälla för torr gas vid tillståndet 1 bar och 0 C Normalisering torra rökgaser För att härleda ekvationen för normalisering nyttjas först ett samband för torra rökgaser, detta beskrivs i ekvation ( 1 ) [23]. g t = g 0t + (m 1)l 0t ( 1 ) Där g t är mängden torra rökgaser i, g ot är den teoretiska mängden stökiometriska rökgaser och l ot 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 g ot och l ot är lika [23]. m = 1 + g ot [O 2 ] t 0.21 ( 2 ) l ot 0.21 [O 2 ] t 0.21 [O 2 ] t Där [O 2 ] 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 g ot och l ot 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 ) g t = g ot + (m 1)l ot = g ot + ( 1) g 0.21 [O 2 ] ot = g ot m ( 3 ) t Omräkningen i stoftemission mellan två syrehalter blir därmed en kvot mellan två luftfaktorer eftersom g ot 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 = m mätning m villkor = 0.21 ( 0.21 [O 2 ] t )mätning 0.21 ( 0.21 [O 2 ] t )villkor ( 4 ) Där m mätning är luftfaktorn i rökgaserna vid mätning och m villkor luktfaktorn i rökgaserna som mätningarna ska normaliseras mot. För parenteserna anger index mätning att variablerna i 6

13 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% CO 2 -halt, detta har dock i allt större utsträckning ersatts med normalisering mot 6% O 2 -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 CO 2 -halt på 21% eftersom molförhållandet i syre mellan O 2 och CO 2 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] 3.4 Närvärme 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. Fjärrvärmeproduktionen i Hörnefors sker framförallt med biobränslen. I anläggningen ingår en 3 MW pelletspanna av fabrikat Weiss och en 1.5 MW pelletspanna av märke Eryl som levererats av TPS- 7

14 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. 3.5 Sekundära reningstekniker för stoft 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 mg/nm 3 [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] En schematisk bild av elfiltrets funktion visas i Figur 3. 8

15 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 mg/nm 3 vid 6% O 2 [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/nm 3 vid 6% O 2 [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 Tidigare arbete på området Det finns ett flertal tekniska rapporter som sammanfattar läget för rökgasrening från medelstora biobränsleeldade anläggningar. Redan 2002 gjordes en Värmeforskrapport som sammanställde teknikläget och utvecklingspotentialen för stoftrening i biobränsleanläggningar mindre än 10 MW. I 9

16 rapporten konstateras att multicykloner inte kan avskilja submikrona partiklar och har svårt att ge en stofthalt på under 100 mg/nm 3 vid 13% CO 2. 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 mg/nm 3 vid 6% O 2. 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/nm 3 vid 13% CO 2. 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]. Sammanställningar av utbudet för el- och slangfilter visar att det är svårt att hitta ekonomiska alternativ för anläggningar med lägre installerad effekt. Information om detta finns i en rapport av Leif Lindau utgiven av värmeforsk där information från tillverkare har sammanställts [30]. Kostnaden för installation av elfilter stiger dramatiskt för installerade effekter under 5 MW, se Figur 4. Även kostnaden för slangfilter är relativt höga för låga panneffekter dock betydligt billigare än elfilter. Specifika kostnaden för installation av slangfilter finns också den i Figur 4. 10

17 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/m 2 och arbetskostnaden SEK/m 2, ökande för mindre anläggningar. Kostnaderna är evaluerade med nuvärdesmetoden för 15 års evalueringstid och 4% realränta. Figur 5. Totalkostnad per MWh producerad energi som funktion av pannstorlek för olika reningstekniker. [30] 11

18 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. 3.6 Additiv i bränslet 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, Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4. Vid uppvärmning av kaolinit avgår vatten och metakaolinit, Al 2 O 3 2SiO 2, 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]: Al 2 O 3 2SiO 2 + 2KCl(g) + H 2 O(g) 2KAlSiO 4 + 2HCl(g) ( 5 ) Al 2 O 3 2SiO 2 + K 2 SO 4 2KAlSiO 4 + SO 3 (g) ( 6 ) Al 2 O 3 2SiO 2 + 2KOH(g) 2KAlSiO 4 + H 2 O(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. Bränsleadditivs effekt på slaggning vid förbränning av biomassa har studerats i en rapport från forskare vid TEC-lab på Umeå Universitet. I rapporten beskrivs fältförsök på en 20 kw och en 4 MW panna där kalciumkarbonat och kaolin användes som additiv. Försöken innefattade även metoden för tillsats och det testades att, mellan förråd och brännare, dysa in additiven uppblandade med vatten. Indysning bedömdes vara mogen för implementering, dock skulle bästa effekt uppnås om additivet tillförs råvaran i pelleteringen. I försöken visades att kaolin gav en signifikant reduktion av stoft, främst i det submikrona intervallet. Kaolin reducerade även slaggningen för alla bränslen som 12

19 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]. 3.7 Mätmetoder för partiklar och rökgaser 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 D j. Med ett stegvis minskande D j 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. Med andra ord så är det möjligt att få ut ett fördelningsdiagram med den totala massan som funktion av partikelstorlek i ett intervall. En impaktor som finns på marknaden är en så kallad lågtrycksimpaktor från Dekati DLPI (Dekati Low Pressure Impactor). Denna separerar partiklarna i 13 steg i inom intervallet 0, µm. En DLPI är konstruerad för att klara temperaturer upp till 200 C vilket gör den mycket lämplig för provtagning av rökgaser. Tabell 1 visar cut-off -diametrar för partiklarna som deponeras på de olika stegen. I de nedersta stegen för de minsta partiklarna (1-7) sänks trycket stegvis ner till 0.1 bar efter steg 1, för att möjliggöra avskiljning av de allra minsta partiklarna som annars skulle följa med gaserna genom systemet. 13

20 Tabell 3. En tabell över cut-off -diametrar för partiklarna som deponeras på de olika stegen. Steg Diameter [µm] 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 O 2, N 2, H 2 O, CO 2, CO, CH 4, NO, SO 2 och H 2. 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. 3.8 Ekonomi 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 ) I ekvationen är I inbetalningens storlek, p kalkylräntan och n är antalet år fram till inbetalningen. Om även de inbetalningar som utfaller varje år räknas in i nuvärdet så kan det beräknas med ekvation ( 9 ). n NV = C i R (1 + p) i = (1 + p) n + a i (1 + p) i i=1 n i=1 ( 9 ) 14

21 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 ). n NNV = NV G = C i R (1 + p) i G = (1 + p) n G + a i (1 + p) i i=1 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. Figur 7. En beskrivning av hur nuvärdesmetoden fungerar. [39] 15

22 3.9 Yttranden om direktivet Ett flertal svenska branschorganisationer har skrivit yttranden angående det planerade MCPdirektivet. 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/nm 3 tg vid 6 procent O 2 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 mg/nm 3 vid 13% CO 2 [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/nm 3 vid 13% CO 2 en rimlig gräns för vad pannorna alltid klarar av [46]. 16

23 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. 4.1 Bränsleanalyser 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 Det effektiva värmevärdet skiljer något mellan åren och likaså fukthalterna. Resultat från bränsleanalyserna finns bifogat i Bilaga 1 och Bilaga Försöksanläggning för fullskaleeldningar 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. 4.3 Val av additiv och inblandningsmetod 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. För att blanda in additivet undersöktes olika tekniker, alternativen som var aktuella var sampelletering, torr inblandning i bränsleskruv samt våt inblandning i bränsleskruv (även kallat indysning). Valet föll på att försöka blanda in kaolinet torrt i bränsleskruven, detta eftersom sampelletering inte var realistiskt och indysningen skulle förändra bränslets värmevärde och därmed innebära ändrade driftsförhållanden för pannan. 17

24 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. Figur 8. En figur över den installerade matningsutrustningen för kaolin. [47] 18

25 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. 4.4 Mätningar 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 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. För totalstoftmätningarna förbereddes filter genom att filterpapper av märke Munktells klämdes fast i hylsor. För varje mätning krävdes sedan två hylsor till filterhållaren. Filterpapper för 8 mätningar förbereddes och vägdes i en Mettler Toledo-våg med noggrannhet på 10 µg. 19

26 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. Figur 10. En figur som visar anslutningarna till rökgaskanalen. Uttaget uppe till vänster i bilden användes till impaktoroch totalstoftmätningar medan det undre i bilden användes för gasanalys. 20

27 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-% vikt-% vikt-% vikt-% 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 0 vikt-% - 0 g/min 21

28 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: :55 16:05 14:56 15: vikt-% 1 10:28 10:48 09:30 09: :57 13:27 10:55 11: vikt-% 1 12:13 12:33 13:50 14: :30 14:00 15:11 15:41 0 vikt-% 1-09:18 09: :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 Totalstoftprovtagning Totalstoftprovtagningen gjordes med svensk standard (SS-EN ) 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: vikt-% 10:54 11:24 10: vikt-% 12:41 13:11 14:13 14:43 0 vikt-% :52 22

29 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. 4.5 Ekonomi För att bedöma ekonomin för olika lösningar togs offerter in från olika leverantörer av utrustning både för additivinblandning men även för andra metoder. För filterutrustningen fördes noggranna konversationer med tillverkarna för att den offererade utrustningen skulle passa pannan i Hörnefors. Offerterna behandlades därefter med nuvärdesmetoden för att diskontera kostnaderna och ta reda på vilken totalkostnad de olika utrustningarna har i dagsläget. För nuvärdesmetoden användes en kalkylränta på 8% och en avbetalningsperiod på 20 år. Utrustningen bedömdes också inte ha något restvärde vid avbetalningsperiodens slut. 23

30 14:08:03 14:14:08 14:20:13 14:26:18 14:32:23 14:38:28 14:44:33 14:50:38 14:56:43 15:02:48 15:08:53 15:14:58 15:21:03 15:27:08 15:33:13 15:39:18 15:45:23 15:51:28 15:57:32 16:03:38 16:09:43 16:15:48 16:21:53 16:27:58 16:34:03 Andel [vol-%] 5 Resultat 5.1 Fullskaleeldningar med kaolintillsats - mätningar vid låg last 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. 25 Gasdata - låg last, 0 vikt-% Kaolin Water vapor H2O 10 5 Carbon dioxide CO2 Oxygen 0 Tid Figur 12. Gasdata vid låg last och ingen inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 14:30 och 16:05. 24

31 10:29:01 10:39:09 10:49:18 10:59:26 11:09:34 11:19:42 11:29:50 11:39:58 11:50:06 12:00:14 12:10:22 12:20:30 12:30:38 12:40:46 12:50:54 13:01:02 13:11:10 13:21:18 13:31:27 13:41:35 13:51:43 14:01:51 14:11:59 14:22:07 14:32:15 Andel [vol-%] 08:18:04 08:30:14 08:42:24 08:54:34 09:06:43 09:18:54 09:31:03 09:43:13 09:55:23 10:07:33 10:19:43 10:31:53 10:44:03 10:56:13 11:08:23 11:20:33 11:32:43 11:44:52 11:57:02 12:09:12 12:21:22 12:33:32 12:45:42 12:57:52 13:10:02 13:22:12 13:34:22 13:46:32 13:58:42 Andel [vol-%] 25 Gasdata - låg last, 0,3 vikt-% Kaolin Water vapor H2O 10 5 Carbon dioxide CO2 Oxygen 0 Tid 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. 25 Gasdata - Låg last, 1 vikt-% Kaolin Water vapor H2O Carbon dioxide CO2 5 Oxygen 0 Tid Figur 14. Gasdata vid låg last och 1 vikt-% inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 12:13 och 14:00. 25

32 dm/dlog(dp) [mg/nm³] 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. 60 Impaktordata, låg last vikt-% 0,3 vikt-% 1 vikt-% ,01 0, Particle Diameter Dp [µm] Figur 15. Partiklarnas storleksfördelning vid låg last och olika inblandning av kaolin, staplarna i figuren anger standardavvikelse. 26

33 Stoftkoncentration [mg/nm 3 vid 6% O 2 ] Stoftkoncentration [mg/nm 3 vid 6% O 2 ] Genom impaktorprovtagningen var det möjligt att även erhålla total stoftmängd i rökgaserna, även detta beräknades med kalkylbladet från Dekati och finns presenterat i Figur Totalstoft, låg last vikt-% 0,3 vikt-% 1 vikt-% 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 Totalstoft, låg last vikt-% 0,3 vikt-% 1 vikt-% Figur 17. Totalstofthalten i rökgasen vid låg last och olika inblandningar kaolin baserat på mätningarna med totalstoftmätare. 27

34 08:49:30 08:57:36 09:05:43 09:13:49 09:21:56 09:30:03 09:38:09 09:46:15 09:54:22 10:02:28 10:10:35 10:18:41 10:26:48 10:34:54 10:43:02 10:51:08 10:59:15 11:07:22 11:15:28 11:23:35 11:31:41 11:39:48 11:47:55 11:56:01 Andel [vol-%] 13:23:20 13:29:25 13:35:30 13:41:35 13:47:40 13:53:45 13:59:50 14:05:55 14:12:00 14:18:05 14:24:10 14:30:15 14:36:20 14:42:25 14:48:30 14:54:35 15:00:40 15:06:45 15:12:50 15:18:55 15:25:00 15:31:05 Andel [vol[-%] 5.1 Fullskaleeldningar med kaolintillsats - mätningar vid hög last 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 Gasdata - Hög last, 0 vikt-% Kaolin Water vapor H2O Carbon dioxide CO2 Oxygen 0 Tid Figur 18. Gasdata vid hög last och ingen inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 13:52 och 15: Gasdata - Hög last, 0,3 vikt-% Kaolin Water vapor H2O Carbon dioxide CO2 Oxygen 0 Tid Figur 19. Gasdata vid hög last och 0.3 vikt-% inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 09:30 och 11:05. 28

35 08:14:07 08:22:13 08:30:20 08:38:27 08:46:33 08:54:40 09:02:46 09:10:53 09:19:00 09:27:06 09:35:13 09:43:19 09:51:26 09:59:32 10:07:39 10:15:45 10:23:52 10:31:59 10:40:05 10:48:12 10:56:18 11:04:24 11:12:31 11:20:37 11:28:44 11:36:50 11:44:57 Andel [vol-%] 12:01:05 12:11:13 12:21:22 12:31:30 12:41:38 12:51:46 13:01:54 13:12:02 13:22:10 13:32:18 13:42:27 13:52:35 14:02:43 14:12:51 14:22:59 14:33:08 14:43:16 14:53:24 15:03:32 15:13:40 15:23:49 15:33:57 15:44:05 15:54:13 16:04:21 16:14:30 Andel [vol-%] 25 Gasdata - Hög last 1 vikt-% Kaolin Water vapor H2O Carbon dioxide CO2 Oxygen 0 Tid Figur 20. Gasdata vid hög last och 1 vikt-% inblandning av kaolin. Provtagningen skedde här mellan 13:50 och 15: Gasdata - Hög last, 0 vikt-% Kaolin Water vapor H2O 10 5 Carbon dioxide CO2 Oxygen 0 Tid 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. 29

36 dm/dlog(dp) [mg/nm³] 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. 70 Impaktordata hög last vikt-% (1) ,3 vikt-% 1 vikt-% 0 vikt-% (2) ,01 0, Tid Figur 22. Partiklarnas storleksfördelning vid hög last och olika inblandning av kaolin, staplarna i figuren anger standardavvikelse. 30

37 Stoftkoncentration [mg/nm 3 vid 6% O 2 ] Stoftkoncentration [mg/nm 3 vid 6% O 2 ] Resultat för totalstoft från impaktorprovtagningen beräknades med databladet från Dekati och finns presenterat i Figur 23. Totalstoft, hög last vikt-% (1) 0,3 vikt-% 1 vikt-% 0 vikt-% (2) Figur 23. Totalstoftmängd för hög last och olika kaolininblandningar baserat på mätningarna med impaktor, staplarna i figuren anger standardavvikelse. Totalstoft, hög last vikt-% 0,3 vikt-% 1 vikt-% 0 vikt-% Figur 24. Totalstofthalten i rökgasen vid hög last och olika inblandningar kaolin baserat på mätningarna med totalstoftmätare. 31

38 SEK 5.2 Ekonomiska beräkningar 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 Leverantör Löpande kostnad [SEK] Lågstoftpanna LAKA Oy - Elfilter BETH Filter GmbH - Spärrfilter Pilum AB Filterbyte: kr var 4:e år Kaolintillsats Peal AB Kaolin: 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 Ackumulerat nuvärde stoftreningsmetoder Kaolintillsats Elfilter Spärrfilter år Figur 25. Ackumulerat nuvärde för olika stoftreningsmetoder baserat på en kalkylränta på 8%. 32

39 6 Diskussion På det stora hela upplevs metoden att skruva in kaolin i bränsleströmmen som ett bra sätt att tillsätta ett additiv men självklart finns en del förbättringspotential. Ett problem fanns i att matarskruven var i största laget för den mängd kaolin som skulle doseras trots att den byggts om. Detta gjorde att matningen inte blev helt kontinuerlig utan svängde en aning. Dock kom inte heller pelletsen i en konstant ström in i bränsleskruven men över en tiominutersperiod stämde mängden kaolin och bränsle överens. En tanke i början av projektet var att styra kaolinmatningen på reläet som styr bränsleskruven, detta var tyvärr inte möjligt eftersom kaolinskruven har en viss uppstartstid och det skulle därmed bli svårt att mata rätt mängder. Ett antagande fick därmed göras att kaolinet och bränslet omblandades tillräckligt av bränsleskruven och skraprostret. Generellt för hög och låg last kan sägas att ingen mer slaggning än vanligt förekom i eldstaden under försöken, detta bör alltså inte bli något problem med additivtillsatsen. För att reducera stoftutsläppet med kaolintillsats så måste pannan vara anpassad för att det ska fungera. Detta gäller pannan som studerats i detta arbete såväl som alla andra pannor. Att en lösning fungerar på ett ställe garanterar inte att samma lösning fungerar på ett annat ställe. Ett problem med metoden att askmängden från pannan kommer öka kraftigt. Vid 0.3 vikt-% inblandning dubblas mängden aska som måste tas hand om. Enligt Lisa Torstensson, driftcontroller på Dåva Deponi och Avfallscenter, är det troligt att det inte är något problem att deponera askan trots kaolintillsatsen. Studier har visat att bioaska med kaolin inte har miljöfarliga lakningsegenskaper [48], detta är dock något som måste kontrolleras på den befintliga askan. 6.1 Additivtillsats för stoftreduktion (mätningar) Verkningsgraden på pannan antogs vid mätningarna vara 80% vilket är ett antagande som var nödvändigt för att veta den inmatade pelletsmängden och därmed kunna dosera rätt mängd kaolin. Självklart är detta ett ganska grovt antagande som också användes för både hög och låg last. Det viktigaste i testerna var dock att testa vid två olika inblandningsgrader vid två olika laster. Att inblandningen då avviker från det planerade en aning har då mindre betydelse än att inblandningen är lika vid varje provtillfälle för varje givet driftsfall vilket var säkerställt med metoden som användes Mätningar vid låg last Gasdatan i Figur 12 - Figur 14 visar att syret är dominerande i rökgaserna vid låg last. Detta kommer sig av att det är så relativt lite bränsle som matas in i eldstaden att mycket av syret i förbränningsluften inte behövs för att förbränna bränslet. Idealt så skulle de olika gaskomponenterna vara helt vågräta linjer men i verkligheten är förbränningsförloppet något ojämnt där varje topp i syre motsvaras av en sänka i koldioxid och tvärtom. Detta utseende beror bland annat på att rosterskraporna inte går konstant. Från figurerna går det att sluta sig till att pannan gick vid konstant drift för alla tre försök på låg last. Det viktigaste resultatet finns i Figur 15 där det går att se masskoncentrationen som funktion av partikelstorleken. I figuren syns tydligt att det är möjligt att, vid låg last, nå en signifikant reduktion av stoft med kaolin som bränsleadditiv. Figuren visar även att störst potential för reduktion finns i det submikrona intervallet och närmare bestämt mellan 0.1 och 1 µm. Detta stämmer väl överens med teorin i litteraturstudien. 33

40 Totalstoftmätningarna som gjordes på låg last visar ett annat resultat än impaktorprovtagningarna, jämför Figur 16 och Figur 17. Ett problem med totalstoftmätningarna var att rökgaserna höll så pass låg temperatur att en hel del vattenånga kondenserade innan rökgasen hade nått filtren. Detta gjorde att mycket av partiklarna som skulle ha fastnat i filtret istället fastnade i sonden. Det gjorde även att vatten kom i kontakt med filtren och löste ut partiklar som därmed inte kom med i vägningen. Att resultatet från totalstoftmätningen inte stämmer överens med resultat från impaktorprovtagningen är därmed inte så underligt. Kort sagt så är provtagningsförfarandet betydligt mer felfritt för impaktorprovtagningarna och Figur 16 bör därmed användas för att dra slutsatser kring totalstofthalten. För att sammanfatta resultaten från försöken på låg last så går det att konstatera att en signifikant reduktion av stoft gick att uppnå med kaolin som bränsleadditiv. Troligen kommer det gränsvärde för stoftutsläpp som föreslås i MCP-direktivet att innehållas med kaolininblandning på 1% vikt-% och även med en inblandning på 0.3 vikt-% Mätningar vid hög last För försöken på hög last går det i Figur 18 - Figur 21 att se andra förutsättningar än vid låg last. När pannan går vid högre last är koldioxiden dominerande i rökgasen och syret ligger på en lägre nivå än vid låg last. Gasdatan är, som vid låg last, relativt konstant under provtagningarna. Det enda problemet av vikt är den andra impaktorprovtagningen på 0.3 vikt-% där pannan slutade mata bränsle vilket är synligt i Figur 19 där syrehalten plötsligt rusar under en period. Vilken påverkan detta kan ha haft på resultaten kommer diskuteras längre ner i detta kapitel. Masskoncentrationen av partiklar i Figur 22 skiljer sig väsentligt från dess motsvarighet vid låg last, Figur 15. Vid hög last går det inte att konstatera någon skillnad i partikelemissioner vid inblandning av kaolin. Kurvorna är istället betydligt mer ojämna och tas standardavvikelsen med så går det inte att skilja masskoncentrationen av partiklar mellan de olika inblandningarna. Ingen signifikant skillnad går alltså att påvisa vid hög last oavsett inblandningsgrad av kaolin. Trenderna i kurvan skiljer sig även de beroende på last, för låg last går det att se att partiklarna främst finns i området mellan 0,1 och 1 µm. För hög last däremot finns förutom i området µm också en stor koncentration av partiklar med något större diametrar, omkring 5 µm. Detta beror sannolikt på att hastigheten på luftflödet genom pannan är mycket större vid hög last vilket innebär att mer partiklar slits loss från bädden och följer med rökgaserna. Eventuellt kan även en del av partiklarna i rökgasen vara kaolin vilket då skulle innebära att kaolinet motverkar sin egen effekt. Totalstoftsmätningen, se Figur 24, hade även här problem med kondensering varför totalstoft mätt med impaktor, Figur 23, bedöms vara mer trovärdig. I likhet med masskoncentrationen vid hög last är det även här omöjligt att säga om kaolinet gjort någon skillnad på partikelemissionerna då konfidensintervallerna överlappar varandra. Sammanfattningsvis så verkar inte kaolin vara en bra lösning för att reducera stoftutsläppet vid hög last på den studerade anläggningen. Troligen finns ingen möjlighet att innehålla det gränsvärde som föreslås i MCP-direktivet med hjälp av endast kaolintillsats. Att en av impaktormätningarna vid 0.3 vikt-% inblandning är en aning osäker hade troligen inte någon större inverkan på resultatet. Kanske hade värdena från denna körning blivit lite annorlunda men slutsaten att metoden inte fungerar så bra hade troligen blivit samma. 34

41 6.2 Åtgärder för optimering av kaolintillsats Till att börja med går det att konstatera att mätningarna som gjorts styrker det faktum att pannan inte kommer att klara kravet på stoftutsläpp som föreslagits i MCP-direktivet. Dock kommer det troligen att dröja till 2030 innan pannan blir satt under detta krav så det finns ingen anledning att göra något förhastat. Kaolin som tillsats är i dagsläget inte tillräckligt effektivt för att ge en tillräcklig stoftreduktion. Finns ändå intresse för denna lösning så rekommenderas några åtgärder för att det ska kunna fungera: Se över pelletsmatningen till pannan. Idag så skruvas pelletsen en lång väg från silo till pannan, detta får till följd att mycket av pelletsen har återgått till spån innan den kommer in i eldstaden. För att nå så lågt stoftutsläpp som möjligt är det viktigt att minska möjligheten för medryckning av bränslepartiklar. Om pelletsen håller ihop in i pannan så minskar risken för just detta eftersom luftströmmen har svårare att rycka med sig större partiklar. Se över lufttillförseln till pannan. Vid hög last blir gashastigheten genom pannan relativt hög, detta medför också att det är lättare att få medryckning av bränslepartiklar. Tidigt på rostret kan mängden primärluft vara ganska låg eftersom bränslet främst ska förgasas där. Detta bör då kombineras med en översyn av sekundärluften för att få en total utbränning av gaser. I det ideala fallet skulle pannan själv kunna styra om lufttillförseln beroende på last och rökgassammansättning. Införskaffa bättre matarutrustning för kaolinet. En mikrodoserarare som finns beskriven i bilaga 5 ger ett jämnare flöde som är lättare att kontrollera. Medföljande tråg kommer kunna rymma kaolin för en veckas drift på maxlast med 0,5 vikt-% inblandning vilket borde vara tillräckligt. Det jämnare flödet innebär mindre spill och därmed reducerad kostnad för kaolin. Doseraren bör kunna frekvensstyras med olika lägen beroende på det aktuella driftsteget för pannan. 6.3 Alternativa lösningar för stoftreduktion El- och spärrfilter De reningsmetoder som undersökts i litteraturstudien har varierat relativt mycket i pris. Spärrfilter och elfilter har båda ett relativt högt pris där elfilter är det klart dyrare alternativet. De specifika priserna för pannor under 5 MW är dessutom betydligt högre än för större anläggningar, vilket är tydligt i kapitel Tidigare arbete på området. Företaget Pilum AB kontaktades och de föreslog ett spärrfilter anpassat för det rökgasflöde som 1.5 MW-pannan i Hörnefors producerar. Priset på Pilums filter är ungefär samma som Leif Lindau konstaterat i sin rapport från 2002 [30]. Att priset på spärrfilter inte gått ner speciellt mycket sedan början på 2000-talet kan tyckas konstigt men beror delvis på att i erbjudandet från Pilum ingår också en boosterfläkt. Boosterfläkten är ett komplement till den befintliga rökgasfläkten och installeras för att kompensera tryckfallet som uppstår över spärrfiltret. Spärrfilters årliga kostnad beror på hur ofta själva filtren måste bytas. Själva filtren är den 35

42 enskilt största löpande kostnaden och som Figur 5 visar så är det önskvärt att ha så lång tid mellan filterbyten som möjligt. Detta kan uppnås genom att ha bra rensningsteknik och att noga övervaka rökgastemperaturen. Enligt sakkunniga på Pilum är ett bytesintervall på 4 år rimligt för det filter som de föreslagit vilket avspeglar sig i Figur 25 där en höjning i det ackumulerade nuvärdet kan observeras var fjärde år. Försäljningsansvariga på Pilum ansåg att det inte var kommersiellt valbart att installera ett elfilter. Det tyska företaget Beth hade dock en lösning med ett litet elfilter som redovisades i Tabell 8, detta filter är dock klart dyrare än spärrfiltret och ger också en av företaget bedömt sämre avskiljning. För att komma under den föreslagna gränsen för stoftutsläpp på 45 mg/nm 3 finns idag två sätt, elfilter eller spärrfilter. Av dessa kommer spärrfilter ge det absolut säkraste skyddet mot stoftutsläpp eftersom det inte kräver en viss temperatur där avskiljningen fungerar allra bäst. Spärrfilter var dessutom det billigaste alternativet av de två Lågstoftpannor I arbetet har två tillverkare av pannor med låga stoftemissioner identifierats. Av dessa är det framförallt den finska tillverkaren LAKA:s panna LAKA Y som verkar intressant då det är den enda pannan som finns för effekter över 1 MW. LAKA Y bygger på en patenterad stegad förbränning där bränslet först förgasas och gaserna sedan förbränns i en separat del av pannan. Det första steget är att bränslet bildar en glödbädd på rosten där primärluft tillförs, det tjocka glödlagret gör att allt syre i primärluften förbrukas inne i bädden vilket får till följd att CO 2 reduceras till CO och över 90% av kvävet i bränslet bildar N 2 istället för kväveoxider. I efterföljande steg bränns gaserna från det första steget ut och passerar sedan värmeväxlaren för värmeavgivning. Glödbäddens tjocklek är konstant cm och effekten regleras endast med primärluftsfläkten som styrs med en frekvensomformare för att nå en viss inställd temperatur på pannvattnet. [49] Pannan kan ge en stofthalt på under 10 mg/mj vilket motsvarar en halt på under 25 mg/nm 3 vid 6% O 2. Detta beror mycket på den stegade förbränningen, men även på att den tjocka glödbädden fungerar som ett filter vilket förhindrar ämnen i askan att gå upp i rökgaserna. Det har även visats vid experiment på den finska statens provningsanstalt att pannan kan nå mycket låga NOx-nivåer även med bränsle som innehåller höga halter kväve. [49] I Tabell 8 listas, förutom spärr- och elfilter, också lågstoftpannor som ett alternativ. Priset för en sådan panna med samma installerade effekt som den befintliga pannan är dock relativt högt. Priset kan tyckas högt i jämförelse med att köpa ett spärr- eller elfilter men som beskrevs i föregående kapitel så är det viktigt att komma ihåg att det inte är helt jämförbart. En ny panna måste ses som en mer långsiktig investering som snarare kan jämföras med att köpa en ny panna med spärr- eller elfilter. Kort sagt kan en lågstoftpanna vara ett alternativ när den befintliga pannan måste bytas ut. Något som talar mot en lågstoftpanna är dock de tester på en befintlig anläggning i Hjo som gjorts av KMP AB. Pannan ger då ett partikelutsläpp på 52 mg/nm 3 vid 13% CO 2 vilket motsvarar cirka 56 mg/nm 3 vid 6% O 2. Detta utsläpp är visserligen imponerande för en fliseldad panna men det kommer inte att räcka för att godkännas när MCP-direktivet träder i kraft. Vad stoftutsläppet skulle bli om 36

43 pannan istället eldades med pellets är omöjligt att säga och återförsäljaren har inte heller några uppgifter på att så ska ha skett. Något att tänka på om en lågstoftpanna ska installeras är att om pannan installeras inom ett år efter direktivets införlivande så räknas den som befintlig. Installeras den efter det så räknas den som en ny anläggning och blir därmed satt under hårdare krav. 6.4 Ekonomiska aspekter I ett mindre fjärrvärmenät som det i Hörnefors är det önskvärt att hålla kostnaderna så låga som möjligt. Med det nya MCP-direktivet finns det risk att de ekonomiska villkoren för småskalig fjärrvärme från biobränslen försämras. En förhoppning för de företag som driver sådana anläggningar får sättas till att marknaden för rökgasrening utvecklas och i framtiden kan erbjuda billigare lösningar. Angående ekonomidelen i detta arbete så är det viktigt att påpeka att den ekonomiska jämförelsen som gjorts är en jämförelse av kostnader för olika tekniker. Oavsett hur man väljer att rena rökgaserna så kommer det innebära en merkostnad för företaget så det existerar ingen pay off-tid. Kostnaderna för installationer är också en aning ofullständiga då det alltid kommer till extra utgifter som exempelvis omdragning av rökgaskanaler. Kostnadsberäkningarna är dock en grund och skillnaden mellan alternativen i slutändan borde inte skilja nämnvärt. 37

44 7 Slutsatser Följande slutsatser har dragits i detta arbete: Krav på stoftutsläpp är det som kan komma att begränsa framtida småskalig fjärrvärme från biobränslen. Kaolin som bränsleadditiv ger en signifikant reduktion av stoftutsläpp för den pannan som studerades i arbetet. Dock endast vid låg last. För att kaolin ska kunna fungera även vid hög last krävs troligen en förändrad lufttillförsel till förbränningsutrymmet samt eventuellt ett nytt matningssystem för pelletsen. Säkra sätt att nå de gränsvärden för stoftutsläpp som föreslås i MCP-direktivet är el- eller spärrfilter. Dessa är dock kostsamma i jämförelse med att få kaolintillsats att fungera. 38

45 8 Förslag på framtida arbete Det finns ett flertal frågeställningar som uppstått under detta arbete men som inte hunnit med att besvaras. Nedan listas några förslag på fortsatt arbete på området. Testa pellets där kaolin finns inblandat i pelletsen. Det borde även ligga i pelletstillverkarnas intresse att förnya och miljöanpassa sina produkter även om de inte visat något sådant intresse ännu. Testerna bör utföras på pannan som studerats i detta arbete. Testa att blanda in kaolinet i bränsleströmmen genom att dysa in kaolinet som en slurry. Testerna bör utföras på pannan som studerats i detta arbete. Undersök hur stoftutsläppet och gasinnehållet i rökgasen förändras om lufttillförseln ändras. Bygga och trimma in en matningsutrustning som är mer anpassad för kaolin och som kan frekvensstyras beroende på pannans effektsteg. Om det beslutas att pannan ska utrustas med el- eller spärrfilter kan det vara intressant att undersöka om det skulle gå att elda ett billigare bränsle, exempelvis träflis. 39

46 Referenser [1] Intergovernmental Panel on Climate Change, CLIMATE CHANGE 2014 Synthesis Report, Intergovernmental Panel on Climate Change, Genéve, [2] Miljö- och energidepartementet, Regeringskansliet, Miljö- och energidepartementet, 23 April [Online]. Available: [Använd 6 Februari 2015]. [3] Naturvårdsverket, Miljömål, 1 Juli [Online]. Available: [Använd 6 Februari 2015]. [4] Svensk Fjärrvärme, Fjärrvärmen och miljön, [Online]. Available: 4rrsyn/Broschyrer/Fjarrvarmen%20och%20miljon.pdf. [Använd ]. [5] Europeiska Kommissionen, Förslag till europaparlamentets och rådets direktiv om begränsning av utsläpp till luften av vissa föroreningar från medelstora förbränningsanläggningar, Europeiska Kommissionen, Bryssel, [6] M. Rönnbäck, L. Gustafsson, L. Martinsson, C. Tullin och L. Johansson, Stoftreningsteknik för biobränsleanläggningar mindre än 10 MW - teknikläge och utvecklingspotential, Värmeforsk Service AB, Stockholm, [7] J. Fagerström, Fine particle emissions and slag formation in fixed-bed biomass combustion - aspects of fuel engineering. [8] S. Engström, Nationalencyklopedin - Sveriges mest ansedda kunskapsföretag, Nationalencyklopedin, 1 Januari [Online]. Available: [Använd 6 Februari 2015]. [9] J. M. Samet, F. Dominici, F. C. Curreiro, I. Coursac och S. L. Zeger, Fine Particulate Air Pollution and Mortality in 20 U.S. Cities, , New England Journal of Medicine, pp , 1 December [10] E. Pettersson, C. Boman, R. Westerholm, D. Boström och A. Nordin, Stove Performance and Emission Characteristics in Residential Wood Log and Pellet Combustion, Part 2: Wood Stove, Energy & Fuels, pp , 1 Maj [11] A. Kocbach Bølling, J. Pagels, K. E. Yttri, L. Barregard, G. Sallsten, P. E. Schwarze och C. Boman, Health effects of residential wood smoke particles: the importance of combustion conditions and physicochemical particle properties, Particle and Fibre Toxicology, pp. 6-29, 3 November [12] L. S. Johansson, B. Leckner, L. Gustavsson, D. Cooper, C. Tullin och A. Potter, Emission characteristics of modern and old-type residential boilers fired with wood logs and wood 40

47 pellets, Atmospheric Environment, pp , 1 Augusti [13] I. Obernberger och G. Thek, Physical characterisation and chemical composition of densified biomass fuels with regard to their combustion behaviour, Biomass and Bioenergy, pp , [14] M. Öhman, C. Gilbe, I. Nyström, H. Hedman, D. Boström, C. Boman och R. Backman, Slag formation during combustion of biomass fuels with low phosphorus content, i 19th European Biomass Conference and Exhibition, Berlin, [15] A. Grimm, N. Skoglund, D. Boström och M. Öhman, Bed Agglomeration Characteristics in Fluidized Quartz Bed Combustion of Phosphorus-Rich Biomass Fuels, Energy & Fuels, pp , 20 Februari [16] C. Boman, A. Nordin, D. Boström och M. Öhman, Characterization of Inorganic Particulate Matter from Residential Combustion of Pelletized Biomass Fuels, Energy & Fuels, pp , [17] L. Johansson, C. Tullin och P. Sjövall, Particle emissions from biomass combustion in small combustors, Biomass & Bioenergy, pp , Oktober [18] J. H. Zeuthen, P. A. Jensen, J. P. Jensen och H. Livbjerg, Aerosol Formation during the Combustion of Straw with Addition of Sorbents, Energy & Fuels, pp , 1 Mars [19] O. Sippula, J. Hokkinen, H. Puustinen, P. Yri-Pirilä och J. Jokiniemi, Particle Emissions from Small Wood-fired District Heating Units, Energy & Fuels, pp , 9 April [20] J. Pagels, M. Strand, A. Szpila, A. Gundmundsson, M. Bohgard, L. Lillieblad, M. Sanati och E. Swietlicki, Characteristics of aerosol particles formed during grate combustion of moist forest residue, Aerosol Science, pp , [21] C. Boman, D. Boström, J. Fagerström, M. Öhman, I.-L. Näzelius och L. Bäfver, Fuel additives and blending as primary measures for reduction of fine ash particle emissions - state of the art, FutureBioTec, Umeå, [22] Europeiska kommissionen, Bilagor till förslag till europaparlamentets och rådets direktiv om begränsning av utsläpp till luften av vissa föroreningar från medelstora förbränningsanläggningar, Europeiska kommissionen, Bryssel, [23] L. Wester, Förbrännings- och rökgasreningsteknik, Västerås: Mälardalens Högskola, [24] A. Forsgren, Lathund - Förbränning, Miljö, Begrepp, Sorter, Omvandlingar, Naturvårdsverket, Solna, [25] R-Office, Wikimedia Commons, 25 Augusti [Online]. Available: [Använd 20 Mars 2015]. 41

48 [26] M. Rönnbäck och F. Jones, Avskiljning av stoft med rökgaskondensering anpassade till biobränsleeldning < 10 MW, SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut, Borås, [27] J. Pettersson, L. Leteng och M. Strand, Kostnadseffektiv partikelavskiljning i mindre närvärmeanläggningar, Linnéuniversitetet - Avdelningen för bioenergiteknik, Växjö, [28] E. Mason, Wikimedia Commons, 18 Juli [Online]. Available: [Använd 20 Mars 2015]. [29] L. Bäfver, C. Renström och J. Storm, Koncept för att minimera bildning av fint stoft och kväveoxider, Värmeforsk AB, Stockholm, [30] L. Lindau, Slangfilter vid bioeldade anläggningar, tillförlitlighet och driftsekonomi, Värmeforsk AB, Stockholm, [31] Kutzner-Weber GmbH, Der Partikelabscheider KW Zumikron - Reduziert Feinstaub bis zu 90%, Kutzner-Weber, [Online]. Available: [Använd 12 Mars 2015]. [32] L. Bäfver, J. Yngvesson och F. Niklasson, Residential Electrostatic Precipitator - Performance at efficient and poor combustion conditions, SP Technical Research Institute of Sweden, Borås, [33] B.-M. Steenari och O. Lindqvist, High temperature reactions of straw ash and the anti-sintering additives kaolin and dolomite, Biomass and Bioenergy, pp , 1 Januari [34] C. Boman, D. Boström och M. Öhman, Effect of fuel additive sorbents (kaolin and calcite) on aerosol particle emission and characteristics during combustion of pelletized woody biomass, i 16th European Biomass Conference & Exhibition, Valencia, [35] K.-Q. Tran, K. Iisa, B.-M. Steenari och O. Lindqvist, A kinetic study of gaseous alkali capture by kaolin in the fixed bed reactor equipped with an alkali detector, Fuel, pp , [36] E. Lindström, M. Öhman, D. Boström och C. Boman, Effekt av additivinblandning i bark och skogsbränslepelletskvalitéer för motverkande av slaggning i eldningsutrustning, Energiteknik och Termisk Processkemi - Umeå Universitet, Umeå, [37] Q. K. Tran, B.-M. Steenari, K. Iisa och O. Lindqvist, Capture of Potassium and Cadmium by Kaolin in Oxidizing and Reducing Atmospheres, Energy & Fuels, pp , [38] K. Nuutinen, J. Jokiniemi, O. Sippula, H. Lamberg, J. Sutinen, P. Horttanainen och J. Tissari, Effect of air staging on fine partickle, dust and gaseous emissions from masonary heaters, Biomass and Bioenergy, pp , [39] Mankash, Wikimedia Commons, 25 Maj [Online]. Available: [Använd 20 Mars 2015]. 42

49 [40] Naturvårdsverket, Förslag till direktiv om medelstora förbränningsanläggningar, Naturvårdsverket, 8 Januari [Online]. Available: [Använd 18 Februari 2015]. [41] R. Khodoyari, Skärpta stoftkrav för medelstora pannor - vad gör Svensk Fjärrvärme?, Svensk Fjärrvärme, 21 Januari [Online]. Available: [Använd 18 Februari 2015]. [42] C. Wiklund, Skogsindustrierna, 30 April [Online]. Available: fd37-451a-bef5-fc541d8e1b4f&filename=eus+luftv%c3%a5rdspaket.pdf. [Använd 18 Februari 2015]. [43] A. Normann, Innivations- och Kemiindustrierna i Sverige, 30 April [Online]. Available: ea50b9661e34&filename=2014_009_140430x.pdf. [Använd 18 Februari 2015]. [44] Naturvårdsverket, Vägledning förbränningsanläggningar mindre än 20 megawatt, Naturvårdsverket, 15 December [Online]. Available: [Använd 10 Mars 2015]. [45] H. Gulliksson, P. Fogelström, B. Zethreus och B.-Å. Johansson, Närvärme med biobränslen - vägledning från idé till färdig anläggning, Statens Energimyndighet, Eskilstuna, [46] R. Adolfsson, Interviewee, Underhållsingenjör. [Intervju]. 22 Januari [47] E. Torshage, Fotografi, Hörnefors: -, [48] B.-M. Steenari och K. Karlfeldt Fedje, Addition of kaolin as potassium sorbent in the combustion of wood fuel Effects on fly ash properties, Fuel, vol. 89, pp , [49] Laatukattila Oy, LAKA-Y Automatisk Bioenergipanna, Laatukattila Oy, Tammerfors, [50] L. Nordin, Pelletspanna i Hörnefors - Stoftmätning, METLAB miljö AB, Skelleftehamn,

50 Bilaga 1 Bränsleanalys

51 Bilaga 2 Bränsleanalys

52 Bilaga 3 Offert LAKA 3 MW biopanna 46

53 47

54 48

55 49

56 Bilaga 4 Kassetfilter Envicompac förklaring 50

57 51

58 Bilaga 5 Doserutrustning för kaolin 52

59 53