Aska -innehåll och härdning

Transkript

1 Aska -innehåll och härdning

2 Bakgrund Vid all förbränning av organiskt material, exempelvis skogsbränsle, får man kvar en restprodukt. Denna benämns aska och består huvudsakligen av oxider av de ämnen som från början fanns i bränslet. Om askan har sitt ursprung i rena skogsbränslen, och har ett visst innehåll av näring och tungmetaller, är den lämplig att använda som näringskompensation i skogsmark. Spridning av lös aska är emellertid olämpligt eftersom den är starkt basisk och reaktiv. För att inte orsaka skador på mark och vegetation måste askan därför härdas. Samtliga metoder som används för härdning av askan bygger dels på att askan fuktas med vatten, dels på en process där agglomerat av askpartiklar (korn) bildas. I dag används fyra huvudmetoder för att få askan att bilda agglomerat; självhärdning, granulering, kompaktering samt pelletering. Syftet med detta material är att ge en sammanfattning av vad aska innehåller samt ge en överblick av vad de olika härdningsteknikerna innebär. Askans innehåll Askan som blir kvar efter förbränning av t ex GROT (GRenar Och Toppar av träd, dvs. avverkningsrester) innehåller oxider, hydroxider, sulfater, klorider, silikater och karbonater, främst av de baskatjoner som trädet tagit upp, men även av viktiga spårämnen. Kväve (N) saknas eftersom det till största delen avgår i gasform vid förbränningen. Eftersom träden även tar upp tungmetaller och radioaktiva ämnen som cesium från både marken och luften (de fungerar som luftfilter), återfinns även dessa ämnen i askan. Vid förbränning bildas dessutom låga halter av PAH (polycykliska aromatiska kolväten), vilka blir kvar i askan. Vi återkommer mer till dem längre ned i detta avsnitt. Generellt utgörs % av askans totala innehåll av kalcium (Ca). Innehållet av kalium (K) och magnesium (Mg) uppgår vanligen till ett par procent medan halten av fosfor (P) vanligtvis utgör ca en procent av totalinnehållet. De flesta av dessa ämnen har basisk, d v s kalkverkande karaktär och förekommer dels som lättlösliga salter, dels som mer svårlösliga föreningar i form av oxider (60-90 % är oxider av Ca, K och kisel betecknat Si), karbonater och silikater. Skogsstyrelsen har tagit fram rekommendationer för minimihalter av näringsämnen, och maximihalter för tungmetaller och andra giftiga ämnen för askan (Tabell 1 och 2). Ämnet zink förkommer i både tabell 1 och 2. Orsaken är att det är ett mikronäringsämne vilket innebär att alla organismer behöver små mänger av det. Samtidigt är zink en tungmetall, vilken i höga koncentrationer är toxisk för växter och djur. Radioaktiviteten i form av sönderfall av 137 Cs, får inte överstiga 5 kbq/kg TS. Tabell 1. Minimihalter för innehåll av näringsämnen i askor. Från Skogsstyrelsens Meddelande 2001:2. Makronäringsämne Kemisk beteckning Minsta halt (gram/kg TS) Kalcium Ca 125 Magnesium Mg 20 Kalium K 30 Fosfor P 10 Zink Zn 1 2

3 Tabell 2. Högsta tillåtna halter av tungmetaller och föroreningar i askor som skall spridas. Från Skogsstyrelsens Meddelande 2001:2. Dessa kommer att revideras under Ämne Kem. Max halt Kem. Max halt Ämne beteckning (mg/kg TS) beteckning (mg/kg TS) Bor B 500 Krom Cr 100 Koppar Cu 400 Kvicksilver Hg 3 Zink Zn 7000 Nickel Ni 70 Arsenik As 30 Vanadin V 70 Bly Pb 300 PAH 2 Kadmium Cd 30 Radioaktivitet Cs kbq/kg De högsta tillåtna halterna av tungmetaller kommer att revideras under Orsaken är att GROT i vissa fall naturligt innehåller högre halter av tungmetaller än vad som motsvarar de nuvarande gränsvärdena för aska. Det naturliga innehållet av tungmetaller i berggrund och mark återspeglar sig i vegetationen. Detta medför att på lokaler som t ex naturligt innehåller mycket Cr (krom) i marken finns vanligen också en högre halt av Cr i vegetationen. Detta måste därför vägas in i bedömningen av vad askorna skall tillåtas innehålla. Fördelningen mellan olika ämnen i askan beror av vilka bränslen som har använts. Exempelvis stiger innehållet av Si, Fe (järn) och Al (aluminium) medan innehållet av P, K, Ca och Mg sjunker efter sameldning av skogsbränsle med olja eller torv. Även då skogsbränslet i sig har samma innehåll kan innehållet i askan variera. Det orsakas främst av skillnader i förbränningsteknik och vilken askfraktion man tittar på. Flygaska från förbränning av trä har generellt ett ph mellan 12 och 13, medan bottenaskorna ligger några ph-enheter lägre. Beräkningar visar att man i en välförbränd flygaska kan ha kalkverkan motsvarande 70 % av den hos ren kalksten. För välförbrända bottenaskor är kalkverkan ca hälften av den hos motsvarande flygaska. Ämnena Ca, Mg, P, Mn (mangan) och Fe fördelar sig relativt jämt mellan flyg- och bottenaskan, medan K som är relativt lättflyktigt återfinns i högre halter i flygaskan. Detsamma gäller för S (svavel). Si och Al finns i högre halter i bottenaskan, eftersom bottenaska ofta är kontaminerad av sand, grus och sten. Ofta är halterna av flyktiga tungmetaller som kvicksilver (Hg), arsenik (As), bly (Pb), zink (Zn) och kadmium (Cd) högre i flygaskan än i bottenaska. Vidare finns det ofta mer tungmetaller i en finkornigare askfraktion än i en grovkornigare sådan. Flygaska har dessutom ofta en högre halt av oförbränt organiskt material jämfört med bottenaska. Detta kan göra dem sämre ur härdningssynpunkt. Vid förbränning bildas, som nämnts ovan, även en lång rad organiska föreningar av vilka % inte är flyktiga, d v s inte förekommer i gasform utan därför blir kvar i askan. De benämns vanligen tjära, och innehåller ca 10 % polycykliska aromatiska kolväten (PAH). PAH är ett samlingsnamn för de mer än 200 organiska föreningar som bildas vid ofullständig förbränning, och vanligtvis vid temperaturer mellan 500 och 800 C. Ofullständig förbränning innebär förbränningsbetingelser där syretillförseln är för liten. PAH består av två eller fler bensenringar, och de olika föreningarna har olika kokpunkter. Vidare är de semivolatila, d v s de kan befinna sig både i gasfas och bundna på partiklar i luften. Orsaken till att de diskuteras är att flera av dem är carcinogena, d v s de kan framkalla cancer. Analyser av PAH i aska visar att resultatet kan variera kraftigt mellan olika analyslaboratorier. Normalt har det dock 3

4 visats att halten generellt är lägre i vedaska än i vanlig jord. Askor från rivningsvirke och anläggningar med dålig processtyrning har dock betydligt högre halter av PAH. Emellertid behövs betydligt mer forskning inom detta område. Härdning av aska Teknik för vatteninblandning Eftersom lös aska är mycket reaktiv och kan orsaka skador på mark och vegetation måste den härdas innan den får spridas. Det finns flera olika metoder för att härda aska, vilka kommer att redogöras för nedan. Samtliga metoder innebär dock att askan inledningsvis blandas med vatten för att sätta igång härdningsprocesser. Detta sker i många fall redan vid utmatningen av askan från pannan. För att få en bra och jämn härdningsprocess är det viktigt att inblandningen av vatten sker noggrant. Exempel på teknik för detta är: roterande betongblandare (billig och lättillgänglig) roterande betongblandare med knivar som slår sönder eventuella aggregat liggande cylinder med en roterande axel där skovlar/blad finns (liknar skruvtransportör) paddelverk där omblandningen sker med skovlar eller blad Kemiska processer vid härdning Många askor börjar härda vid inblandning av vatten. Kort sammanfattat innebär härdningsprocessen att askans beståndsdelar omvandlas till mindre lösliga sådana, samtidigt som partikelstorleken ökar. De reaktioner som sker vid härdning beror av askans innehåll av olika ämnen och i vilken form de förekommer. Vid härdning övergår askans oxider till mindre reaktiva hydroxider och karbonater. Som exempel kan nämnas askans kalciumoxid (s.k. osläckt kalk, CaO) som i reaktion med vatten först bildar kalciumhydroxid (släckt kalk, Ca(OH) 2 ), vilken reagerar med luftens koldioxid (CO 2 ) och omvandlas till kalciumkarbonat (CaCO 3 ). Denna reaktion är mycket viktig eftersom den sänker askans ph, gör askan mer långsamlöslig och leder till en förlängd kalkverkan hos askan. Risken för skador på mark och vegetation i samband med spridning minskar dessutom om näringen frigörs långsamt. Den ökade partikelstorleken bidrar till en jämnare spridningsbild vilket också minskar risken för skador på mark och vegetation. Efter bildningen av karbonat följer ofta mer komplexa kemiska förändringar av askan. Karbonatet kan vid gynnsamma förhållanden tillsammans med andra komponenter bilda sekundära mineral som bl. a ettringit. Gips, kalciumsilikat och syngenit är andra exempel på mineral som kan bildas under härdningsprocessen. Faktorer som påverkar härdning Kolinnehåll: Hur väl utbränd en aska är, d.v.s.hur mycket kol askan innehåller, har stor betydelse för dess härdningsegenskaper. Ju mer organiskt kol som finns i askan desto sämre härdar den. Optimal härdning sker vid 2-3 % kolhalt medan askor med över 10 % oförbränt kol anses ha betydligt sämre härdningsegenskaper. Saltinnehåll: Beroende på typ av salt (Na, K) kan det både ha en gynnsam och en negativ effekt på härdningen. 4

5 Vattenhalt: Vattenhalten har stor betydelse för härdningsprocessen och tillräckligt med vatten måste därför sättas till så att alla partikelytorna fuktas. Vattenhalten måste provas ut specifikt för varje aska, men generellt gäller ca 40 % vattenkvot för flygaska och 15 % vatten för bottenaska. Temperatur: Samspelet mellan temperatur och fukt har betydelse för härdningsprocessen. Under gynnsamma förhållanden (varmt och torrt) härdar en väl utbränd aska på några veckor medan det kan ta flera månader eller inte gå alls vid sval och fuktig väderlek. Koldioxid: Utbytet av koldioxid (CO 2 ) har betydelse för karbonatbildning under härdningsprocessen. Därför sker denna process fortast i ytan av en askhög, där utbytet med luftens CO 2 är god. Ytskiktet på högen hårdnar och hindrar transporten av CO 2 in till kärnan av högen, vilket hindrar bildningen av karbonat där. Genom att regelbundet bryta upp det hårda ytskiktet och blanda om askhögen sker en jämn härdning och därmed bildningen av karbonat. Försök med torkning av askgranuler/pellets under förhöjt CO 2 -tryck pågår också för att öka bildningen av karbonat. Kompaktering: Närheten mellan askpartiklarna, d v s hur kompakt askan är har stor betydelse för härdningsgraden. Därför har olika metoder för att pressa samman fuktad aska utvecklats för att påskynda och förstärka härdningen. Kostnaderna för de olika metoderna skiljer mycket, men måste vägas mot behovet av egenskap hos askprodukten. Självhärdning i hög - krossaska Den vanligaste metoden som används för att producera en spridningsbar askprodukt är att låta den fuktade askan ligga och självhärda i en hög utomhus. Utan yttre påverkan i form av kompaktering binder askpartiklarna ihop sig till mer eller mindre stora korn och klumpar. Denna process kallas för agglomerering. För att förbättra härdningsprocessen kan man kompaktera högen genom att upprepade gånger köra över den med t ex en hjullastare. Högen kan även brytas upp och blandas om och kompakteras på nytt med jämna mellanrum, för att härdningen skall ske jämnt i hela högen (se ovan). När man bedömer att askan härdat färdigt (finns i dag inga test för detta, utan askan tas vanligen efter att ha härdat en säsong eller så görs bedömningen subjektivt utifrån spridningserfarenheter) bryts askhögen upp och större klumpar siktas bort och krossas till mindre storlekar. Det är detta steg som ligger till grund för namnet krossaska. Om krossaskan visar sig ha för snabb upplösningstid eller vara för reaktiv (reaktiviteten kan kontrolleras med lakningstester) kan även den finaste fraktionen vara aktuell att sikta bort. Tillsatsen av vatten, härdningstiden samt graden av kompaktering har betydelse för andelen finare partiklar. Fördelen med denna metod är att den är billig och lätt ger stora kvantiteter härdad aska. Detta gör att användningen av krossaska i dag dominerar jämfört med de övriga produkterna. Nackdelen med metoden är att det kan vara svårt att kontrollera härdningsprocessen och därmed få en homogen produkt beträffande kornstorlek och upplösningshastighet. Därtill är metoden både plats- och tidskrävande. Granulering Genom att rulla den fuktiga askan på tallrikar eller i en trumma kan runda kulor, granuler, bildas. Vid tallriksgranulering blir granulerna ofta av relativt likartad storlek vilket gör att de inte behöver siktas efter rullningen. Granulering i trumma ger dock vanligen en större storleksvariation hos granulerna. Detta gör att produkten ibland måste siktas. Genom att ha 5

6 inbyggda knivar som slår sönder de större kulor som bildas i trumman, kan dock en mer enhetlig produkt erhållas. Oavsett om trum- eller tallriksrullning används ger granulering av askan en mer stabil och enhetlig produkt än självhärdning och krossning. För att stärka granulerna ytterligare finns även försök med tillsats av olika bindemedel som cement till askan eller att granulerna förses med ett hårt ytskikt av t ex lignin eller stearat. Metoden är dock mer kostsam än självhärdning eftersom den kräver dyra investeringar i form av utrustning för granulering och torkning. Detta måste ställas mot vinsten med den stabilare produkten. Dessutom finns tekniker där granulerna självtorkar, vilket kan komma att sänka priset på denna typ av produkt. Kompaktering Kompaktering innebär att större partiklar formas av den fuktade askan genom någon form av pressningsteknik. Vid valskompaktering pressas materialet mellan två skivor eller valsar till en platt kaka som sedan krossas till flingor. Valsarna kan även vara försedda med mönster så att man direkt får flingor av en viss storlek. En fördel med valskompaktering är att materialet kan vara relativt torrt vilket minskar behovet av torkning efteråt. Risken för ihopklumpning minskar också. Pelletering Olika kompakteringstekniker används för att producera pellets. Vid valspelletering kompakteras och pressas askan fram under en spårad vals till långa strängar som sedan kapas till lämplig storlek. En annan teknik som används innebär att materialet pressas till långa strängar genom en hålskiva. Strängarna skärs sedan av till lämplig storlek vid skivans kant. Eftersom askan ofta innehåller hårda partiklar kan slitaget på denna typ av utrustning bli mycket hårt, vilket kan begränsa dess användningsgrad. Askpellets är troligtvis mer stabila och långsamlösliga än övriga nämnda askprodukter. Produkten är även mycket enhetlig. På motsvarande sätt som för granulerad aska måste produktens högre kvalitet vägas mot dess högra kostnad att framställa. Höga investeringskostnader i form av pelleteringsutrustning och torkar krävs. Tillsats av bindemedel Tillsats av olika bindemedel till askan för att ytterligare försöka förstärka produktens stabilitet eller komplettera med något näringsämne, t ex N har gjorts vid flera tillfällen. Exempel på bindemedel som testats är: vatten, kalk, dolomit, grönlutslam, rötslam, stärkelse, lignosulfat, mesakalk och cement. Om man bortser från effekten av vatteninblandning, så har inblandning av cement visat sig ge bäst hållfasthet. Flera försök pågår dock inom detta område och ytterligare jämförelser behövs eftersom asksorterna, val av stabiliseringsteknik (granulering, kompaktering eller pelletering) samt teknik för eventuell torkning (självtorkning, torkning i förhöjd temperatur, torkning under förhöjt CO 2 -tryck mm) varierar mellan försöken. 6