Småskalig förbränningsteknik på kursen Förbränningsteknik 7.5 hp, Markus Broström ETPC/UmU

Transkript

1 Småskalig förbränningsteknik på kursen Förbränningsteknik 7.5 hp, Markus Broström ETPC/UmU 1

2 Ibb-Anna Rassa eldar jårbukdållå, ur boken Eld av Yngve Rask. 2

3 Akvarell av Kerstin Westin, Bagarstugan 3

4 Bild från 1920, inredningen förmodligen äldre. Västergötlands museum Järnspis tillverkad kring Något mer sentida installation. 4

5 Kök från Spiskåpa av senare datum. Västergötlands museum 5

6 Fokus på vedpannor De första vedpannorna (30 och 40-talet) var gamla kokspannor, d v s endast för glödförbränning av koks med upptag av strålningsvärme till omgivande kalla ytor! På 40-talet kom de första renodlade vedpannorna med särskild gasförbränning skild från eldstaden På 80-talet kom fläktstyrning, recirkulation och blålågetekniken effektiv och sotfri förbränning! Moderna pannor har fläktstyrning, omvänd förbränning (prim/sekzon), keramisk brännkammare, vissa med blålågeteknik och ett fåtal med lambdasond (syre sensor). Teknik med katalysatorer i rökgaserna har testats men utan genomslag i Sverige, dock vanligare på vedkaminer i Nordamerika. Skilj på gas- (kolväten+co) och glödförbränning (fast kol)! ~90% av energin är i form av gasförbränning! 6

7 Småskalig förbränning på villanivå (<50 kw) Vedeldade kaminer, spisar, kakelugnar dominerar i antal Vedpannor dominerar i energianvändning Pelletssystem (brännare, pannor och kaminer) dominerar i potential 7

8 Oljeeldning på väg bort Spannmålsanläggningar (brännare och pannor) svagt på gång med viss potential (osäkert) Fliseldning relativt liten andel men med potential 8

9 Pannor Värmesystem där värmen distribueras via en vattenkrets. Värmen från anläggningen (strålning, konvektion och värmeledning) sprids inte i lokalen eller blir förluster.?? Hur stämmer detta för vedpannor i villor?? Utgör en primär (huvudsaklig) värmekälla. Finns som renodlade för ett bränsle eller som kombipannor, samt i olika förbränningstekniska utformningar. Lokaleldstäder Eldstäder spridda i lokalerna. Värmen från anläggningen (strålning och konvektion) kommer lokalen till godo. Anses i tätbebyggda områden endast utgöra sekundär/kompletterande värmekälla (för s k trivseleldning ). 3 (eller 4) huvudtyper: 1. Öppen spis med eventuell insats 2. Tunga magasinerande system typ kakel- och täljstensugnar 3. Kaminer av mer eller mindre avancerad konstruktion (braskaminer, köksspisar m m ) (4.) Automatiserade pelletkaminer, som nuförtiden även finns med vattenmantling (-> panna eller kamin?) 9

10 Det finna ett antal olika indelningar av småskaliga värmesystem (fokus på biobränsleeldade): Pannor Lokaleldstäder Primär värmekälla Sekundär värmekälla Vedsystem Pelletssystem Manuellt matade Automatiskt matade Gamla (traditionella) Nya (moderna) Miljögodkända Icke miljögodkända...? 10

11 Småskalig vedeldning ca 12 TWh Energianvändning i Sverige 11

12 Energianvändning i Sverige Småskaliga system, teknik m m Approximately 1.4 milj residential biomass burning units are installed in Sweden (SCB, EN 16 SM 0601) However, only milj of those are in regular use, distributed as: (Todorović et al (2007), Rapport TPS m fl) Wood stoves (heavy; heat storing) 8% Pellets heating 7% Wood stoves (light; e g chimney stoves) 62% Wood log boilers 23% Old wood log boilers without acc.tank 15% Old wood log boilers with acc.tank 1% Modern wood log boilers (with acc.tank) 7% Wood chips: Used in houses (3-4%) Oil: oil boilers (pure oil systems or in combination with electricity/wood) 12

13 Energianvändning i Sverige Småskaliga system, teknik m m Vedpannor jmf med totala antalet sotade värmepannor Lokaleldstäder som sotas varje år jmf med totala antalet lokaleldstäder Endast 8% av vedpannorna i Lycksele har en ackumulatortank!! Rapport från Äfab

14 Varför ack.tank på pannan? Exempel med typisk vedpanna... Småskaliga system, teknik m m Typisk eldstadsvolym (vedmagasin) på 100 liter Riktvärdet 1.3 kwh (4.7 MJ) / liter ved 130 kwh per vedinlägg (beror på stapling!) Notera: Värmevärdet för lufttorkad ved (ca 20% fukt) är 14 MJ/kg Densitet för fast ved är ca 0.5 kg/liter 7 MJ/liter fast ved (att jämföra med 4.7 MJ/liter ved staplad i pannan) 130 kwh energi läggs in i pannan och om det förbränns på drygt 5 h motsvarar det alltså ca 25 kw! Vad är normalt effektbehov i en villa vintertid - medel och max..? 14

15 Småskaliga system, teknik m m 15

16 Småskaliga system, teknik m m förtydligande av faktorn! 16

17 Småskaliga system, teknik m m Fullständig förbränning kräver Temperatur, Tid och Turbulens! 17

18 Exempel från studie med förbränning av enskilda pellets i C med 10-21% O 2 (i N 2 ) Småskaliga system, teknik m m Torkning 1-5 s ca 6-10 vikt-% Pyrolys (och gasförbränning) s ca vikt-% Koksförbränning s ca vikt-% H 2 O(l) H 2 O (g) pyrolysgaser ----> kolväten+sot+co ----> CO 2 +H 2 O C(s) CO CO 2 Koksåterstod efter pyrolys 18

19 Småskaliga system, teknik m m Överförbränningsprincip Omvänd förbränning Äldre system Kombipannor Nyare system 19

20 Småskaliga system, teknik m m Höga utsläpp i start- och glödstadiet! 20

21 Småskaliga system, teknik m m Exempel på teknik i moderna vedpannor Sugfläkt som förhindrar framrykning vid vedpåfyllning och även ställer mindre krav på skorstensdrag. Helautomatisk styrning av pannan som stoppar fläkten när veden är slut. Förvärmd förbränningsluft. Rejält tilltagen påfyllningslucka. Tjock isolering (75 mm). Keramisk förbränningskammare. Vissa modeller har även: Blålågeteknik återföring av rökgaser (främst vattenångan är viktig) för mindre sotande flamma och mer lätta kolväten att förbränna Lambdasondsstyrning (dock kr dyrare) för en mer optimerat luft-bränsle förhållande i olika faser av en batch under vedeldningen 21

22 Småskaliga system, teknik m m 22

23 Småskaliga system, teknik m m Kakel-, tegel- och täljstensugnar Verkningsgrad: procent Rökgastemperatur: Mindre än 350 C Effekt: 2 kw 6,5 kw Vikt: 500 kg till flera ton Lämpligt för: Kontinuerlig uppvärmning Pris: kronor Tunga konstruktioner som ackumulerar värmen (upp till 3 h för att värmas upp och avge full effekt) Avger värme i många timmar efter avslutad eldning Långa rökgaskanaler, drivs utan rökgasfläkt men kan kompletteras med varmluftfläkt Bör eldas med rejäla vedinlägg och långa brinntider (ej småeldning), för bästa effektavgivning Det finns ett tiotal olika fabrikat med miljögodkända tunga eldstäder. 23

24 Småskaliga system, teknik m m Braskaminer (även täljstenskaminer, gjutjärnskaminer, m m) Braskaminer Verkningsgrad: procent Rökgastemperatur: < 350 till < 450 C Effekt: 3 12 kw Vikt: kg Lämplig för: Tilläggsvärme/kompletterande uppvärmning Pris: kronor Braskaminer av plåt är lätta och mycket effektiva spisar som snabbt ger ifrån sig värme till rummet. Drivs ofta med självdrag men har luftvärmeväxlare (fläkt) Luften tas i regel från rummet tänk på ventilationen! Teknikutveckling senaste 10 åren med bl a Clean burning teknik Finns i stort antal tekniska och designmässiga utformningar Ny teknik med omvänd förbränning! 24

25 Småskalig pelletseldning Pellets kan eldas i: Pelletsbrännare som dockas mot befintlig panna (helst ved eller kombi med stort förbränningsrum) Integrerade pelletspannor (Kompletta system, mycket automatik) Pelletskaminer (ska inte jämföras med vedkaminer) I vissa spannmålsbrännare Pelletskvalitet? Vilka parametrar är viktiga för att bra pelletsbränsle? 25

26 Småskalig pelletseldning 26

27 Småskalig pelletseldning 27

28 Småskalig pelletseldning 28

29 Småskalig pelletseldning 29

30 Prestanda - Tillgänglighet Varför bildas slagg (smältning/sintring) i utrustningen? Bränslet innehåller Askbildande element (Ca, K, Mg, Si, P,..S, Cl) + eventuellt kontaminerat material Bildar vid förbränningen olika oorganiska föreningar (gas- och kond. faser). Vissa föreningar uppehåller sig en stund i/omkring rostret Beroende på vilka föreningar som bildas och utrustningens beskaffenhet (temp, askföreningarnas uppehållstid i varma zonen) kan (problematisk) slagg uppstå. 30

31 PM emissions from residential heating systems - emission factors for domestic biomass heating systems Prestanda - Emissioner Present emission factors (mg/mj fuel ) used in Sweden for residential biomass appliances Old wood log boilers (no acc. tank, large fuel charge) Old wood log boilers (no acc. tank, adjusted fuel charge) Old wood log boilers (with acc. tank) Modern wood log boilers (with acc. tank) inorganic matter non carbonate carbon % Pellet appliances Wood stoves (light and heavy weight) PM emissions (mg/mj) Old wood log boilers (no acc. tank, large fuel charge) 1300 Old wood log boilers (no acc. tank, adjusted fuel charge) Old wood log boilers (with acc. tank) Modern wood log boilers (with acc. tank) Pellet appliances Wood stoves (light and heavy weight) inorganic matter non carbonate carbon % Source: Todorović et al (2007)... and with another scale PM emissions (mg/mj)

32 Prestanda - Emissioner Origin of PM 10 emissions in Sweden (t/year) other; 640 industry; international maritime & aviation; 8400 district heat and power supply ; 4240 agriculture; 5820 residential; 5860 wood (biomass) heating*; 4500 outdoor houshold and gardening; 830 oil heating**; 530 traffic; Source: Paulrud S, IVL Swedish Environmental Institute. National emission inventory report data. 32

33 FoU Fokus och utmaningar Småskalig bioenergiteknik Bränsle Teknik Miljö System Pelletskvalitet fysikaliska egenskaper och sammansättning (kemiska egenskaper) Nya råvaror nya problem, tillgång, marknad... Ytterligare förädling...torrefiering!? Tillgänglighet (problemfritt) Korrosion nya råvaror (klor...!) Fungera vid låga effektuttag (1-3 kw) Kontinuerlig drift (ÄVEN för ved!?) Integrerade system som är billiga! Partikelemissioner främst hälsoaspekter av dålig utomhusluft Klimatpåverkan av dåliga system (höga metanutsläpp!?) Kväveoxider med nya råvaror Pelletsproduktion Distribution Integrering med annan industri (Energikombinat) 33

34 Verkningsgrad för förbränningsanläggningar Prestanda - Verkningsgrad Olika definitioner av verkningsgrad; Förbränningsverkningsgrad, Pannverkningsgrad, Årsmedelverkningsgrad, Systemverkningsgrad, Totalverkningsgrad... olika typer av förluster från en värmepanna: Rökgasförlust i fritt värme; påverkas av både rökgastemperatur, rökgashastighet och rökgasmängd (inkl luftöverskott) - ofta ingår även förluster i oförbrända gaser Förbränningsförluster i form av oförbränt i aska och gaser (CO och kolväten) Omgivningsförluster i form av strålning och konvektion från pannans utsida (förlust endast om det inte kommer lokalen till nytta! Jmf panna och kamin! Genomströmningsförluster i form av kylande luftströmning genom pannan vid stillestånd. Den del av uppstartningsenergin, som åtgår för att värma vattenvolym och keramik till drifttemperatur, och som inte kan nyttiggöras i värmesystemet Isolationsförluster från rörledningar, expansionskärl och ackumulatortankar Distributionsförluster i rörledningar samt drivenergi för pumpar och eventuella fläktar 34

35 Prestanda - Verkningsgrad Pannverkningsgrad kontra Förbränningsverkningsgrad Pannverkningsgraden är ett praktiskt (verkligt) bestämt mått som tar hänsyn till: Förluster i fritt värme i rökgaserna Förluster i oförbränt i aska och gaser (CO+HC) Förluster från pannytor med mera Förluster till pannans fundament Förbränningsverkningsgrad är ett teoretiskt bestämt mått på hur fullständigt förbränningen sker och hur stora rökgasförlusterna är utan hänsyn till förluster i askan eller strålning/konvektion 35