FORSKNINGSNYHETSBREV DECEMBER 2002

Transkript

1 EnergyCentre.Info Pelletsprogrammet FORSKNINGSNYHETSBREV DECEMBER 2002 Inom pelletsprogrammet i Västra Götalandregionen görs en insats för att sprida forskningsresultat. Detta sker dels forskare emellan, dels mellan forskare och pelletsbranschen. Denna informationsspridning har inletts med att ett forskarnätverk på pelletsområdet har bildats. Nu följs detta upp av nyhetsbrev där resultat och slutsatser från olika forskare i Sverige presenteras. Tidigare nyhetsbrev, liksom information om forskarna i forskarnätverket, finns på hemsidan under Om pellets, Forskning & utveckling. Detta fjärde nyhetsbrev innehåller följande: Information om deltagarna i forskarnätverket Sammanfattningar av postersessionen under Pellets 2002, First World Conference on Pellets, Lägesrapport om pelletsforskningen på SP Lars Martinsson, SP Energiteknik, Förbränningsteknik Fenoliska antioxidanter i vedrök Doktorsavhandling av Jennica Kjällstrand, Kemisk Miljövetenskap, Chalmers finansierar detta nyhetsbrev.

2 FORSKARNÄTVERK FÖR PELLETSFORSKARE December 2002 Eliana Alvarez de Davila, IVL Svenska Miljöinstitutet, Arbetsmiljö vid hantering och tillverkning av träpellets och andra biobränslen. Katja Edman, Yrkes- och miljömedicinska kliniken, Örebro Universitetssjukhus, Exponering för trädamm och terpener samt hälsoeffekter vid tillverkning av träpellets. David Eskilsson, SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, Reduktion av NOx från pelletbrännare. Sensorer för styrning och minimering av emissioner. Karin Granström, Miljö- och Energisystem, Karlstads universitet, Emissioner av terpener och andra flyktiga organiska ämnen vid torkning av sågspån. Gunnar Hadders, JTI - Institutet för jordbruks- och miljöteknik, Pelletspärmen, ett rådgivningsmaterial. Inblandning av gräs i träpellets. Peter Helby, peter.helby@miljo.lth.se, Miljö- och Energisystem, LTH, Bekväm pelletsvärme i villa. Annette Henning, ahe@du.se, SERC, Högskolan Dalarna, emb.du.se Villahushållens vanor, tankar och beslut kring pellets och solvärme. Raida Jirjis, raida.jirjis@sh.slu.se, Bioenergi, SLU, Påverkan av råvaruegenskaper på pelletskvalitet Linda Johansson, linda.johansson@sp.se, Energiteknik, SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, Bildning och emissioner av partiklar (PM 10 ) vid småskalig förbränning av biobränslen. Åsa Karlsson, asa.karlsson@miljo.lth.se, Miljö- och energisystem, Lunds tekniska högskola, Livscykelperspektiv på energianvändning, emissioner och kostnader för pelletspanna. Jennica Kjällstrand, jennica@kmv.chalmers.se, Kemisk Miljövetenskap, Chalmers, Antioxidanter och andra organiska ämnen i emissioner från småskalig förbränning av biobränslen. Päivi Lehtikangas, paivi.lehtikangas@energisystemsverige.se Energisystem Sverige AB, Inga pågående projekt. Lagring och egenskaper hos pellets av sågspån, avverkningsrester och bark. Lars Martinsson, lars.martinsson@sp.se, Energiteknik, SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, Olika parametrars betydelse för förbränning och emissioner.

3 Calle Nilsson, Enheten för biomassateknologi och kemi, SLU, Förbränning av pellets av källsorterat avfall och olika biobränslen. Svante Nordlander, Energi, miljö och byggande, Högskolan Dalarna, Skötsel och injusterings inverkan på emissioner och verkningsgrad. Pellets och solenergi Kerstin Olin, Miljö- och energisystem, LTH, Bekväm pelletseldning i villa. Maria Olsson, mariao@kmv.chalmers.se, Kemisk Miljövetenskap, Chalmers, Antioxidanter och andra organiska ämnen i emissioner från småskalig förbränning av biobränslen. Karin Perman, kpm@du.se, Energi, Miljö och Byggande, Högskolan Dalarna, Omställning från el-uppvärmning till pellets och sol. Henrik Persson, henrik.persson@sp.se, SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, P-märkning av pelletsutrustning. Eldningstester med olika pelletskvaliteter. Emissioner. Jessica Samuelsson, jessica.samuelsson@sp.se, SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, Bildning och destruktion av kväveföreningar i en biobränslebädd. Magnus Ståhl, magnus.stahl@kau.se, Miljö- och Energisystem, Karlstads universitet, Torkning av pelletsråvara. Urban Svedberg, urban.svedberg@lvn.se, Arbets- och miljömedicin, Akademiska Sjukhuset i Uppsala Gasformiga emissioner vid förvaring av pellets sett ur ett arbetsmiljö- och slutanvändarperspektiv. Claes Tullin, claes.tullin@sp.se, Förbränningsteknik, SP Sveriges Provnings - och Forskningsinstitut, P-märkning och förbättring av förbränningsutrustning. Emissioner från småskalig pelletseldning. Johan Vinterbäck, johan.vinterback@sh.slu.se, Skogshushållning, SLU, Optimering av pelletsdistribution. Variationer inom träråvaran och deras påverkan på kvaliteten. Fredrik Wikström, fredrik.wikstrom@kau.se, Inst för ingenjörsvetenskap, Karlstads universitet, Miljöeffekter i biobränslekedjan systemanalys, pelletskvalitet. Marcus Öhman, mohman@etcpitea.se, Energitekniskt Centrum i Piteå, Slaggbildning och askhalt från pellets av olika kvalitet. Emissioner från småskalig pelletseldning.

4 THE FIRST WORLD CONFERENCE ON PELLETS POSTERSESSION, I nyhetsbrev 3 presenterades den parallellsession för forskningsfrågor som arrangerats av Johan Vinterbäck, SLU under Pellets Förutom denna parallellsession presenterade även många forskare sina forskningsresultat i posterform. Här presenteras dessa. Mer information finns i konferensproceedings. Comparison of air emissions and ash behaviour when co-firing densified refusederived fuel pellets and coal in full-scale cyclone, spread-stoker and fluidized bed combustors. Oscar O Ohlsson och Joseph Martorana, Argonne National Laboratory / Kleen Fuel Corp. Of America, USA. År 1997 producerades 217 miljoner ton brännbara hushållssopor i USA. Genom tillsats av kalciumhydroxid som bindemedel kan detta material pelletteras och sameldas med kol i storskaliga industrier och kraftvärmeverk, som tidigare eldat enbart kol, utan att dessa behöver modifieras. Förbränningsförsök har gjorts i tre typer av förbränningsanläggningar. Test of a small domestic boiler using different pellets. Dias J, Costa M och Azevedo J L T, Escola Superior Agrária de Beja / Instituto Superior Técnico, Portugal. Experiment har utförts med fyra olika typer av pellets i en 13 kw pelletseldad panna. Rökgastemperatur och pelletsförbrukningshastighet mättes liksom halterna av syrgas, kolmonoxid och kväveoxider. Kolmonoxidhalten var i de flesta fall lägre än 1500 mg/nm 3 och hade ett minimum vid 13% syrgashalt. För pellets med låg kvävehalt var bildandet av kväveoxider oberoende av luftöverskottet, medan emissionerna av kväveoxider ökade med luftöverskottet för pellets med hög kvävehalt. Pilot lignocellulosic pellets stove plant. First results. Granada E, Moran J C, Míguez J L och Lareo G, Universidad de Vigo, Spanien. En 24 kw pelletspanna för produktion av varmvatten och värme har studerats för att försöka minska emissionerna och förbättra energieffektiviteten. Temperatur, tryck, rökgasflöde och emissioner har mätts vid olika last. Ekvationer för sambanden mellan parametrarna stökiometrisk faktor och pelletsförbrukningshastighet har utarbetats för värme i vattnet, värme i röken, panneffektivitet, förbränningseffektivitet samt emissioner av kolmonoxid, kvävemonoxid och syrgas. From electricity to pellet/solar - what goes on in the homes? Annette Henning, SERC, Högskolan Dalarna. Forskningen är tvärvetenskapligt organiserad kring konvertering av enfamiljshus från elvärme till en kombination av pellets och solenergi. Sannolikheten att konverteringen genomförs och att den är lyckad på lång sikt ökar ifall de nya produkterna är så väl anpassade som möjligt till människors vardagsliv. Män och kvinnors motiv för och emot en eventuell konvertering har även studerats. Exempel på sådana motiv kan vara ifall de har råd med en konvertering och ifall de har tid att sköta den nya anläggningen.

5 Prospect on new fuel BCDF (Bio-Carbonised-Densified-Fuel): The effect of semicarbonization. Honjo T, Fuchihata M, Ida T och Sano H, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology / Kinki University / Laboratory of Global Energy System, Japan. Trots att Japan har stora skogar används endast en liten del av detta som trädbränsle beroende på branta berg med höga arbetes och transportkostnader. Studiens syfte är att öka energiinnehållet i pellets genom förkolning och på så sätt få ner transportkostnaden per energienhet. Vid total förkolning förloras en stor del av energiinnehållet vid avgången av flyktiga organiska föreningar. Förhållandena för en semi-förkolning för maximalt energiinnehåll har därför undersökts för pellets tillverkade av cellulosa, sågspån och löv. Combustion speed comparison of semi-charcoal pellet with simple bio-pellet. Ida T, Namba K, Fuchihata M, Honjo T och Sano H, Kinki University / Osaka Prefectural College of Technology / National Institute of Advanced Industrial Science and Technology / Laboratory of Global Energy System, Japan. Japans branta berg gör det svårt att avverka och transportera skogsbiobränslen. Förbättrad transport och förbränning är viktigt för en ökad användning. Förbränningsegenskaperna för en semi-förkolad biopellets har undersökts. En av slutsatserna var att biopelletsen bestod av 5% vatten och 75% flyktiga organiska ämne. Askhalten var 2%. Emissions from burning of softwood pellets. Maria Olsson och Jennica Kjällstrand, Kemisk Miljövetenskap, Chalmers. Laboratorieeldningar av pellets vid olika förbränningsförhållanden ger helt skilda emissioner. Från glödande pellets emitteras en stor del cancerogent bensen, medan emissionerna från flammande förbränning innehåller mycket metoxifenoler med antioxidantegenskaper. Träpellets av stamved bör reserveras för villaanvändning, medan pellets tillverkade av andra råvaror måste förbrännas storskaligt för att undvika miljö- och hälsofarliga emissioner. High temperature air and steam gasification of densified biofuels. Lucas C, Szewczyk D och Blasiak W, Energi och Ugnsteknik, KTH. Förgasning av biobränslen med förvärmd luft och ånga har studerats i en nyligen utvecklad luft- / ångförvärmare. Reglerparametrar, temperatur, sammansättning och mäng tillförd luft och ånga har varierats. En av slutsatserna blir att en ökning av luften och ångans temperatur minskar mängden tjära, sot och koks samtidigt som värmevärdet på den producerade bränsle gasen ökas och därmed maximeras även energiutbytet. Long term evaluation of family size pellet burners. Svante Nordlander, SERC, Högskolan Dalarna. Emissioner av bland annat kolmonoxid mäts kontinuerligt på en Biosol panna. Denna panna är konstruerad för kombinerad pellets- och solvärme. Kolmonoxidhalterna relateras till pannans aktuella dagsläge i form av uraskning och sotning. Kolmonoxidhalterna kan bli upp till åtta gånger högre när pannan är vanskött jämfört med när den är nyligen uraskad.

6 Slagging tendencies of wood pellet ash during combustion in residential pellet burners. Öhman M, Boman C, Hedman H, Nordin A och Boström D, ETC i Piteå / Oorg Kemi Umeå Universitet. Forskningen går ut på att undersöka slaggningstendenserna för pellets av sågspån, hyggesrester och bark för att komma fram till vilka pellets som bör eldas i dagens villautrustning, vilka ämnen som ger upphov till slaggning och vid vilken temperatur detta sker. Resultaten visade att dagens brännarutrustningar är relativt känsliga för variationer i bränslets asksammansättning och totalhalt. Därför bör askrika bränslen som hyggesavfall och bark ej användas i dagens villabrännare. Verktyg (modeller) har även tagits fram där man utifrån pelletsens asksammansättning kan beskriva bränslets slaggningstendens i brännarna. Densified biomass sector in Spain. Luis Ortiz Torres och Marcos Araujo Pereira, Universidad de Vigo, Spanien. Den vanligaste råvaran för brikettillverkning kommer ifrån möbelindustrin. Fabrikspriset för briketter är euro/ton. Det finns fyra anläggningar i Spanien som producerar pellets. Efterfrågan är större än tillverkningen och pellets importeras från Kanada och övriga Europeiska länder. Spanska pellets exporteras till Frankrike, Tyskland och Italien. Det skulle vara miljömässigt fördelaktigt att byta ut det kol som används i Spanien mot pellets. A multi-purpose pellet (MPP) facility and real options portfolio management (ROPM) in response to value chain changes of biomass resources. Robert van der Waall och Ronald Verberne, Ingenia Consultants & Engineers Holland Inställningen och värdet av alternativa råvaror till biobränslen varierar kraftigt för bland annat biologiskt avfall, gödsel, avloppsslam och slaktavfall. Detta gör att det inte blir ekonomiskt lönsamt att bygga en pellets eller brikettfabrik för ett av dessa biobränslen eftersom förutsättningarna hela tiden ändras. Ett alternativ skulle vara att bygga en multi-purpose pellets (MPP) eller brikettfabrik som pelleterar den råvara som för tillfället är ekonomiskt lönsam och den pelletskvalitet kunderna efterfrågar. Experimental investigation of the influence from different operating conditions on the particle emissions from a small scale pellets combustor. Henrik Wiinikka och Rikard Gebart, ETC i Piteå. Partikelemissionerna från en 10 kw pelletsreaktor har bland annat studerats vid varierande mängd primärluft och total lufttillförsel. Generellt sett var emissionerna av kolmonoxid och partiklar mycket låga. Koncentrationen av partiklar i rökgaserna var oberoende av partikelmängden precis ovanför bränslebädden. Den parameter som hade störst inverkan på partikelemissionerna var den totala lufttillförseln.

7 Lägesrapport om pelletsforskningen på SP Lars Martinsson SP Energiteknik, Förbränningsteknik SP Energiteknik är väl känt för sin provning av förbränningsutrustning som vedpannor, kaminer och pelletsbrännare. De tillverkare som uppfyller särskilda krav, på bland annat säkerhet och emissioner, kan då -märka godkända produkter. Inom enheten arbetar vi också brett inom förbränningsforskning där forskning kring bränslepellets är en del. Den senaste tiden har denna forskning fokuserats kring: tillverkning av bränslepellets av olika material förbränning av enstaka pellets kväveemissioner partikelemissioner I våras köpte SP Energiteknik en mindre men komplett pelleteringsanläggning. Denna anläggning är utvecklad och tillverkad i Sverige och har en kapacitet på ca 150 kg/timma. Den är idealisk ur forskningssynpunkt bland annat genom att vi har fem olika pressmatriser för användning till material med olika egenskaper. Samtliga matriser ger 8 mm pellets. Ett syfte med investeringen var att möjliggöra tillverkningen av skräddarsydda pellets för förbränningsforskning. Ett annat har varit att kunna tillverka bränslepellets av nya material där vi tror att en stark utveckling kommer att ske de närmaste åren eftersom tillgången på den traditionella spånråvaran är begränsad. Den oändliga mängd av detta spån som det ibland talas om finns helt enkelt inte. I syfte att undersöka tillgång och möjligheter med andra råvaror utför vi för närvarande en kartläggning finansierad av Värmeforsk. Ska den för miljön positiva trenden med ökad användning av bränslepellets för uppvärmning av mindre fastigheter fortsätta anser vi att större förbrukare som värmeverk, åtminstone delvis, bör använda pellets tillverkade av andra råvaror. Detta är självklart till stor del en ekonomisk fråga, där kostnad för bränslet ställs i relation till kostnad för drift och underhåll av anläggningen. Dessa kostnader ökar i allmänhet med alternativa råvaror på grund av askans egenskaper och mängd. Vi ligger nu i startgroparna för att ansöka om medel till ett praktiskt inriktat projekt, med utgångspunkt från pågående kartläggning, med studier kring pelletering och förbränning.

8 I samarbete med Energiteknik på CTH har vi studerat förbränning av enstaka träpellets, med särskild fokusering kring koksförbränningen. För att kunna ställa upp en bra modell över denna fas i förbränningsförloppet krävs kunskaper om randvillkoren. Därför har pellets avgasats i laboratoriereaktor under olika temperaturer och vid olika syrehalter. Efter avgasningen har pelletarna snabbt tagits ur reaktorn och släckts i kväve. Dimension och vikt på koksåterstoden har sedan bestämts och dessutom har innehållet analyserats med avseende på aska, kol, väte och kväve. Figuren nedan visar att ungefär 85 % av ursprunglig torrsubstans avgår som flykt och att ökande temperatur ger mindre andel koks. Koksåterstod (torrsubstans) [%] Reaktortemperatur [ºC] En 10 mm träpellets, ursprungligen 35 mm lång. Efter avgasning är den ca 30 mm lång. Koksåterstodens andel av ursprunglig massa efter avgasning i luft vid olika temperaturer. För att sedan studera förloppet av koksförbränningen har enstaka pellets förbränts under samma förhållande som under avgasningen. Mätning av viktiga komponenter i rökgasen såväl som centrum- och yttemperatur har då utförts kontinuerligt. Några typiska resultat visas i nedanstående figurer. Pelletskoksen kan anses isoterm och temperaturen såväl på ytan som i centrum är vid normala syrehalter ungefär 100 ºC högre än omgivningstemperaturen och noterbart är hur den stiger under slutet av koksförbränningen CO2 [%] 0,8 0,6 0,4 0, Tid [min] CO, THC [ppm] CO2 CO THC Temperatur [ºC] Tid [min] Centrumtemp Mätning av koldioxid, koloxid, totalkolväten och centrumtemperatur under koksförbränningsfasen för en enstaka träpellets med ursprunglig diameter och vikt på 10 mm respektive 3,5 g. I detta fall var reaktortemperaturen 800ºC och ingående syrehalt 10 %

9 På SP bedrivs ett doktorandprojekt som studerar hur bränslekväve omvandlas till kväveoxider, NO x, i en bränslebädd, där bädden kan bestå av bränslepellets. Området är viktigt bland annat därför att kväveinnehållet i bränslet kan komma att öka i framtiden då förädlade bränslen kompletteras med mindre förädlade. I ett inledande skede av projektet har koncentrationen av några olika kväveföreningar mätts inuti en bränslebädd (NO, NO 2, N 2 O, NH 3, HCN och HNCO). Mätningarna visar att den klart dominanta föreningen i bädden är ammoniak, NH 3, men kvävemonoxid. NO, förekommer också i låga halter. På lång sikt är målet att en datormodell formuleras som beskriver hur omvandlingen av bränslekväve till andra kväveföreningar sker i bränslebädden. Emissioner av submikrona partiklar vid förbränning är av stort intresse. Helt nyligen har vi utfört vissa inledande försök för att studera bildandet av dessa partiklar vid förbränning av enstaka bränslepellets i laboratoriereaktor. Syftet är bland annat att separat studera avgasningsfasen respektive koksförbränningsfasen. Många svårigheter återstår dock att lösa innan det finns bra resultat att redovisa. Återkommer senare med detta och annat av intresse inom pelletforskningen på SP Energiteknik. Hälsningar från oss alla som jobbar med pellets på SP Energiteknik genom Lars Martinsson.

10 Fenoliska antioxidanter i vedrök Jennica Kjällstrand Kemisk Miljövetenskap Institutionen för kemiteknik och miljövetenskap, Chalmers jennica@kmv.chalmers.se Rök från småskalig vedeldning är en komplex blandning av ämnen med varierande miljöoch hälsoeffekter. Denna avhandling fokuseras på fenoliska antioxidanter och aromatiska kolväten i rök från ofullständig förbränning av biomassa. Rökprover från försök i laboratorieskala och från skorstensmynningar har tagits med gasspruta eller adsorbentrör och analyserats med gaskromatografi och masspektrometri. Primära nedbrytningsprodukter från lignin och cellulosa utgjorde en stor del av den organiska fraktionen i rök från ofullständig förbränning. De ligninrelaterade metoxifenolerna är antioxidanter, som troligen minskar rökens hälsofarlighet. Metoxifenolernas antioxidanteffekt varierar med deras kemiska struktur. Rök från barrved innehöll främst 2- metoxifenoler. Lövvedsrök innehöll även 2,6-dimetoxifenoler, som är effektivare antioxidanter. Antioxidanteffekten förstärks av en alkyl- eller alkenylgrupp, men försvagas av en karbonylgrupp i para-position till den fenoliska OHgruppen. 1,6-Anhydroglukos från cellulosa var också en dominerande rökkomponent från pyrolys av ved. Den är liksom metoxifenolerna halvflyktig och dessa ämnen förekommer huvudsakligen kondenserade på rökens partiklar. De dominerande aromatiska ämnena i rök från björkved var 2,6-dimetoxifenoler. Detsamma gällde rök från pyrande alspån vid industriell rökning av charkuteriprodukter. Antioxidanterna förbättrar köttets smak och hållbarhet. Koniferylalkohol var den dominerande metoxifenolen i rök från ofullständig förbränning av tidningspapper, som ofta används vid tändning. När hälsoeffekterna av småskalig vedeldning diskuteras bör hänsyn tas till rökens innehåll av fenoliska antioxidanter. CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA AB Kemisk miljövetenskap Institutionen för kemiteknik och miljövetenskap Göteborg Org. nr:

11 Vid effektivare förbränning minskade den totala mängden av organiska ämnen i röken. Tyvärr ökade samtidigt andelen hälsofarliga polycykliska aromatiska ämnen. Det cancerogena kolvätet bensen förekom i rök från alla de typer av eldning som studerades, men kvoten gentemot andra organiska ämnen ökade med förbränningseffektiviteten. Vid en jämförelse av vedrök från en kakelugn och en konventionell vedpanna visade det sig att röken från kakelugnen huvudsakligen innehöll metoxifenoler och 1,6-anhydroglukos. Rök från den moderna pannan innehöll endast små proportioner av dessa ämnen. Den organiska fraktionen innehöll istället främst hälsofarliga sekundära nedbrytningsprodukter, som bensen och polycykliska aromatiska ämnen. När träpellets eldades vid låg temperatur innehöll röken från flammande förbränning metoxifenoler. Vid glödeldning var istället bensen det dominerande aromatiska ämnet. Ny teknik med högeffektiv förbränning, för småskalig eldning av träpellets eller ved i miljömärkta pannor, minskar drastiskt rökens innehåll av antioxidanter såväl som hälsofarliga aromatiska kolväten. Detta är en sammanfattning av en doktorsavhandling: Kjällstrand, J. Phenolic antioxidants in wood smoke. Chalmers, Denna kan beställas genom jennica@kmv.chalmers.se eller via nedanstående postadress. Energimyndigheten tackas för finansiellt stöd av projektet Antioxidanter och andra organiska ämnen i emissioner från småskalig biobränsleanvändning som ingår i forskningsprogrammet Småskalig förbränning av biobränslen. CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA AB Kemisk miljövetenskap Institutionen för kemiteknik och miljövetenskap Göteborg Org. nr: