FÖRBRÄNNING AV HYDROLYSREST (LIGNIN) FRÅN ETANOLFRAMSTÄLLNING FRÅN VED

Transkript

1 TPS Branschforskningsprogram för Energiverk 2006/07 FÖRBRÄNNING AV HYDROLYSREST (LIGNIN) FRÅN ETANOLFRAMSTÄLLNING FRÅN VED Slutrapport inom området Brännarteknik Christian Fredriksson och Jelena Todorović September 2007 TPS-07/05

2 Titel: Författare: Rapportnummer: Version: Slutversion Datum: Språk: Svenska Antal sidor: 26 Nyckelord: Spridning: Förbränning av hydrolysrest (lignin) från etanolframställning från ved Christian Fredriksson, Jelena Todorović TPS-07/05 Beställare: TPS Branschforskningsprogram för Energiverk 2006/07 - Brännarteknik Avsändare: Godkänd av: TPS Termiska Processer AB, Box 624, Nyköping Tel , Fax , e-post tps@tps.se SAMMANFATTNING Denna rapport beskriver arbete som gjorts inom TPS Branschforskningsprogram för Energiverk, teknikområde Brännarteknik, under 2006/07. Målsättningen har varit att undersöka om lignin från etanolproduktion från ved är lämplig att använda som ersättningsbränsle i träpulver- eller oljeeldade kraft- och/eller värmeverk. Efter en inledande litteraturstudie har matnings- och förbränningstester i labskala genomförts. Två typer av lignin har testats vilka härrör från två typer av hydrolysprocesser för etanolframställning, svagsyra-hydrolys och enzymatisk hydrolys. Som referens har också ett kommersiellt träpulver ingått i testerna. Det två lignin-bränslen som testats har båda visat sig ha goda matningsegenskaper i torkat tillstånd med fukthalt upp till 20 %. Partikelstorleksfördelningen är dock sådan att det vid sameldning inte är lämpligt att mata både träpulver och lignin i samma system. Båda ligninbränslena har också förbränningsegenskaper som gör att de sannolikt kan eldas i fribrinnande brännare utan större justeringar. Av de två lignin-bränslen som testats är det lignin från svagsyra-processen som har egenskaper som gör att det troligtvis får minst påverkan på förbränningen i en pulvereldad anläggning. Det gäller i första hand den relativt låga kvävehalten i bränslet. Detta gör att NO-bildningen troligtvis ligger på samma nivå som för träpulver. Det innebär i sin tur att eventuella NOxreduceringssystem kan köras på samma sätt som tidigare. Detta bränsle har också en väldigt låg askhalt jämfört med träpulver vilket kommer att ha en positiv påverkan på anläggningens ekonomi. Det enzymatiska ligninet har i princip samma förbränningsegenskaper som svagsyra-lignin. Det har dock en högre kvävehalt i bränslet vilket gör att avgifter för NOx kan bli i storleksordningen dubbelt så höga som för träpulver. Askhalten i det enzymatiska ligninet är ungefär samma som för träpulver.

3 Innehållet i bränsleaskan är beroende av framställningsprocessen. När dessa bränslen tillverkades tillsattes NaOH för att neutralisera den slurry som bildas. Det betyder att båda bränslen innehåller relativt höga halter Na, vilket i förbränningssammanhang kan ställa till med problem då detta ämne har asksmältpunktssänkande egenskaper. Detta är speciellt problematiskt i närvaro av klor, vilket finns jämförelsevis höga halter av i det enzymatiska ligninet. Enligt uppgift är denna tillsatts av NaOH dock något som kan minskas eller undvikas i en framtida optimerad process. Svagsyra-lignin bedöms inte ha liknande riskpotential och är därför lämpligare som pulverbränsle. Med de halter av natrium och klor som fanns i det enzymatiska bränslet inför dessa tester, medför att bränslet bedöms som olämpligt att eldas som enda bränsle i en pulvereldad anläggning med tanke på potentiella beläggnings- och korrosionsproblem. Om något av dessa lignin-bränslen i framtiden blir aktuella att elda i pulveranläggningar, är rekommendationerna att göra noggrann och omfattande bränsleanalys för att framförallt fastställa halter av alkaliämnen (K, Na) och klor för att göra en bedömning av potentiella beläggnings- och korrosionsproblem för den aktuella anläggningen.

4 Innehållsförteckning 1 Bakgrund Målsättning Genomförande Resultat Litteraturstudie Etanol från ved Hydrolysrest Förbränning av hydrolysrest Bränsleanalyser Elementar- och överslagsanalys Askanalys Partikelstorleksfördelning Bulkdensitet Matningstester Förbränningstester Gastemperatur Gassammansättning Fallstudie pulvereldat värmeverk Diskussion Slutsats och rekommendationer Referenser...23 Bilagor: Bilaga 1 Analysdata från lignin svagsyra

5 1 1 Bakgrund Hydrolysresten från produktion av etanol från trä är en restprodukt som i dagsläget börjar få ett visst intresse som bränsleråvara. Hydrolysresten kallas också ligninrest eller bara lignin. En förutsättning för etanolproduktionens lönsamhet är att man kan nyttiggöra denna restprodukt, antingen för internt bruk eller för att sälja den t.ex. som bränsle för energiproduktion. Tidigare undersökningar av hydrolysrest har gjorts med tanke på att maximera utbytet av bränslet genom att använda det som bränsle till gasturbin [1]. Då har tester gjorts för att fastställa det kemiska innehållet och de grundläggande förbränningsegenskaperna. Bland annat gjordes förbränningsförsök i en 150 kw pulverbrännare med en drifttid på ca tre timmar. För att kunna mata materialet torkades materialet som från början hade en fukthalt på ca 60 %. Testerna gjordes dock med en hydrolysrest som tagits fram på labb och som inte kan förväntas vara representativt för den restprodukt som sedan produceras i industriell skala. Kommersiell teknik för drift av gasturbin med hydrolysrest finns inte heller för närvarande. Det är därför av intresse att undersöka andra användningsområden som är mer realistiska i ett kortare perspektiv. En tänkbar användning är som bränsle för el- och/eller värmeproduktion i värmeverk. Ur prishänseende ger bränsle till pulvereldad anläggning bäst betalt där normalt pellet eller briketter används. De frågetecken som då finns när det gäller användning av bränslet är i första hand i vilken form bränslet kan levereras och hur det kan matas till pulverbrännare med så liten förändring av befintligt transportsystem som möjligt. I andra hand finns det frågetecken vad gäller förbränningsegenskaper som kan påverka brännarfunktion, effektuttag ur panna och ev. korrosion. Askrelaterade problem som t.ex. beläggningar på vvx-ytor är mest troligt inget problem eftersom de analyser som gjorts hittills, visat att bränslet innehåller väldigt lite aska (< 0,1 %). I tredje hand är frågetecknet den kemiska sammansättningen av bränslet och vilka emissioner som de leder till och hur det påverkar driften och ekonomin för anläggningen. 2 Målsättning Målsättningen är att undersöka om lignin från etanolproduktion är lämplig att använda som ersättningsbränsle i träpulver eller oljeeldade kraft- och/eller värmeverk. 3 Genomförande Arbetet har inletts med en litteraturstudie av tidigare arbeten och tester av hydrolysrest (lignin). Samtidigt gjordes förberedelser för tester i labskala med två typer av lignin, dels lignin framställt med s.k. svagsyra process, dels med enzymatisk process. Bränslet är en restprodukt från den s.k. etanol-piloten i Örnsköldsvik där företaget Processum har ansvarat för framställningen av bränslet. Båda bränsletyperna analyserades med avseende på kemiskt innehåll och storleksfördelning. För att hantera och mata hydrolysresten måste det vara tillräckligt torrt. För de småskaliga försök som har gjorts lufttorkades bränslet för att kunna matas direkt som pulver. Separata matningstester genomfördes på TPS lab med utrustning i lab-skala som principiellt fungerar på samma sätt som matningsutrustning i fullskala. I Figur 1 och Figur 2 visas bilder på matningsutrustning som använts.

6 2 Eldstad Brännare Pulverinmatning Figur 1. Bild dosersystem lab-skala TPS. Figur 2. Principskiss över pulvermatningssystem till en brännare i fullskala. Förbränningstester genomfördes i en falltubsugn med en termisk effekt på ca 5 kw vilket motsvara ett bränsleflöde på ca 1 kg/h. Testerna genomfördes vid Institutet för process- och kraftverksteknik (IVD) i Stuttgart, Tyskland. En principskiss och bild på ugnen visas i Figur 3 och Figur 4. Falltubsugnen är elektriskt uppvärmd. Den uppvärmda delen av reaktorn har en längd på 2,5 m och reaktorns innerdiameter är 200 mm. Uppvärmningen är uppdelad i sektioner för att kunna hålla en konstant väggtemperatur under försöken. Maximal kapacitet för uppvärmningssystemet är 57 kwel. Testerna genomfördes av personal på IVD, TPS personal var närvarande under delar av testerna. Pulverbränslet matas från en bränslebehållare, via en horisontell skruvmatare till ett vertikalt fallrör där pulver och transportluft blandas och blåses ned till brännaren. Bränsle och transportluft kommer in i reaktorn genom ett centralt rör i brännaren. I brännaren sitter det också två annulära rör där primär- och sekundärluft tillsätts. Bilder på matningsutrustning och brännare visas i Figur 5 och Figur 6. Temperaturmätning och gasanalys kan tas i ett antal positioner längs med reaktorns centrumlinje med hjälp av oljekylda sonder. Detta gör det möjligt att få en profil på temperatur och gassammansättning. Temperaturen mäts med sugpyrometer, gassammansättningen bestäms för O 2, CO 2, CO, NO och SO 2 och stoftprov tas för att bestämma utbränningsgrad. Stoftprov tas med isokinetisk sondspets. Förutom tester med två typer av lignin, har ett kommersiellt träpulver också ingått i testerna och som använts som referensbränsle. Resultaten för lignin-bränslen och träpulver jämförs för att

7 3 bedöma möjligheterna att elda bränslet i konventionella pulverbrännare och ev. effekter på driften av anläggningen. Baserat på de resultat som tagits fram, har slutligen en fallstudie genomförts för att titta på olika alternativ som finns för att hantera och mata bränslet i en pulvereldad anläggning. I och med att de flesta pulvereldade anläggningarna har liknande matningsutrustningar, kan en fallstudie av ett eller två typiska värmeverk sägas gälla generellt. Figur 3. Principskiss på falltubsugn IVD, Stuttgart. Figur 4. Bild på mellandel falltubsugn IVD, Stuttgart. Figur 5. Bild på bränslebehållare, skruvmatare och fallrör för bränsle/luft. Figur 6. Bild på brännare på toppen av reaktor med tillförsel av primär- och sekundärluft.

8 4 4 Resultat 4.1 Litteraturstudie Etanol från ved Etanol tillverkas genom jäsning av socker eller stärkelse. Ved består av cellulosa, hemicellulosa och lignin. Hemicellulosa kan brytas ner till jäsbart socker, men inte all cellulosa och inte ligninet. Ett typiskt skogsavfall består av 40 vikt-% TS cellulosa, 25 vikt-% TS hemicellulosa och vikt-% TS lignin [2]. För att frigöra cellulosafibrerna behandlas veden mekaniskt och kemiskt med hjälp av syra eller SO 2 och ånga. Under hydrolyssteget som följer bryts hemicellulosa och cellulosa ner till socker med hjälp av enzymer eller syra i en vattenlösning. Före jäsningssteget filtreras vedens lignin som återstår kvar i lösningen som en fast rest. I jäsningssteget omvandlas det jäsbara sockret till etanol med hjälp av bagerijäst Hydrolysrest Hydrolysrest består framförallt av lignin. På grund av låg askhalt, låga halter av alkalimetaller, klor och svavel, samt något högre värmevärde än hos stamved, se Tabell 1, är hydrolysrest ett intressant material ur förbränningssynpunkt. I denna tabell är hydrolysresten framtagen med svagsyra-hydrolys. Hydrolysrest kan användas som bränsle i olika former, till exempel som pressad bränslekaka, torrt pulver eller pellets. Rosteldning av obehandlat lignin rekommenderas dock inte på grund av dess innehåll av stor andel finfraktion [3]. Tabell 1. Kemisk sammansättning och fysiska egenskaper av hydrolysrest (svagsyra-hydrolys) samt träpulver för jämförelse [4]. Hydrolysrest Träpulver Fukthalt, vikt-% 4,4 7,5 Askhalt, vikt-% TS <0,1 0,4 C, vikt-% TS 55,7 49,8 O, vikt-% TS 38,5 43,7 N, vikt-% TS <0,1 <0,1 H, vikt-% TS 5,8 6,2 S, vikt-% TS 0,03 0,01 Flyktiga ämnen, vikt-% TS 78,4 84,5 Cl, vikt-% TS 0,35 - K, vikt-% TS 0,002 0,2 Na, vikt-% TS 0,004 0,01 Värmevärde kalorimetrisk, MJ (kg TS) -1 22,8 19,3 Värmevärde effektiv, MJ kg -1 20,5 17,7 Temp av begynnande smältning, ºC 1120 Mjukningstemp, ºC 1150 Hemisfärisk temp, ºC 1200 Flyt temp, ºC 1270

9 5 Temperatur av begynnande smältning för askor från två olika ligninrest var ~1000ºC (Tabell 2) [5]. Anledningen till lägre asksmältningstemperaturer hos ligninrest 1 är höger alkaliinnehåll i resten. Tabell 2. Asksmältningstemperaturer för två ligninrest, i ºC [5]. Lignin 1 Lignin 2 Begynnande smältning Mjukningstemperatur Hemisfärisk temperatur Flyt temperatur Förbränning av hydrolysrest Förbränning av hydrolysrestpulver i pulverbrännare Eriksson med medarbetare [4] undersökte förbränning av hydrolysrest från hydrolys av sågspån med svavelsyra. Försöket genomfördes i en 150 kw biobränslepanna med VTS pulverbrännare. Bränslet matades till brännaren med skruv. Under försöket var emissionerna relativ låga, se Tabell 3, med emission av kolväten < 1 ppm. Matning av hydrolysrestpulver in i brännaren var relativ stabil men de små ostadigheterna i bränsleflödet orsakade ändå variation av CO-emissioner både under försöket med hydrolysrest och referensförsöket med träpulver. Temperaturerna i panna var relativt stabila. Det var 27 vikt- % TS av oförbränt i aska och förbränningen ansågs vara rimligen fullständigt. Den högsta uppmätta temperaturen i pannan var 1332ºC vilket är 480ºC lägre än adiabatisk förbränningstemperatur. Tabell 3. Emissioner (medel ± standardavvikelse) från förbränning av hydrolysrest och träpulver i 150 kw pulverbrännare [4]. Hydrolysrest Träpulver O 2, % 4,6±0,14 4,8±0,14 CO 2, % 15±0,2 16±0,2 CO, ppm 22±34 73±35 NO x, ppm 140±5 131±2 SO 2, ppm 22±0,7 <0,2 CO, mg MJ NO x, mg MJ SO 2, mg MJ <0,01 Partiklar, mg (Nm 3 ) -1 och 6 % O Förbränning av hydrolysrest integrerad i anläggning för etanolproduktion NREL (National Renewable Energy Laboratory) [6] genomförde en studie av en anläggning för etanolproduktion med integrerad förbränningsanläggning för hydrolysrester. Bränslet var en blandning av (1) lignin, (2) metan från anaerobisk behandling av processvatten och (3) små mängder slam från aerobisk behandling av processvatten. Efter en torktumlare som använder rökgaser för torkning, skickades bränsle till brännaren och pannan. Förbränningen genomfördes i cirkulerande fluidiserad bädd som visade sig vara flexibel för variationer i bränslematning och kvalitet. Mängden oförbränt var relativ låg eftersom

10 6 bäddmaterial recirkulerades till pannan efter cyklon. Jämfört med kol, var mängden aska mycket lägre och sand behövde tilläggas till bäddmaterialet. Nackdelar med processen var relativt högt energibehov för recirkulering och relativ hög erosion på grund av höga partikelhastigheter. 4.2 Bränsleanalyser Bränsleanalyser av lignin har genomförts för att bestämma kemisk sammansättning och partikelstorleksfördelning Elementar- och överslagsanalys Elementar- och överslagsanalys redovisas i Tabell 4. De fukthalter som finns angivna är den fukthalt som bränslet har haft vid leverans. Lignin-bränslena har sedan torkats innan matningsoch förbränningstester, dessa fukthalter finns redovisade i Tabell 5 och Tabell 6. Lignin-bränslen har en liknande sammansättning som trä. Trä har en något högre andel flyktigt material och lägre andel fast kol. Både halten av kväve och svavel är relativt sett mycket högre i lignin-material jämfört med trä. Kvävehalten i enzymatiskt lignin är 0,3 % och för svagsyralignin 0,2 % vilket kan jämföras med 0,1 % för trä. Svavelhalten ligger på 0,05 % för båda ligninen vilket är fem gånger högre än de 0,01 % som finns i träpulver. Askhalten i enzymatiskt lignin är på samma nivå som trä, 0,8 % respektive 0,6 %, svagsyralignin har en signifikant lägre askhalt med 0,09 %. Tabell 4. Elementar- och överslagsanalys på lignin och trä. Fukthalter gäller vid leveranstillstånd. Lignin Lignin Träpulver Enzymatisk Svagsyra Provdatum/märkning Analysdatum Laboratorie SLU/TPS SLU/TPS SLU/TPS Överslagsanalys Fukt leveranstillstånd % vikt 55,5 48,6 5,1 Flyktigt material TS % vikt 71,6 79,9 84,2 Aska TS % vikt 0,8 0,09 0,6 Fast kol TS (ber.) % vikt 27,6 20,0 15,2 Svavel TS % vikt 0,05 0,05 0,01 Svavel maf % vikt 0,050 0,050 0,010 HHV MJ/kg TS 22,8 22,3 20,3 LHV MJ/kg TS 21,5 21,0 19,0 LHV MJ/kg tot 8,2 9,6 17,9 Elementaranalys Kol TS % vikt 56,2 54,8 50,6 Väte TS % vikt 6 6,1 6,2 Kväve TS % vikt 0,3 0,2 0,1 Syre TS (ber diff) % vikt 36,7 38,8 42,5 Klor TS % vikt 0,11 <0,01 <0,01 Kol maf % vikt 56,65 54,85 50,91 Väte maf % vikt 6,05 6,11 6,24 Kväve maf % vikt 0,30 0,20 0,10 Syre maf (ber diff) % vikt 37,00 38,84 42,76 Klor maf % vikt 0,

11 7 Tabell 5. Fukthalter efter lufttorkning vid TPS innan matningstester. Lignin Lignin Träpulver Enzymatisk Svagsyra Provdatum/märkning Analysdatum Laboratorie TPS TPS TPS Proximate analysis Fukt leveranstillstånd % vikt 3,8 3,6 6,4 Tabell 6. Fukthalter efter lufttorkning vid IVD innan förbränningstester. Lignin Lignin Träpulver Enzymatisk Svagsyra Provdatum/märkning Analysdatum Laboratorie IVD IVD IVD Fukt leveranstillstånd % vikt 24,9 7,7 6, Askanalys Askanalys har gjorts med hjälp av XRF-analysator som använder röntgenflourecence för att bestämma halten av grundämnen i materialet. Resultaten visas i Tabell 7. Askanalys på enzymatiskt lignin är gjort på inaskat material, d.v.s. det ursprungliga bränslet har först upphettats till 550 C för att bränna ut alla brännbara komponenter. Den kvarvarande askan har sedan analyserats. I de två andra fallen, svagsyra-lignin och träpulver, har analys gjorts på ursprungligt bränsle som ej inaskats. Det är en metod som man använder vid låga askhalter som kräver inaskning av stora bränslemängder för att få fram tillräcklig mängd aska. Enzymatiskt framställt lignin analys på inaskat prov Det enzymatiskt framställda ligninet förelåg som ett askprov som vi analyserade med XRF. Det syns direkt att askan domineras helt av Na. Detta är tillsatt i själva processen, sannolikt som NaOH. Andra framträdande askkomponenter är Ca, K, S och tyvärr även Cl. Mineralbildarna Al, Si och Ti föreligger endast i försumbara halter, de kan knappt påverka askans egenskaper. Det blir tydligt att summan över alla oxider (+ Cl) ligger långt under 100 %, här har vi det omvända problemet jämfört med det andra lignin-provet. Förklaringen kan dock vara enkel: det starkt alkaliska provet fångar förmodligen in stora mängder av det CO 2 som bildas under inaskningen och binder det som karbonat. Detta karbonat kan inte påvisas med XRF, men kan stå för det mesta av mellanskillnaden mellan oxidernas + klorets samlade vikt-% och 100 %. Askan består nog främst av klorid, sulfat och (sannolikt) karbonat av Na, Ca och K samt eventuellt även Mg. Dessa saltblandningar tenderar mot låga smältpunkter och kan därför vara korrosiva i kontakt med stål eller andra metalliska konstruktionsmaterial när den lokala temperaturen överstiger temperaturen där saltsmältor börjar bildas. Halterna av Na finns i sådana mängder att det räcker till för att binda allt klor (NaCl), allt svavel (Na 2 SO 4 ) där överskottet sedan kan reagera med CO 2 i rökgaserna och bilda Na 2 CO 3. Speciellt

12 8 NaCl kan som nämnts ställa till med stora problem då det bidrar till saltblandningar med låg smältpunkt, vilka har en benägenhet att belägga värmeöverföringsytor och är korrosivt. Lignin svagsyra analys på bränsleprov Det lignin som framställts med sur hydrolys hade vi som bränsleprov. Här analyserade vi fukthalt, askhalt och sammansättning av bränsle (utan inaskning!) med XRF. XRF-mätningar direkt på bränslen med låg askhalt är problematiska. Flera viktiga askbildande komponenter (Na, Mg, P, Al, ibland även K) hamnar ofta under detektionsgränsen. Det vore därför fördelaktigt att genomföra XRF-mätningen efter inaskning. Men även här sätter den låga askhalten gränser. För att erhålla de 4 g som behövs för att pressa en standardtablett måste mycket stora bränsleprover inaskas, vilket oftast överstiger kapaciteten för våra labbugnar. Så har fallet varit här. För ligninet av typ svagsyra uppmättes fukthalten (i leveransform) till drygt 48 vikt-% och askhalten till ca. 0,09 % (medelvärde från 7 analyser 0,0925 %). Summan av de analyserade askkomponenterna som gav sifferresultat ligger dock i samma material redan på den dubbla nivån, och detta innan askkomponenterna ens räknats om till de oxidiska bindningsformer i vilka de flesta troligen föreligger. Vi har ingen rimlig förklaring för detta glapp mellan askhalt och uppmätta mängder av askbildande komponenter. Analyserna med XRF utfördes direkt på finmalt bränsle som pressats till en tablett. Tabletten mättes tre gånger för att säkerställa att resultatet är reproducerbart. I samtliga mätningar erhölls analysvärden som efter summering överstiger vad som uppmätts som bränslets askhalt. Och även denna hade bestämts på ett flertal prov. I detta lignin-prov kunde skillnaden mellan den påvisade askhalten och uppmätta askbildande komponenter inte bortförklaras, varken med flyktiga komponenter eller med mätfel (många mätningar genomförda). En delförklaring kan vara att S och Cl inte binds i askan ifall de alkaliska metalloxiderna redan föreligger bundna som t.ex. silikater eller aluminosilikater. Men även då blir summan av de andra beståndsdelarna (t.o.m. när alla under detektionsgränsen sätts till noll) större än askhalten. I Bilaga 1 sammanfattas mätresultaten från repeterade XRF-analyser av svagsyra-lignin. Ämnen redovisas både som uppmätta grundämnen och omräkningen till oxider (utom för Cl). Summavärdena sattes sedan i förhållande till askhalten, både för grundämnen och oxider. Raderna undergräns och övergräns betecknar skillnaden som erhålls när man sätter komponenterna med värden under detektionsgränsen till antingen noll eller maximal halt (= detektionsgräns). Samtliga kvoter där summavärdena delats med uppmätt askhalt ligger signifikant och oförklarligt högre än 1. Vad som kan sägas i övrigt beror på vad man antar om ämnena under detektionsgränsen. För att lättare se andelsförhållanden i askan har oxiderna (och Cl) räknats om och redovisats i Tabell 7 i två olika kolumner: Kolumn 1: halter för alla under detektionsgränsen = 0 % min Kolumn 2: halter för alla under detektionsgränsen = respektive detektionsgräns max Summan för medelvärdet har sedan satts till 100 % och respektive procentandelar räknats fram. I tabellen redovisas variationer som min och max i de två kolumnerna. För Ti och Cl resulterar låga halter (< 1 %) även om de skulle ligga på eller nära detektionsgränsen. Märkligt nog gäller det även K, vars oxid hamnar kring maximalt 1,2 vikt-%. Oxiderna av P och framförallt Na kan däremot i värsta fall uppgå till dryga 3 % (P 2 O 5 ) eller dryga 5 % (Na 2 O). Analysen säger m.a.o. inte om bränslet innehåller mera Na eller mera K,

13 9 båda fall är möjliga. Na 2 O kan förekomma nästan inte alls, men även i sämsta fall i samma storleksordning som CaO. Antar man att alla komponenter med halter under detektionsgränsen förekommer i mycket låga halter (nära 0) kan man tolka resten av askan att i huvudsak bestå av Ca-aluminosilikater med lite inblandning av K (som aluminosilikat?), Mg, Fe och Mn (förmodligen oxider). Denna blandning skulle då vara av övervägande högsmältande karaktär. Den höga halt svavel (redovisad som oxid i tabellen) som påvisats i bränslet skulle då inte bindas i askan eftersom de avreagerade lättmetalloxiderna inte kan ta upp några saltbildare. Men allt detta kan inte sägas med säkerhet. Om Na istället i halten skulle ligga nära den redovisade övergränsen blir bilden en helt annan. Klarhet kan bara uppnås om inaskat material uppmäts med XRF vilket kräver inaskning av mycket stora bränslemängder eller om bränslet analyseras med andra kompletterande mätmetoder. Sammanfattningsvis kan man säga att svagsyra-lignin kan potentiellt innehålla askämnen som kan bilda lågtemperatursmältande föreningar, t.ex. NaCl. Mängderna är dock avsevärt mindre än i det enzymatiska ligninet. Den avsevärt mindre askhalten i svagsyra-ligninet gör också att den totala mängden blir mindre med mindre risk för beläggnings- och korrosionsproblem. Tabell 7. Askanalys. Lignin Lignin Träpulver Enzymatisk Svagsyra Provdatum/märkning Analysdatum Laboratorie SLU/TPS SLU/TPS SLU/TPS Askanalys Min Max SiO2 % vikt 1, ,7 Al2O3 % vikt 0, ,83 CaO % vikt 4,7 5,3 6,6 39,7 Fe2O3 % vikt 1,19 1,2 1,7 2,35 K2O % vikt 1,8 0 1,2 13,9 MgO % vikt 0, ,03 MnO2 % vikt 0,52 0,44 0,54 4,44 Na2O % vikt 31,4 0 5 <3,37 P2O5 % vikt 0, <1,91 TiO2 % vikt 0,00 0 0,9 <0,56 SO3 % vikt 10, Cl* % vikt 5,34 0 0,8 Summa oxider % vikt 58,5 76,9 125,7 <112,9 LOI (loss of ignition) % vikt Spårämnen i torrt bränsle As ppm vikt <0,01 <0,2 <0,2 Ba ppm vikt Cd ppm vikt 0,025 0,700 0,8 Co ppm vikt <0,06 <0,6 <0,7 Cr ppm vikt 10,84 <2,9 4,9 Cu ppm vikt 1,71 4,30 6,0 Hg ppm vikt 0,02 <0,4 <0,4 Mo ppm vikt 3,15 1,90 <0,4 Ni ppm vikt 2,67 0,80 1,0 Pb ppm vikt 0,28 1,10 1,3 Se ppm vikt 0 0 0,5 Sn ppm vikt 0,05 <0,5 <0,5 Sr ppm vikt 0,3 0,5 1,5 V ppm vikt 0,7 <15 <15 Zn ppm vikt 7,9 8,3 26,8 * ingen omräkning till oxid

14 Partikelstorleksfördelning Ligninet är som grundmaterial ett väldigt fint pulver som påminner om torv- eller kolpulver. Det lignin som levererats har innehållit en del klumpar som antagligen bildats pga hög fukthalt. Klumparna var relativt hårda och kunde inte brytas sönder manuellt. I Figur 7, Figur 8 och Figur 9 visas bilder på de två lignin-typerna. Konsistensen är ganska lika om man håller bränslet i handen, lignin från den enzymatiska processen är dock klart mörkare än ligninet från svagsyraprocessen. De två lignin-typerna och träpulver skaksiktades för att bestämma partikelstorleksfördelningen. Lignin-bränslena kördes först genom en labkvarn för att mala ned de hårda klumparna. Resultaten från siktanalys visas i Figur 10 och Figur 11 där viktandelen i respektive storleksintervall visas och även den ackumulerade partikelstorleksfördelningen. Från de två diagrammen kan man konstatera att träpulver innehåller de grövsta partiklarna där huvuddelen av partikelmassan ligger mellan 400 och 800 µm. Lignin från enzymatisk process har en relativt hög andel partiklar i området runt 400 µm. I detta storleksområde har också lignin från svagsyra en topp. För båda ligninen gäller också att de inte har en fördelning som minskar till noll för mindre storlekar. De har istället en relativt stor andel av partiklarna i de två lägsta intervallen. Detta är också tydligt i den ackumulerade storleksfördelningskurvan i Figur 11. Om man tittar på hur stor andel av partiklarna som är mindre än 125 µm är det ca 11 % för träpulver, 42 % för enzymatiskt lignin och 63 % för svagsyra-lignin. Eftersom andelen fint material har betydelse för antändningsförloppet är dessa siffror viktiga. En tumregel för träpulver brukar vara att mer än 10 % av partikelmassan skall vara mindre än 100 µm för att åstadkomma bra antändning. För det träpulver som analyserats här är alltså andelen fint material på gränsen till att vara för lite. För de båda lignin-typerna är andelen fint material väl över rekommenderad mängd. Figur 7. Bild på de typer av lignin som testats, det ljusare till vänster är lignin från svagsyraprocess, det mörkare till höger från enzymatisk process.

15 11 Figur 8. Närbild på lignin från svagsyraprocess. Figur 9. Närbild på lignin från enzymatisk process. 30,0 25,0 Andel, vikt-% 20,0 15,0 10,0 Trä Svagsyra Enzymatisk 5,0 0,0 0,00 200,00 400,00 600,00 800, , , ,00 Medelpartikelstorlek (µm) Figur 10. Siktkurva för träpulver, svagsyra-lignin och enzymatiskt lignin.

16 12 120,00 Andel mindre än (vikt-%) 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 Trä Svagsyra Enzymatisk 0, Partikelstorlek (µm) Figur 11. Ackumulerad partikelstorleksfördelning. 4.3 Bulkdensitet Bulkdensiteten för de testade bränslen var: Träpulver 193 kg/m 3 med fukthalt 6,4 % Enzymatiskt lignin 422 kg/m 3 med fukthalt 3,8 % Svagsyra-lignin 449 kg/m 3 med fukthalt 3,6 % 4.4 Matningstester Eftersom lignin-bränslet vid leverans hade fukthalter över 45 % var det nödvändigt att torka det för att kunna mata det som ett pulver. Bränslet lades ut för lufttorkning på presenning, se Figur 7. Efter ca två veckor hade fukthalten sjunkit till ca 4 %. Bränslet maldes i en labkvarn för att mala ned de klumpar som hade bildats. Matningstesterna genomfördes genom att fylla hela bränslebehållaren för att få en bränslepelare över skruvbordet i botten på bränslebehållaren. Bränslets matades sedan med skruvarna till ett bränslestup där det ramlade ned i bränslestupet till ejektorn där det blåstes in i bränsletransportröret. Resultatet från matningstesterna visar att båda ligninbränslena (med fukthalt ca 4 %) hade utmärkta matningsegenskaper utan tendenser till att hänga sig i vare sig bränslebehållare eller bränslestup.

17 Förbränningstester Bränslenas förbränningsegenskaper testades under pulvereldningsbetingelse i en falltubsugn som beskrivits i kapitel 3. Gastemperatur och gassammansättning analyserade i olika positioner längs med reaktorns centrumlinje med en sond som stacks in i reaktorns utlopp och som sedan traverserades. Den uppvärmda reaktorn hade en konstant väggtemperatur på ca 1300 C. Bränsleflödet i försöken har varit ca 1 kg/h och luftfaktorn har varit 1,15 1,17. Mätning av gassammansättning, gastemperatur och stoftprovtagning har gjorts vid olika tillfällen Gastemperatur Gastemperatur mättes med sugpyrometer. I Figur 12 visas den uppmätta temperaturen vid olika avstånd från brännaren för de tre testade bränsletyperna. Man kan se en tydlig skillnad i gastemperatur nära brännaren. Vid förbränning med träpulver ligger temperaturen inledningsvis ca 100 C högre än vid förbränning med lignin. Man kan också se att maxtemperaturen för träpulver uppnås tidigare än för lignin, vid 0,2-0,3 m från brännare för träpulver jämfört med ca 0,5 m från brännare vid förbränning av båda lignintyperna. Lignin från svagsyra-process ger nära brännaren en något högre temperatur jämfört med enzymatiskt lignin vilket mest troligt beror på att svagsyra-ligninet var torrare i dessa tester. Efter ca 1 m har skillnaden i temperatur i princip försvunnit och gastemperaturen sjunker därifrån från ca 1200 C till ca 1000 C i utloppet ca 2,5 m från brännaren. I utloppet är temperaturen vid förbränning av träpulver något lägre, ca 50 C, jämfört med de två ligninbränslena. Den termiska effekten (bränsleflödet) kan skilja sig en aning mellan försöken med olika bränslen. Det betyder att de absoluta temperaturerna kan skilja sig pga. av skillnader i bränsleeffekt istället för skillnader i förbränningsegenskaper. För att se hur temperaturprofilen ser ut utan påverkan av bränsleffekt kan en relativ temperaturprofil visas där den absoluta temperaturen har dividerats med den maximalt uppmätta temperaturen. Detta visas i Figur 13. I denna figur kan man se att värdet 1 (=maxtemperatur) uppnås vid 0,3 m för träpulver och 0,5 m för båda ligninen. Torkning, avgasning och gasförbränning sker alltså snabbare för detta träpulver jämfört med lignin. Man kan också se att den relativa temperaturen sjunker på ungefär samma sätt för alla bränslen efter det att maxtemperaturen har nåtts. Detta indikerar att char (koks) förbränningen sker ungefär lika snabbt för de tre bränslena. Den uppehållstid som de olika avstånden från brännaren motsvarar visas i Figur 14. Uppehållstiden är beräknad som rökgasflöde genom tvärsnittsarea vilket ger en ungefärlig medelgashastighet. Medelgashastigheten var ca 0,30 m/s för alla tre bränslen. I Figur 14 kan man se att för träpulver, som hade maxtemperatur redan mellan position 0,2 och 0,3 m från brännare, motsvarar det en maxtemperatur efter ca 1 sekund. De två ligninen hade sin maxtemperatur vid 0,5 m från brännare vilket innebär maxtemperatur efter ca 1,7 sekunder. Tidigare försök med träpulver i TPS falltubsugn, som inte är uppvärmd, gav en maxtemperatur efter ca 1,8 s [7]. Skillnaden kan förklaras med att TPS falltubsugn antagligen var kallare i den övre delen som ej var uppvärmd vilket fördröjer antändningen en aning.

18 Gastemperatur ( C) Trä Svagsyra Enzymatisk ,5 1 1,5 2 2,5 3 Avstånd från brännare (m) Figur 12. Uppmätt gastemperatur vid olika avstånd från brännare. Gastemperatur relativt maxtemp. ( C) 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 Trä Svagsyra Enzymatisk 0,7 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Avstånd från brännare (m) Figur 13. Uppmätt gastemperatur relativ maxtemperatur vid olika avstånd från brännare.

19 Uppehållstid (s) ,5 1 1,5 2 2,5 3 Avstånd från brännare (m) Figur 14. Rökgasernas medeluppehållstid som funktion av avstånd från brännare Gassammansättning Gasprovtagning gjordes med en oljekyld sond som traverserades längs med reaktorns centrumlinje på ungefär samma sätt som vid gastemperaturmätning. Gasen analyserades med avseende på halten O 2, CO 2, CO och NO. Resultaten visas i Figur 15, Figur 16, Figur 17 och Figur 18. O 2 -halten längs reaktorn visas i Figur 15. Nära brännaren, vid ca 0,3 m, är O 2 -halten ca 10 % vid förbränning av träpulver och enzymatiskt lignin vilket är signifikant högre än vid förbränning av svagsyra-lignin som gav en O 2 -halt på ca 7 %. Vid längre avstånd från brännaren kan man se att syrehalten för båda lignin-typerna ligger på ungefär samma nivå. O 2 -halten för träpulver sjunker sakta och når samma nivå som lignin-bränslen vid ca 1,5 m från brännaren. Vid utloppet är syrehalten ca 3 % för alla bränslen vilket är den syrehalt man uppnår vid fullständig förbränning av dessa bränslen med luftfaktor 1,15 1,17. Liknande observation (fast omvänd storleksordning) kan man göra när man tittar på uppmätt CO 2 -profil som visas i Figur 16. Där ger träpulverförbränning en låg CO 2 -halt, ca 9 %, nära brännaren vilket sedan stiger och når samma nivåer som för lignin-bränslen vid ca 1,5 m från brännaren. Förbränning av enzymatiskt lignin ger från början ca 11,5% CO 2, svagsyra-lignin ger i samma position ca 13 %. På ett avstånd av ca 0,7 m från brännare och nedströms, ligger CO 2 - halten från båda lignin-typerna på liknande nivå och efter 1 1,5 m från brännare ligger CO 2 - halten på liknande nivå för alla bränslen. I utloppet är CO 2 -halten i intervallet 17-18%. CO 2 - halten i utloppet är något högre för träpulver än för de två ligninen vilket beror på att trä innehåller mer syre vilket leder till lägre luftbehov och lägre andel luftkväve som späder ut rökgaserna. Uppmätt halt av CO visas i Figur 17 där skalan på y-axeln är logaritmerad. Nära brännare kan man se att förbränning av träpulver ger en signifikant högre CO-emission vilket ligger på ca 7000 ppm jämfört med ppm för de båda ligninbränslena. Den skillnaden har i princip utjämnats vid nästa mätpunkt vid ca 0,7 m från brännare. Från 0,7 m och nedströms

20 16 sjunker CO-halten något för alla bränslen från ca ppm till ppm i utloppet. CO-profilen är liknande i alla fallen. En viss nivåskillnad finns där enzymatiskt lignin visar en högre CO-halt än de andra två bränslena, förbränning av svagsyra-lignin gav de lägsta COhalterna och träpulver låg ungefär mitt emellan. Figur 18 visar uppmätt NO-profil för de testade bränslena. För samtliga bränsletyper kan man se att bildningen av NO går relativt snabbt och redan vid ca 0,7 m från brännaren nås den nivå som sedan är mer eller mindre konstant. I den position som uppmätts närmast brännaren vid 0,3 m är halten NO ca 100 ppm vid förbränning av trä, ca 150 ppm för svagsyra-lignin och ca 350 ppm för enzymatiskt lignin. Vid position 0,7 m har nivåerna stigit till ca 200 ppm för både trä och svagsyra lignin och till ca 550 ppm för enzymatiskt lignin. Sedan ligger NO-halten på ungefär dessa nivåer ända till utloppet. Om man antar att allt bränsle-kväve blir NO kan man räkna ut en teoretisk max-nivå. I dessa tester kan man beräkna NOmax till 293 ppm för träpulver, 534 ppm för svagsyra-lignin och slutligen 776 ppm för enzymatiskt lignin, alla värden gäller i torra rökgaser. I Figur 19 visas motsvarande NOx-emissioner i mg/mj. Träpulver och svagsyra-lignin har i utloppet halter på ca 125 mg/mj och enzymatiskt lignin ca 250 mg/mj Trä Svagsyra Enzymatisk O2 (vol-%) ,5 1 1,5 2 2,5 3 Avstånd från brännare (m) Figur 15. Uppmätt syrehalt vid olika avstånd från brännare.

21 CO2 (vol-%) Trä Svagsyra Enzymatisk ,5 1 1,5 2 2,5 3 Avstånd från brännare (m) Figur 16. Uppmätt halt CO 2 vid olika avstånd från brännare Trä Svagsyra 1000 Enzymatisk CO (ppm) ,5 1 1,5 2 2,5 3 Avstånd från brännare (m) Figur 17. Uppmätt halt CO vid olika avstånd från brännare.

22 NO (ppm) Trä Svagsyra Enzymatisk ,5 1 1,5 2 2,5 3 Avstånd från brännare (m) Figur 18. Uppmätt halt NO vid olika avstånd från brännare NOx (mg/mj) Trä Svagsyra Enzymatisk ,5 1 1,5 2 2,5 3 Avstånd från brännare (m) Figur 19. NOx-emissioner (beräknad som NO 2 ) vid olika avstånd från brännare.

23 Fallstudie pulvereldat värmeverk De förbränningstester som gjorts indikerar att båda ligninbränslena skulle kunna eldas i en fribrinnande pulverbrännare, antingen inblandat i ordinarie bränsle eller som enda bränsle. Hur stor andel av dessa bränslen man skall elda beror bland annat på pris, hur stora mängder av detta bränsle som finns tillgängligt och hur säkra leveranserna är. Om lignin-bränslet eldas som enda bränsle kan mest troligt det ordinarie matningssystemet användas. Vid sameldning mellan träpulver och lignin är det inte lämpligt att hantera båda bränslena i samma system till och med dosersilo. Detta beror på att dessa bränslen har en partikelstorleksfördelning som skiljer sig relativt mycket från träpulver och att bränsleblandningarna antagligen kommer att skikta sig i matningsskruvar och silos. Detta får sedan troligtvis till följd att den bränsleblandning som matas till brännaren kommer att ha en oregelbunden kvalitet vad gäller partikelstorleksfördelning och kemiskt innehåll t.ex. värmevärde. Vid samförbränning kan man undvika detta genom att ha en separat matning för lignin-bränslet till en punkt där det ordinarie träpulvret doseras in i transportledningen. Man kan tänka sig att lignin-bränslet doseras in i samma bränslestup som träpulvret doseras in i. Reglermässigt kan man låta ligninet matas med konstant bränsleflöde och sedan låta kontrollsystemet reglera träpulverflödet för att hålla en viss O 2 -halt i rökgaserna. När det gäller hantering av ligninpulver finns det också frågetecken till risk för dammexplosioner i och med att det är ett väldigt fint pulver. Riskerna kan antas vara likvärdiga de som finns vid hantering av t.ex. torvpulver och kolpulver med hög flykthalt. Dessa bränslen är å andra sidan ofta i form av briketter och större bitar vilket pulveriseras först i matningsutrustning medan ligninpulver till största delen är i form av ett fint pulver från början. Hur stora riskerna med hantering av ligninpulver är har inte utretts i detta arbete men bör beaktas om det blir aktuellt att elda detta bränsle. I dessa mätningar har det inte gått att se några signifikanta skillnader i CO-emissioner mellan de tre bränslena. Det har heller inte gått att se några större skillnader i NOx-utsläpp i försök med träpulver och svagsyra-lignin. Däremot har enzymatiskt lignin visat sig medföra ökade NOxutsläpp med en faktor 2 jämfört med träpulver, vilket innebär en fördubblad driftkostnad med avseende på NOx-avgifter. Om man räknar på kostnader för NOx-utsläpp så kan man använda sig av Figur 19 där halterna är angivna i mg/mj. Utsläpp av 1 mg/mj NOx motsvarar en kostnad på 144 kr/gwh. För fallet med svagsyra-lignin, som visar på NOx-emissioner på samma nivå som för träpulver (125 mg/mj), innebär detta bränsle alltså ingen kostnadsökning med avseende på NOx-avgifter. I fallet med enzymatiskt lignin är NOx-emissionerna ca 125 mg/mj högre vilket innebär en kostnadsökning på ca kr/gwh. Om man som exempel räknar på en 80 MW anläggning med 4500 ekvivalenta fullasttimmar, blir årsproduktionen 240 GWh, vilket i sin tur ger en årlig ökad kostnad för NOx-avgift på ca 4,3 miljoner SEK om man använder det enzymatiska ligninet. Till detta tillkommer kostnader för ev. ombyggnad av bränslematningssystem och ökade driftskostnader vilket gäller för båda lignin-bränslena. Dessa kostnader är anläggningsspecifika och svåra att uppskatta. Mätningarna visar också att lignin-bränslena avgasas och reagerar snabbare än träpulver. Ur förbränningssynpunkt är det en fördel med snabbare antändning vilket som regel leder till förbättrad utbränning och lägre emissioner av oförbränt. Detta kan också ha den positiva effekten att man skulle kunna elda brännaren vid lägre luftöverskott vilket i första hand leder till en högre anläggningsverkningsgrad. Lägre luftöverskott kan också leda till minskade NOxemissioner. Skillnaderna i antändning kan betyda att man måste göra vissa justeringar av luftfördelning i brännare.

24 20 5 Diskussion Från de förbränningstester som har gjorts i detta arbete, och av andra, kan man dra slutsatsen att båda typerna av lignin-bränslen kan eldas i fribrinnande pulverbrännare. Som man kan se av gasanalysmätningarna, se Figur 15 och Figur 16, verkar träpulver reagera lite långsammare än båda lignin-bränslen i och med att syrehalten är högre och CO 2 -halten är lägre nära brännare jämfört med lignin-bränslen. Det bränsle som reagerar snabbast är svagsyra-lignin och enzymatiskt lignin ligger någonstans mittemellan. Dessa skillnader kan enklast förklaras om man tittar på skillnader i partikelstorleksfördelning i Figur 10 och Figur 11. Där kan man se att träpulver har det grövsta materialet, följt av enzymatiskt lignin och där svagsyra-lignin har de minsta partiklarna. Grövre partiklar innebär att det krävs längre tid för upphettning och avgasning och sedan förbränning av gasen, vilket Figur 15 och Figur 16 också visar. Skillnad i reaktionstid mellan de två ligninen kan också förklaras med skillnader i fukthalt. Som visas i Tabell 6 hade enzymatiskt lignin en fukthalt på 24,9% vid förbränningsförsöken jämfört med 7,7 för svagsyra-lignin. Denna skillnad kommer också att bidra till att förbränning av enzymatiskt lignin går långsammare vilket överensstämmer med vad Figur 15 och Figur 16 visar. Temperaturmätningar i Figur 12 och Figur 13 visar också att temperaturen nära brännare är lägre för det enzymatiska ligninet än svagsyra-lignin, troligtvis pga av högre energiåtgång för att förånga den högre vattenmängden. Resultaten från temperaturmätningar ger en något annorlunda bild av förbränningen i och med att förbränning av träpulver ger de högsta temperaturerna nära brännaren. Det skulle kunna indikera att träpulvret torkar, avgasas och förbränns snabbare än de två ligninen. Temperaturmätningar är dock påverkade av mätförhållanden som gör att man inte kan dra alltför långtgående slutsatser från dem. Temperaturen har mätts med sugpyrometer som kräver ett relativt stort gasflöde för att uppnå erforderliga gashastigheter i mätpunkten. Det gasflödet har varit i storleksordningen 2,5 Nm 3 /h vilket skall jämföras med det totala rökgasflödet i reaktorn på ca 6 Nm 3 /h. När det gasflödet har sugits ut har det mest troligt inneburit att luft har sugits in i reaktor utifrån, antingen genom springor i mätuttagen eller från utloppet, längs med den sond där sugpyrometern sitter. Dessa fenomen kan förklara varför gastemperaturen dels är lägre än temperaturen på den uppvärmda väggen, dels varför den sjunker längs med reaktorn där man normalt inte skall ha några värmeförluster eller endoterma reaktioner. Då positionen där sugpyrometer suger ut gas kommer närmare utloppet, får troligtvis luften som kommer från utloppet kortare tid för uppvärmning vilket gör att den uppmätta temperaturen sjunker. Som jämförelse är de adiabatiska förbränningstemperaturerna vid en luftfaktor på 1,15 för träpulver ca 1820 C; för svagsyra-lignin ca 1840 C och enzymatiskt lignin ca 1720 C. Med tanke på dessa mätförhållanden kan man alltså inte säga så mycket om de absoluta värdena på temperatur, man kan däremot använda dem för att jämföra resultat mellan de olika bränsletyperna. I och med att temperaturmätningarna troligtvis ha påverkats mest i närheten av utloppet, kan man anta att mätningarna närmast brännaren är mest tillförlitliga. Mätningar av gassammansättning är inte påverkade av dessa fel då dessa gjordes separat utan sugpyrometer. Om man då antar att skillnader i uppmätt temperatur mellan träpulver och lignin nära brännaren är verkliga, uppstår frågan varför temperaturen är högre för träpulver än för lignin, vilket indikerar en intensivare förbränning för träpulver, samtidigt som gasanalysen för träpulver innehåller mer O 2 och mindre CO 2, vilket å andra sidan indikerar en långsammare förbränning med mindre förbränningsprodukter. En förklaring kan vara att de temperaturskillnader man ser, inte beror på en högre energiavgivning (förbränning) utan istället på olika nivåer av avkylning. I och med att reaktorn är uppvärmd för att hålla en konstant temperatur på 1300 C, kommer luftbränsleblandningen till att börja med kyla omgivningen i och med att fukt skall förångas och bränslet skall förgasas. Det innebär att en högre fukthalt leder till lägre temperaturer. I och med att träpulver har lägre fukthalt kommer de inte att kyla lika mycket vilket resulterar i högre temperaturer. Om

25 21 dessutom avgasningen av bränslet inte går lika snabbt för träpulver som för lignin-bränslen, kommer det också troligtvis att bidra till högre temperaturer i och med att avgasningen kräver energi på samma sätt som vattenångan. Som tidigare nämnts indikerar gasanalysen av O 2 och CO 2 att träpulver reagerar långsammare än ligninen. Att en viss avgasning av träpulverbränslet ändå har skett nära brännaren kan man se på mätningar av CO, se Figur 17. I positionen närmast brännaren genererar träpulver mer än dubbelt så mycket CO som de två andra bränslena. Den skillnaden är svår att förklara eftersom CO snabbt borde reagera till CO 2 om det samtidigt finns O 2 närvarande. Det som eventuellt skulle kunna orsaka höga CO-halter i närvaro av O 2 är om oförbränt eller delvis förbränt trä belägger insidan av sonden där temperaturerna är så pass höga att lättflyktiga gaser avgasas från trämaterialet men temperaturerna inte är så höga att CO reagerar vidare till CO 2. Detta skulle också stämma överens med antagandet om långsammare reaktion och dålig utbränning nära brännaren för träpulvret, vilket gör att oförbränt material sugs in i sonden där det kan fastna på väggar. Längre ned i reaktorn är detta troligtvis inget problem och där visar också COmätningar inga signifikanta skillnader i CO-halt mellan de tre bränslena. Mätningar av NO, se Figur 18, visade att NO-emissioner låg på ungefär samma nivå för träpulver och svagsyra-lignin, i utloppet var emissionerna ppm. För enzymatiskt lignin låg nivån signifikant högre, ca 550 ppm i utloppet. Med tanke på analyserna skall det enzymatiska ligninet normalt visa en högre NO-halt. Det enzymatiska ligninet innehåller ca 0,3 % kväve jämfört med svagsyra-lignin på 0,2 % och trä med 0,1 %. Det är dock något förvånande att nivån på NO-emissioner för träpulver och svagsyra-lignin ligger så pass nära med tanke på skillnader i kväveinnehåll. Den mest troliga förklaringen är att bränsleanalyserna bara är gjorda med en siffras noggrannhet och det i praktiken kan vara så att halten kväve i trä och svagsyra-lignin är ungefär likadan. Andra förklaringar kan vara att förbränning av trä genererar en del termisk NO pga högre förbränningstemperaturer. Som temperaturmätningarna har visat är gastemperaturerna högre vid förbränning av trä, de visade visserligen på temperaturer under 1300 C vilket inte borde leda till bildning av termisk NO, men som också diskuterats kan de mätta temperaturerna möjligtvis vara lägre än verkliga temperaturer pga inläckage av kallare luft från omgivningen. Tidigare förbränningsförsök i TPS falltubsugn med träpulver har gett NO-emissioner på 150 ppm (vid 6 % O 2 ), dessa försök gjordes i en ugn som ej var uppvärmd och där bildningen av termisk NOx torde vara låg eller obefintlig. För de två lignin-bränslen som testats här har testerna visat att de båda har goda egenskaper beträffande matning, antändning och utbränning, i flera avseenden bättre än träpulver. De egenskaper som inte har testats här, men som kan bedömas erfarenhetsmässigt, är bränslenas askegenskaper. Båda ligninen innehåller askämnen som kan bilda lågtemperatursmältande föreningar med inbladning av NaCl. På grund av den låga askhalten i svagsyra har det varit svårt att klart bestämma halterna av de viktigaste askämnena för att kunna dra några avgörande slutsatser. I det värsta fallet kan svagsyra innehålla halter av dessa ämnen som kan ställa till med problem. Till svagsyra-ligninets fördel är dock dess låga askhalt vilket gör att koncentrationen av dessa ämnen kan bli så låga att problemen inte blir allvarliga. Detta är dock svårt att klargöra utan noggranna analyser och ev. påslagstester. För det enzymatiska ligninet har det dock gått att fastställa att det innehåller så stora mängder av natrium och klor att det mest troligt kommer att innebära driftproblem i form av beläggningar och korrosion. Det enzymatiska ligninet har också en askhalt i samma storleksordning som trä vilket gör att askkoncentrationen i rökgaserna blir betydande. Även här skulle t.ex. påslagstester kunna klargöra detta mer definitivt. Utan dessa tester är det ändå rimligt att dra slutsatsen att det innebär en stor risk för problem med beläggningar och korrosion om man eldar detta bränsle som enda bränsle. Dessa slutsatser gäller förstås de bränslen som testats här, den processen som används för framställning av det enzymatiska ligninet är i dagsläget under utveckling och det kanske är möjligt att förändra den för att förbättra bränslets askegenskaper med tanke på användning i förbränningsanläggningar.