INTEGRERING AV TERMOKEMISKA TILLVERKNINGS- PROCESSER MED KRAFTVÄRMEPRODUKTION

Transkript

1 INTEGRERING AV TERMOKEMISKA TILLVERKNINGS- PROCESSER MED KRAFTVÄRMEPRODUKTION RAPPORT 2015:111 BRÄNSLEBASERAD EL- OCH VÄRMEPRODUKTION

2

3 Integrering av termokemiska tillverkningsprocesser med kraftvärmeproduktion Torrefiering och snabb pyrolys CHRISTER GUSTAVSSON, DANIEL NORDGREN, KARL LINDBERG ISBN ENERGIFORSK Energiforsk AB Telefon: E-post:

4

5 FÖRORD Denna rapport är slutrapportering av projekt SYS Integrering av termokemiska tillverkningsprocesser med kraftvärmeproduktion: torrefiering och snabb pyrolys (Energimyndighetens projektnummer P ) som faller under teknikområde Systemteknik. Målet med projektet har varit att ge en djupare kunskap om de termokemiska omvandlingsprocesserna torrefiering och snabb pyrolys, samt hur ett typiskt svenskt sulfatmassabruk och fjärrvärmeverk påverkas av en integration med ovanstående processer. Projektet har syftat till att öka förståelsen av integrationsmöjligheterna genom ett fördjupat tekniskt fokus avseende sidoströmmars sammansättning och hur de kan utnyttjas i kraftvärmeverket. Projektet har följts av en referensgrupp bestående av Tomas Ekbom, Grontmij, Nader Padban, Vattenfall R&D samt Andreas Sundlöf, Söderenergi. Värmeforsk har bedrivit värmeteknisk forskning inom det så kallade Basprogrammet sedan starten All forskningsverksamhet som bedrevs inom Värmeforsk ingår sedan den 1 januari 2015 i Energiforsk. Därför ges denna rapport ut som en Energiforskrapport. Programmets övergripande mål är att bidra till långsiktig utveckling av effektiva miljövänliga energisystemlösningar. Syftet är att medverka till framtagning av flexibla bränslebaserade anläggningar som kan anpassas till framtida behov och krav. Programmet är indelat i fyra teknikområden: anläggnings- och förbränningsteknik, processtyrning, material- och kemiteknik samt systemteknik. Stockholm juni 2015 Helena Sellerholm Områdesansvarig Bränslebaserad el- och värmeproduktion, Energiforsk AB

6

7 Abstract Produktion av fasta och flytande energibärare genom samlokalisering och integrering av de termokemiska tillverkningsprocesserna torrefiering och snabb pyrolys med kraftvärmeanläggningar har undersökts för ett fjärrvärmeverk och ett integrerat kartongbruk. Projektet har visat att storskalig bränsleproduktion kan uppnås för sådana integrerade anläggningar. Bränsleproduktionen vid de integrerade anläggningarna uppvisar en något bättre verkningsgrad än fristående anläggningar. Detta gäller i synnerhet för snabb pyrolys men även i mindre utsträckning för torrefiering. Alla undersökta integreringsalternativ medför ökat värmeunderlag för kraftvärmeverken och därmed ökad elproduktion. i

8 Sammanfattning Skogsindustrin och kraftvärmeproducenterna är de dominerande aktörerna vad gäller omsättning av skogsråvara i Sverige. I dagsläget består slutprodukterna från den svenska pappers- och massaindustrin i huvudsak av pappers- och kartongmaterial, massa och fasta oförädlade biobränslen samt värme och el. Andra produkter som framställs i olika omfattning är tallolja, terpentin samt lignosulfonat. För ett konventionellt kraftvärmeverk är huvudprodukterna värme och el och i vissa fall processånga till närliggande industrier. Det finns dock potential till att ytterligare utöka produktutbudet från båda dessa industrier till att även inkludera nya typer av bränsleprodukter, kemikalier och material. I detta projekt har de termokemiska processerna torrefiering och snabb pyrolys studerats. Målet med projektet har varit att ge en djupare kunskap om de termokemiska omvandlingsprocesserna torrefiering och snabb pyrolys, samt hur ett typiskt svenskt sulfatmassabruk och fjärrvärmeverk påverkas av en integration med ovanstående processer. Projektet har syftat till att öka förståelsen av integrationsmöjligheterna genom ett fördjupat tekniskt fokus avseende sidoströmmars sammansättning och hur de kan utnyttjas i kraftvärmeverket. I projektet har de termokemiska tillverkningsprocesserna modellerats utifrån tillgängliga litteraturdata gällande elementarsammansättning och värmevärden för råvaror och bränslen. Genomförda simuleringar visar att samlokalisering och integrering av anläggningar för snabb pyrolys och torrefierade pellets med kraftvärmeanläggningar medger produktion av bränsle i stor eller mycket stor skala. I synnerhet gäller detta för de samlokaliserade fallen av torrefiering och snabb pyrolys. För snabb pyrolys som integreras med befintlig panna genom kommunicerande bädd är produktionspotentialen mindre, men fortfarande betydande. Simuleringarna visar att ur ett strikt energimässigt perspektiv finns i första hand vinster med att integrera anläggningar för snabb pyrolys med befintliga kraftvärmeverk, då detta medger en verkningsgradsökning på 2-6% för de undersökta fallen. Vidare medger integrering och samlokalisering av såväl pyrolys som torrefiering ett ökat värmeunderlag för kraftvärmeverket vilket kan utgöra ett ekonomiskt incitament om el- och certifikatpris är höga. Samlokalisering och integrering av bränsletillverkning och kraftvärme kan genomföras med små konsekvenser för fastbränslepannor och värmedistributionssystem. För de studerade samlokaliserade fallen så har pannorna funnits kapabla att uppnå nominell kapacitet utan att begränsningar i rökgasflöde eller kondensatinsprutning mellan överhettare uppstår. För fallet med kommunicerande bädd-baserad pyrolys så är BFB pannors kapacitet att förbränna icke-flyktigt bränsle sannolikt en klart produktionsbegränsande faktor. Nyckelord: torrefiering, pyrolys, biomassa, bränslen, kraftvärme. iii

9 Executive Summary The forest industry and the district heating industry are the main industrial users of forestry resources in Sweden. Several previous studies have shown that positive synergy effects can be achieved by integration of solid fuel-, and biofuel production together with pulp-, paper-, and district heating production. In this project the synergy effects from integration of woody biomass torrefaction and flash pyrolysis with Combined Heat and Power production, CHP, have been examined for CHP plants in an integrated board mill and a district heating plant. Biomass torrefaction and flash pyrolysis are related technologies based on decomposition and devolatilization of the biomass. The product from torrefaction is a brittle solid material with hydrophobic properties whereas the main product from flash pyrolysis is a condensed liquid containing a wide variety of organic compounds. Several different reactors types exist for torrefaction as well as for flash pyrolysis. In this project the employment of a direct heated torrefaction reactor and a Circulating Fluidized Bed, CFB, reactor for flash pyrolysis has been assumed. The integration effects have been examined by simulation of the thermochemical fuel production in the commercial software Chemcad version (Chemstations). The fuel production has been modelled by stoichiometric reactors yielding pre-defined compounds. The utilization of by-products from the fuel production as well as the effects on the CHP plants from heat supply for drying have been modelled in the software ProSim version 5.8 (Endat). The following cases have been modelled. 1. Base case The base case is the simulated replica of the present operation at the plant. Design data for the CHP plants as well as data for ambient air temperatures, fuel moisture etc. used in the base case calculations was kept constant in the other cases (2-4 below). 2. Integrated pyrolysis In this case the pyrolysis reactor is integrated with the boiler by means of communicating fluidized bed technology. Char is combusted in the boiler fluidized bed. Non-condensable gases are incinerated in the boiler freeboard. 3. Co-located pyrolysis In this case a flash pyrolysis plant is located adjacent to a CHP plant. Noncondensable gases are incinerated in the boiler. 4. Co-located torrefaction In this case a torrefaction plant is located adjacent to a CHP plant. Noncondensable gases are incinerated in the boiler For all studied co-location/integration cases the biomass was dried in bed dryers to 10% moisture content prior to the thermochemical process. The drying was accomplished with the following assumptions iv

10 Integrated board mill Drying air was pre-heated by excess waste energy to 50 C. Final heating by low pressure steam 4 bar(a) District heating plant Drying air was pre-heated by district heating net return water. Final heating by district heating net supply water. The main results from the simulations for the integrated board mill in Skoghall can be found in Table 1 and Figure 1 below. The corresponding results for the district heating plant in Gävle can be found in Table 2 and Figure 2. Table 1. Results from the simulation of integration of thermochemical fuel conversion processes with the combined heat and power plant of Stora Enso Skoghall. Parameter/case Skoghall Base case Skoghall Integrated Pyrolysis Skoghall Co-located Pyrolysis Skoghall Co-located Torrefaction Unit Biofuel production kt/a, wet Biofuel production GWh/a Biofuel production m3/a Fuel supply to power boiler kt/a, wet Fuel supply to power GWh/a boiler (LHV,wet) Fuel supply to biofuel production kt/a, wet Fuel supply to biofuel GWh/a production (LHV,wet) Electricity generation GWh/a Heat generation (incl. heat for dryer) GWh/a Marginal efficiency % LHV v

11 Figure 1. Annual production of heat, electricity and biofuels for all cases at Stora Enso Skoghall Table 2. Results from the simulation of integration of thermochemical fuel conversion processes with the combined heat and power plant of Gävle Energi Parameter/fall Gävle Base case Gävle Integrated Pyrolysis Gävle Co-localised Pyrolysis Gävle Co-localised Torrefaction Enhet Biofuel production kt/a, wet Biofuel production GWh/a Biofuel production m3/a Fuel supply to power boiler kt/a, wet Fuel supply to power GWh/a boiler (LHV,wet) Fuel supply to biofuel production kt/a, wet Fuel supply to biofuel GWh/a production (LHV,wet) Electricity generation GWh/a Heat generation (incl. heat for dryer) GWh/a Efficiency (exkl. heat for dryer) % LHV Marginal efficiency %LHV vi

12 Figure 2. Annual production of heat, electricity and biofuels for all cases at Gävle Energi. The result of the simulation for a full year showed that significant volumes of fuel can be produced in addition to the present production of heat and power. For the co-location cases for torrefaction and flash pyrolysis the potential production capacity was clearly higher than for the integrated flash pyrolysis case where the production capacity was found to be restricted by the boiler s combustion capacity of char in the fluidized bed. The potential scale of operation with maintained integration benefits is for torrefaction and co-located pyrolysis clearly larger than any plants realised so far. Production plants of this size is in many case not realistic with respect to raw material sourcing, logistics and environmental permits etc. Also for the integrated dual bed pyrolysis cases the theoretical scale of operation is higher than for the first of a kind plant realized by Fortum in Joensuu Finland. The efficiency for stand alone plants calculated in this study was found to be: a. Torrefaction Efficiency (LHV product/lhv purchased biomass): 95% b. Flash pyrolysis Efficiency (LHV product/lhv purchased biomass): 76% Compared to the efficiencies for stand alone plants the efficiency was found to be somewhat higher for all examined integrated plant concepts. More significant efficiency increase was found for pyrolysis than for torrefaction. vii

13 All studied integration cases resulted in significant increase of heat consumption at the plants. This enable increased power production in the steam turbines. The integration of torrefaction and pyrolysis with combined heat and power, CHP, plants entails a change in the fuel mix to the existing biomass boilers. During low-load period this change can be rather significant with very high shares of the side stream fuels pyrolysis char and pyrolysis/torrefaction gases. The existing boilers ability to handle such an altered fuel mix is generally found to be good. Pyrolysis char has been assumed to be fully combusted within the fluidized bed. In reality some small size char particles miht escape from the bed and burn in the free board. The effects from such elutriation as well as any effect from char ash behaviour has not been considered in this study. viii

14 Innehållsförteckning 1 INLEDNING BAKGRUND BESKRIVNING AV FORSKNINGSOMRÅDET FORSKNINGSUPPGIFTEN OCH DESS ROLL INOM FORSKNINGSOMRÅDET MÅL OCH MÅLGRUPP TERMOKEMISK OMVANDLING ALLMÄNT TORREFIERING SNABB PYROLYS INTEGRERINGSASPEKTER METOD MODELLERING AV TILLVERKNINGSPROCESSER MODELLERING AV KRAFTVÄRMEANLÄGGNINGAR FALLSTUDIER GÄVLE ENERGI STORA ENSO SKOGHALL RESULTAT FRISTÅENDE ANLÄGGNINGAR GÄVLE ENERGI STORA ENSO SKOGHALL EGENSKAPER HOS BRÄNSLEN SOM ÅTERFÖRS TILL KRAFTVERKSPROCESSEN DISKUSSION DISKUSSION KRING ANTAGNA DATA ANALYS AV RESULTAT DISKUSSION GÄLLANDE PÅVERKAN PÅ KRAFTVÄRMEVERKET SLUTSATSER REKOMMENDATIONER OCH ANVÄNDNING LITTERATURREFERENSER ix

15

16 1 Inledning 1.1 Bakgrund Skogsindustrin och kraftvärmeproducenterna är idag de helt dominerande aktörerna vad gäller omsättning av skogsråvara i Sverige. I nuläget så består slutprodukterna från den svenska pappers- och massaindustrin i huvudsak av pappers- och kartongmaterial, massa och fasta oförädlade biobränslen samt värme och el. I vissa fall produceras även tallolja, terpentin och lignin för avsalu. För ett konventionellt kraftvärmeverk är huvudprodukterna värme och el och i vissa fall processånga till närliggande industrier samt kyla. Ett antal studier inom Värmeforsk och Elforsk gällande olika energikombinat för samtidig generering av massa och/eller kraftvärme, torkat bränsle, pellets och drivmedel har genomförts och betydande fördelar har påvisats för integrering av en eller flera av dessa processer med befintliga massa- och pappersbruk samt kraftvärmeanläggningar[1][2][3]. Det finns dock potential att ytterligare utöka produktutbudet från båda dessa industrier genom att även inkludera nya typer av bränsleprodukter, kemikalier och material. De termokemiska processerna torrefiering samt snabb pyrolys, som studerats i detta projekt, är tekniker som under senare år tilldragit sig ökat intresse i detta sammanhang. 1.2 Beskrivning av forskningsområdet Torrefiering och snabb pyrolys är besläktade processer där syftet i båda fall handlar om att genom upphettning i syrefri miljö sönderdela vedråvaran och driva av lättflyktiga ämnen. Båda teknikerna kan anses utgöra varianter av pyrolys (av grekiskans pyro eld och lysis separering ). Valet mellan de två teknikerna beror på målsättningen med operationen. I fallet torrefiering är syftet att bryta ner vedråvaran för att minska den mekaniska hållfastheten hos den fasta återstoden, men även för att öka energidensiteten (både på vikts- och volymbasis) samt förändra materialets fuktupptagande egenskaper. I fallet snabb pyrolys är syftet att omhänderta de avdrivna ämnena och genom en snabb kylning försöka maximera bildandet av en vätska. En översikt av tidigare forskning gällande de två teknikerna ges nedan Torrefiering Torrefiering är en relativ gammal teknik (ordet har sitt ursprung i det franska språket och syftar primärt till rostning av kaffe) som under senare år har tilldragit sig ett stort intresse från energindustrin som ett sätt att producera ett förnyelsebart bränsle med andra (förbättrade/förändrade) egenskaper än traditionell biomassa. Idag finns en mängd företag som utvecklar tekniken mot kommersiell status varvid flera av dem kommit långt i sin utveckling med större pilot- och/ eller demoanläggningar, bl.a. Andritz, Topell Energy och svenskbaserade BioEndev. Flertalet av de tillgängliga torrefieringsteknikerna kommer ursprungligen från torkteknik-området och utbudet av olika teknologier och leverantörer är mycket stort. Sedan 2012 finns t.o.m. ett 1

17 gemensamt intresseorgan International Biomass Torrefaction Council (IBTC) etablerat i Bryssel. Den nutida utvecklingen och rådande teknikstatus är väldokumenterad och finns beskriven i ett flertal svenska och internationella publikationer[4][5]. I Sverige är det företaget BioEndev, en avknoppning från Umeå universitet, som kommit längst i utvecklingen av kommersiell torrefieringsteknik. Under 2015 avser BioEndev att bygga en storskalig demonstrationsanläggning med produktionskapacitet på ton/år i Holmsund utanför Umeå 1. Vidare har svenska AB Torkapparater utvecklat en torrefieringsreaktor baserat på sin torkteknik och har sedan flera år haft tillgång till en mindre pilotanläggning i Nässjö och Gotland för försöksverksamhet 2. Bland energiproducenter så har svenska Vattenfall varit ledande i utvecklingen och utvärdering av torrefierings- och steam explosionteknik och bl.a. genomfört förbränningsförsök i större skala i några av sina kraftvärmeanläggningar[6] Mycket av den svenska forskningen som bedrivits under senare år har varit kopplad till Umeå universitet, och därifrån finns även ett antal publiceringar tillgängliga men fler förväntas komma framgent[7][8] Snabb pyrolys Snabb pyrolys i avsikt att producera ett eldningsoljesubstitut och/eller bas för framställning av drivmedel eller kemikalier är ett område som tog fart efter den första oljekrisen i början av 70-talet. Omfattande forskning har genomförts på många håll i världen och flera relevanta översikter har upprättats [9][10] Ledande forskning har utförts bl.a. i Finland, Holland, Tyskland och USA. Ur ett internationellt perspektiv har forskningen i Sverige inte varit speciellt omfattande, men viss forskning sker idag inom akademin, främst KTH samt vid institut, främst ETC. Inom Värmeforsk har processer för snabb pyrolys endast studerats översiktligt år 2000[11]. En nyligen utförd studie inom ramen för Energimyndighetens Bränsleprogram omvandling [12] ger en bred översikt av produktion, integrering och användning av pyrolysvätska samt ekonomi-, miljö- och logistikaspekter som kan kopplas till tekniken. 1.3 Forskningsuppgiften och dess roll inom forskningsområdet Rapporten avser att ge en djupare kunskap om de termokemiska omvandlingsprocesserna torrefiering och snabb pyrolys, samt hur ett typiskt svenskt sulfatmassabruk och fjärrvärmeverk påverkas av en integration med ovanstående processer. Projektet har syftat till att öka förståelsen av integrationsmöjligheterna genom ett fördjupat tekniskt fokus avseende biströmmars sammansättning och hur de kan utnyttjas i kraftvärmeverket

18 I projektet har de termokemiska tillverkningsprocesserna modellerats utifrån i forskningslitteratur tillgängliga data gällande elementarsammansättning och värmevärde för råvaror, bränslen och bifraktioner från bränsleproduktionen. 1.4 Mål och målgrupp Det övergripande målet med studien är att öka kunskapen om hur termokemiska processer utöver förbränning kan utnyttjas för att skapa ökade värden av de materialströmmar som omsätts eller på ett naturligt sätt skulle kunna omsättas i massaindustrin respektive kraftvärmeindustrin. Vidare syftar studien till att utreda för vilka processer som positiva synergier kan erhållas genom samlokalisering jämfört med att uppföra fristående anläggningar samt betydelsen av dessa eventuella synergier. Mera specifikt har projektet haft som målsättning att för ett typiskt sulfatmassabruk och fjärrvärmeverk beräkna nyckeltal avseende möjlig produktionsskala och integreringsaspekter: 1. Årlig producerad mängd bränsle för avsalu (ton, m 3, MWh) 2. Förändring av inköpt bränslemängd i jämförelse med nuläge 3. Bränsleegenskaper för de nya produkterna 4. Förändring av elproduktion (MW, MWh/år) 5. Förändring av värmeproduktion (MW, MWh/år) 6. Förändring av anläggningens totalverkningsgrad Rapporten är avsedd att fungera som stöd till de företag som överväger att: 1. Öka sin självförsörjningsgrad: t.ex. minska inköp av externt bränsle genom egen tillverkning av fossilbränsleersättning och/eller 2. Starta produktion av mer eller mindre förädlade kol/oljesubstitut för avsalu. Rapporten kan även ge vägledning till dem som överväger att bli köpare av kol-och eldningsoljesubstitut. 3

19 2 Termokemisk omvandling 2.1 Allmänt Termokemisk omvandling kan indelas i olika delprocesser 1. Pyrolys Pyrolysen är det första termokemiska steget och är en blandning av samtidiga och på varandra följande kemiska reaktioner. När ett biobränsle värms upp i frånvaro av syre börjar det brytas ner. Lättflyktiga ämnen avges, samtidigt som resterande del bildar koks. Beroende på hur långt pyrolysen drivs används olika benämningar för processen. Till denna delprocess räknas torrefiering och karbonisering. 2. Förgasning Förgasning är en omvandling av ett fast bränsle till en brännbar gas. Förgasning innefattar pyrolys och relaterade följdreaktioner samt förgasning av koksåterstod. Målsättningen med förgasning är som regel att uppnå en gassammansättning med höga halter av de lågmolekylära ämnena H2, CO och CH4. 3. Förbränning Vid förbränning oxideras bränslet med full tillgång på syre (stökiometriskt eller överstökiometriskt) 4. Direktförvätskning I tillägg till de tre ovanstående som inbegriper reaktioner i gasfas finns en undergrupp där bränslet under högt tryck och temperatur i vätskeomgivning bryts ner och bildar gas, koks och vätskeformiga produkter. De två processer som studerats i detta projekt är båda varianter av pyrolys. Skillnaden mellan torrefiering och snabb pyrolys ligger främst i hur långt det termiska sönderfallet drivs. 2.2 Torrefiering Torrefiering av biomassa, även kallat mild pyrolys, är en teknik som via värmebehandling av biomassa i o C under 2-30 minuter i en syrefattig miljö producerar ett förnyelsebart kolliknande material. Extremen kan liknas vid produktion av vanligt grillkol men i praktiken är reaktionsbetingelserna för torrefieringsprocessen inte lika kraftiga. När biomassan värms upp i syrefattig miljö (efter den torkats) börjar den brytas ner via ett flertal olika reaktioner. Under den termiska behandlingen avgår lättflyktiga ämnen och vatten från den fasta biomassan. Typiskt är att biomassan tappar ca 20% av sin vikt på torrbasis men endast ca 10% av sitt energiinnehåll, därav den ökade energitätheten i torrefierat material [4][5]. Ett antal olika processer för framställning av torrefierat material har tagits fram. Processerna skiljer sig främst åt vad gäller reaktorutformning, d.v.s. det processteg där 4

20 biomassan upphettas i syrefri miljö. De olika processerna kan grupperas efter den principiella utformningen av reaktorn, där de vanligaste är följande 3 : Mutiple Hearth Furnace (MHF) Rotary drum reactor Moving bed reactor Screw conveyor reactor Torbed reactor Oscillating belt reactor TurboDryer Microwave reactor Reaktortyperna finns realiserade i olika grad av utveckling och kommersialisering och beskrivs kortfattat i nedanstående kapitel. Centralt för alla tekniker är att nå en bra omblandning av materialet (biobränslet) och det värmande mediet (normalt uppvärmd gas/rökgas eller ånga) samtidigt som god kontroll på uppehållstider och processtemperatur kan uppnås. Utöver att vara baserade på olika reaktorprinciper så kan teknologierna delas in i ytterligare två undergrupper beroende på om de nyttjar indirekt eller direkt värmning av materialet, d.v.s. om det värmande mediet (gas/ånga) är i direktkontakt med materialet eller om värmeöverföringen sker indirekt genom tuboch/eller mantelväggar i reaktorn. För en mer detaljerad beskrivning av teknikerna och leverantörer hänvisas till tillgänglig litteratur [4][5] Tillverkningsprinciper Mutiple Hearth Furnace (MHF) Reaktorn består av flera ugnshärdar som är vertikalt uppbyggd med en keramisk inmurning. Anläggningen består typiskt av mellan 6-12 härdar med en roterande centeraxel med armar. Materialet som skall behandla tillförs uppifrån och möter den varma rökgasen som strömmar nedifrån och upp Rotary drum reactor Reaktorn består av en roterande trumma som blandar materialet tillsammans med den uppvärmda syrefattiga processgasen. Principen efterliknar tekniken som finns för pyrolysreaktorer och rotertorkar Moving bed reactor Tekniken baserar sig på en vertikal transportreaktor där materialet matas uppifrån och transporteras av egen tyngd och/eller med hjälp av uppvärmd processgas Screw conveyor reactor Tekniken kallas även för Auger reaktor och är en skruvmatare där materialet värms med rökgaser. 3 Teknologierna benämns vanligen på engelska och detta har även anammats i detta arbete. 5

21 Torbed reactor Tekniken bygger på en reaktor som nyttjar en uppvärmd gasström som tillförs nedifrån med hög hastighet och skapar en toroidal (munkformad) gasström vilken blandar om materialet samtidigt som det lyfts uppåt i reaktorn Oscillating belt reactor Reaktorn består av en oscillerande bandtork där materialet transporteras framåt i en skakande rörelse samtidigt som en uppvärmd gas strömmar genom hål i bandet. Tekniken påminner om den för kommersiella band- eller bältestorkar TurboDryer Tekniken baserar sig på en reaktor bestående av en stapel av långsamt roterande cirkulära plattor. Material matas uppifrån och faller nedåt i en cirkulär rörelse (varv efter varv). Biomassan blandas därvid med uppvärmd gas vilken cirkuleras inne i reaktorn med interna fläktar Microwave reactor Som namnet antyder så baseras sig denna teknik på en reaktor som använder mikrovågor för torkning och torrefiering av materialet Produktkarakterisering Torrefieringsbetingelserna (uppehållstid och temperatur) är direkt avgörande för vilken sammansättning det fasta torrefierade materialet har efter att biomassan passerat genom reaktorn. Ett kraftigt torrefierat material kan ha tappat uppåt 40 vikt% av dess urspungliga vikt medan motsvarande viktförlust för ett milt torrefierat material kan vara nedåt 10%. Typiskt är att biomassan tappar ca 20% av sin vikt men endast 10% av sin energi, vilken avgår med de avdriva gaskomponenterna. I detta kapitel beskrivs de bildade fraktionerna torrefieringsgas och (fast) torrefierat material översiktligt. För fördjupad information finns en stor mängd vetenskaplig litteratur tillgänglig exempelvis. [4][5][13][14] Torrefierat material Det fasta torrefierade materialet utgör typiskt 80% (torr basis) av den ursprungliga biomassans vikt. Materialet ändrar inte storlek eller form under själva torrefieringsprocessen, däremot blir det sprödare och mörkare i färgen och får en doft av tjärämnen. Vid mildare torrefiering blir materialet brunt och vid mer intensiv behandling blir material grå-svart. Det sistnämnda förklarar varför den pelleterade formen av materialet ibland kallas black pellets Sammansättning I Tabell 3 ges en jämförelse av ett typiskt torrefierat material (TOP = Torrefied Pellets) och ett urval av andra fastbränslen. Jämfört med vanlig biomassa såsom skogsflis eller träpellets så framgår att andelen kol (C) är högre medan innehållet av syre (O) och väte (H) är lägre i det torrefierade material. Torrefierat material har därmed en sammansättning som kan efterliknas den för brunkol eller lignin (visas ej i tabellen). Vidare kan ses att fukthalten är något lägre än för vita träpellets. Värmevärdet för torrefierat material ligger typiskt i spannet MJ/kg, där de högre nivåerna normalt nås vid med mer kraftig torrefiering. Energidensiteten för torrefierat (pelleterat) material 6

22 kan förväntas ligga i spannet 15-18,7 GJ/m 3 vilken är uppåt 50% högre jämfört med vita pellets. Det skall dock tilläggas att tekniken kring att pelletera torrefierad biomassa ej kan anses vara färdigutvecklad, och det är framför allt hållfastheten och i viss mån vattenupptag i pelleten (över tid) som det finns varierande erfarenheter kring. Tabell 3. Jämförelse av sammansättning och bränsleegenskaper, indikativa värden. Data taget från Ekbom (2013) [4] Table 3. Comparison of elemental composition and fuel properties (indicative). Data taken from Ekbom (2013) [4] Skogsflis Träpellets TOP Träkol Stenkol Värmevärde, MJ/kg (LHV) Fukthalt, vikt % (~3) Askhalt, vikt % 2-4 <0,50 % <0,50 %? Max 4 % 3-20 % Volatiler, % (t.b.) Fixerat kol, % (t.b.) Bulkdensitet (kg/m 3 ) ~ Energidensitet (GJ/m 3 ) 2,0-3,0 7,5-10,4 15,0-18,7 6,0-6,4 18,4-23,8 Elementaranalys: C vikts % av TS ~50 50,8 59,7 ~87 ~50-90 H vikts % av TS ~6 6,24 5,6 ~3 ~3-6 N vikts % av TS ~0,2 0,1 0,25 n/a ~1,5 O vikts % av TS ~43 42,8 32,9 ~10 ~5-20 Damm Medel Begränsad Begränsad Hög Begränsad Hydroskopisk egenskap Hydrofil Hydrofil Måttligt Hydrofob Hydrofob hydrofob Biologisk nedbrytning Ja Ja Långsam Nej Nej Malningskrav Special Special Standard Standard Standard Handhavande Special Lätt Lätt Lätt Lätt Produkthållfasthet Begränsad Hög Medel/Hög Hög Hög Transportkostnader Hög Medel Låg Medel Låg Gas från torrefieringsprocessen Gasen från torrefieringsprocessen utgör typiskt 20% av den ursprungliga biomassans vikt. Beroende på om reaktorn har indirekt eller direkt värmning och med återrecirkulation av processgaser så kan den ur biomassan avdrivna gasen spädas ut med rökgas innehållandes bl.a. vattenånga. Ett område som inte får anses vara färdigutvecklat vad gäller torrefieringas är hur man hanterar utkondensering tjärämnen vid utkondensering av vattnet i gasen, och här finns olika teknik-koncept under utveckling Sammansättning Torrefieringsgas består av kondenserbara och icke-kondenserbara gaskomponenter. Sammantaget så är de största gaskomponenterna i en generell torrefieringsgas H2O, CO2 och CO. Vatten och CO2 utgör de huvudsakliga inerta gaskomponenterna i torrefieringsgas. CO2 och CO utgör typiskt 10-15% på volymbasis av hela gasvolymen. Utöver dessa komponenter så kan det även förekomma mindre andelar av ett antal gasformiga kolväten såsom metan och etylen men även formaldehyd, terpener, 7

23 merkaptaner, ammoniak samt organiska syror t.ex. ättiksyra. Generellt gäller att ju intensivare torrefiering desto högre blir CO-andelen av den icke-kondenserbara gasen. 2.3 Snabb pyrolys I detta kapitel beskrivs översiktligt grundläggande tillverkningsprinciper, kommersiellt tillgängliga tekniker och de olika producerade fraktionernas karakteristik. Snabb pyrolys av biomassa åstadkoms genom en liknande process som torrefiering med skillnaden att temperaturen är högre, kring 500 o C, samt uppvärmningstiden och uppehållstiden är väsentligt kortare. När biobränslet värms upp i frånvaro av syre börjar det brytas ner. Flyktiga ämnen avges samtidigt som resterande del bildar koks. Tre olika fraktioner bildas: Gas, kondenserbar ånga samt kol. Fördelningen mellan dessa fraktioner bestäms bl.a. av: - Reaktionsbetingelser: - Temperatur, uppvärmningshastighet och uppehållstid. - Råvaruegenskaper: - Råvarans sammansättning, ingående fukthalt samt förekomst av katalyserande ämnen i råvaran Vid snabb pyrolys eftersträvas normalt ett högt utbyte av ångor som kan kondenseras ner till en vätska som i litteraturen benämns pyrolysolja, bioolja, pyrolystjära eller pyrolysvätska. Pyrolysvätskan består av ett stort antal kemiska ämnen (>300), varav de flesta förekommer i små mängder. Pyrolys av ved för framställning av olika produkter är en verksamhet med en lång tradition. Redan för flera hundra år sedan framställdes tjära för träskyddsändamål och träkol för användning i stålindustrin med hjälp av pyrolys av ved Tillverkningsprinciper Alla tillverkningsprinciper bygger på att inkommande biomassa hettas upp i frånvaro av syre. För att undvika att biomassans sönderfall drivs för långt och/eller att följdreaktioner sker mellan reaktiva komponenter i de bildade ångorna så eftersträvas snabb upphettning, kort uppehållstid följt av snabb avkylning/kondensering. Ett antal olika processer för framställning av pyrolysvätska har tagits fram. Processerna skiljer sig främst åt vad gäller reaktorutformning, d.v.s. det processteg där biomassan upphettas i syrefri miljö. De olika processerna kan grupperas efter den principiella utformningen av reaktorn, de vanligaste är: Fluidiserande bädd - Bubblande fluidiserande bädd - Cirkulerande fluidiserande bädd Mekaniskt transporterat värmeöverföringsmaterial - Roterande kon reaktor - Skruvreaktor Ablativ pyrolys Vakuumpyrolys 8

24 Reaktortyperna finns realiserade i olika grad av utveckling och kommersialisering och beskrivs kort i nedanstående kapitel. För ytterligare information om de olika reaktortyperna hänvisas till tidigare publicerade rapporter exempelvis [12]. Ett antal ytterligare typer finns med liten eller ingen kommersiell relevans ex. vis mikrovågsreaktor, suspensionsreaktor och vakuumpyrolys. Dessa tekniker behandlas inte i denna rapport Bubblande fluidiserande bädd I en pyrolysprocess baserad på bubblande fluidiserande bädd, BFB, matas biomassan in i en reaktor innehållande fasta partiklar (i allmänhet sand). Genom blandningen av biomassa och sand pumpas en syrefri gas för fluidisering. Vid laboratorieanläggningar nyttjas ofta kvävgas, medan kommersiella anläggningar utnyttjar recirkulerande okondenserad gas från pyrolysens kondenseringssteg. Den fluidiserande bädden kan designas för att ge önskad uppehållstid i- och ovanför bädden. Efter reaktorn separeras koks från ånga/gas via cyklonering. Ånga/gas leds vidare till en eller flera kondensorer där den kondenserbara fraktionen avskiljs. En delström av de okondenserbara gaserna återuppvärms och leds tillbaka till pyrolysreaktorn som fluidiseringsmedium (bärgas). Temperaturen i reaktorn kan principiellt upprätthållas genom att värma fluidiseringsgasen eller genom att indirekt värma sanden i reaktorn Cirkulerande fluidiserande bädd Cirkulerande fluidiserande bädd, CFB är liksom BFB en väletablerad teknik. Till skillnad från i en BFB bädd cirkuleras bäddmaterialet i en CFB genom reaktorn och avskiljs från pyrolysångor och bärgas utanför reaktorn. Biomassan matas in i reaktorn. Bäddmaterial och pyrolysångor/gas leds därefter till en cyklon där gasen och de fasta partiklarna separeras. Koksen och sanden leds till en förbränningsreaktor där luft tillsätts. Koksen förbränns då varvid bäddmaterialet värms upp, varefter det återförs till pyrolsreaktorn. Liksom för den bubblande fluidiserande bädden utnyttjas cirkulerad okondenserbar gas som bärgas Roterande konreaktor Denna reaktortyp har utvecklats vid universitetet i Twente, Holland, sedan början av 90- talet. Reaktortypen har likheter med CFB på det sättet att het sand blandas med biomassa. En avgörande skillnad är att reaktorn består av en roterande kon där sand och kol separeras från gas/ånga med hjälp av centrifugalkraft. Koksfraktionen bränns i en BFB innan den heta sanden återförs till konens nederdel där den åter blandas med biomassa. Vid tidpunkten för denna rapports färdigställande har en pyrolysanläggning byggts klart för drifttagning i Holland av företaget BTG-BTL. Anläggningen beräknas få en verkningsgrad (bränsle till produkt) på ca 68 % räknat på LHV Skruvreaktor Reaktortypen har utvecklats vid Karlsruhe tekniska institut KIT (f.d. FZK) till en process (Bioliq) som utnyttjar en skruvreaktor med het sand för pyrolysering. I processen flyttas den heta sanden (eller annan värmebärare) mekaniskt och utan bärgas. Efter att sand och koks separerats återvärms sanden genom förbränning av okondenserbara gaser. 9

25 Ablativ pyrolys I laboratorieskala har byggts anläggningar för ablativ pyrolys där ved pressas mot en roterande het yta i syrefri miljö, varvid veden succesivt förångas. En pilotanläggning för ablativ pyrolys finns sedan ett par år också vid forskningsinstitutet ETC i Piteå. Vid denna anläggning så matas finmald biomassa in i en utifrån uppvärmd kon där biomassan hettas upp och där ångorna separeras från bildat koks Produktkarakterisering I detta kapitel beskrivs de bildade fraktionerna översiktligt. För fördjupad information finns en stor mängd litteratur tillgänglig, exempelvis [15][16][17] Pyrolysvätska Huvuddelen av de vid snabb pyrolys bildade gaserna har en så hög kondenseringstemperatur att de kan kondenseras till vätska vid atmosfärstryck och rumstemperatur. Benämningen på den bildade vätskan varierar: Pyrolysolja, pyrolystjära, bioolja m.fl. används. Olja definieras som en vätska som inte löser sig i vatten. Eftersom den kondenserade fraktionen från pyrolys är vattenlöslig är pyrolysolja egentligen inte en bra benämning och pyrolysvätska har istället använts i denna rapport. Mellan vikt% av den inkommande biomassan omvandlas till pyrolysvätska, en brun vätska med lågt ph och distinkt rökig lukt. Vatteninnehållet i pyrolysvätskan varierar mellan % beroende på bl.a. inkommande fukthalt. Vattnet befinner sig i lösning eller emulsion och kan inte avlägsnas genom exempelvis dekantering eller centrifugering. Utbytet av vätska beror bl.a. på råvara och processtemperatur Sammansättning och egenskaper Pyrolysvätskan innehåller flera hundra ämnen (utöver vatten), vilka grovt kan indelas i fem olika kategorier: aldehyder, ketoner, kolhydrater, karboxylsyror och fenoler[18]. De flesta ämnena finns i låga koncentrationer. En relativt stor andel organiska syror förklarar pyrolysvätskans låga ph-värde som är omkring 2-3. Gemensamt för alla pyrolysvätskor är det höga syreinnehållet, vilket i praktiken är den grundläggande orsaken till det låga värmevärdet och den dåliga lagringsstabiliteten. I tabell 4 nedan ges indikativa analysvärden för en pyrolysvätska producerad från grot. Som jämförelse ges värden även för en tung eldningsolja, Eo5. 10

26 Tabell 4. Indikativ sammansättning och egenskaper för en pyrolysvätska producerad från grot. Som jämförelse ges värden även för en tung eldningsolja, Eo5. Table 4. Indicative composition and properties of pyrolysis liquid produced from forest residues. Corresponding values for heavy fuel oil are given for comparison. Analyserad parameter Pyrolysvätska [16] Eo5 Effektivt värmevärde [MJ/kg] ,5 Vattenhalt [%] <0,1 Aska [%] 0,06-0,2 0,01 C [%] H [%] O [%] <0,5 S [%] *) <0,05 0,4 N [%] <0,4 0,35 Na [ppm] (0)-8 10 Ca [ppm] (0)-710 <10 K [ppm] (0) Densitet [kg/m3] 1,2 0,94 C [mpas] ph 3 N/A Gas från pyrolysprocessen Gaserna från pyrolysprocessen består av olika ämnen som inte är kondenserbara vid de förhållanden som råder i quenchen. Antalet ämnen kan vara relativt stort, men de flesta finns bara i mycket låga halter. En mycket stor andel av de icke-kondenserbara gaserna består av kolmonoxid, koldioxid och metan. 11

27 Sammansättning och egenskaper I nedanstående Tabell 5 ges typisk gassammansättning som finns angivna i litteraturen. Tabell 5. Typisk gassammansättning som finns angivna i litteraturen. Table 5. Typical gas composition found in literature. Gaskomponent Vikt%, torr gas[19] Vikt%, torr gas[20] CO CO CH Övrigt Koks I de kommersiellt sett mest relevanta teknikerna för snabb pyrolys så förbrukas koks för värmning av cirkulerande sand. I fristående eller samlokaliserade anläggningar så förbränns koksen i för ändamålet anpassade fluidiserade-bädd reaktorer. I fallet med integrerad pyrolys där koksen leds till den befintliga BFB pannan är det relevant att beskriva sammansättning och förbränningsegenskaper Sammansättning och egenskaper Koks från snabb pyrolys är ett helt torrt finkorning material med mycket hög kolhalt och låg halt av flyktiga komponenter. Elementarsammansättningen varierar beroende på råvara och driftsparametrar. Följande sammansättning kan anses representativ (vikt%): C=75-85%, O=10-20%, H=2-5%. Askhalten i koks är betydligt högre än för den ingående råvaran. 2.4 Integreringsaspekter Samlokalisering/integrering av bränsleproduktion med kraftvärmeproduktion innebär naturligtvis ett mycket stort antal potentiella integreringsmöjligheter inom ett flertal områden såsom logistik, bemanning, underhåll etc. I denna rapport behandlas aspekter kring energiintegrering utifrån de olika fraktionernas förbränningsegenskaper nedan. Övriga generella integreringsmöjligheter har inte behandlats i detta projekt Förbränningsegenskaper för nya bränslena I detta kapitel görs en översiktlig analys och jämförelse av de nya bränslenas förbränningsegenskaper. De nya bränslen kan dels nyttjas internt inom bioenergikombinatet och dels som avsalubränslen. Till den förstnämnda kategorin hör torrefierings- och pyrolysgas samt pyrolyskoksen medan det torrefierade (fasta) bränslet samt pyrolysvätskan i första hand är aktuellt som avsalubränsle. I fallet att bränslen nyttjas internt inom biokombinatet så bör de jämföras med basbränslet för kombinatet, vilket i detta arbete är fuktiga skogs- eller träbränslen. Ett av de tänkta stora användningsområdena för torrefierad biomassa är som sameldningsbränsle med kol eller som enskilt mono-bränsle i större pulvereldade kraftvärmeverk eller förgasningsanläggningar, och en jämförelse med ett (sten)kolsbränsle alternativt vita 12

28 träpellets bedöms därför var mest relevant. Pyrolysvätska är en tänkt ersättare för konventionella (fossila) oljebränslen och bör därför jämföras med dessa bränslen. Nedan följer en jämförelse av ett de nya bränslena och några olika typer av kommersiella bränslen med avseende adiabatisk flamtemperatur och specifik rökgasmängd. Data i jämförelserna är hämtade från tillgänglig litteratur, och beräknade med mjukvaran FuelSim, och skall i detta sammanhang endast ses som indikativa och som stöd till diskussionen om förbränningsegenskaper för de bränslen som studeras i detta arbete. Vid förbränning så utgör flamstrålning en stor del av värmeöverföringen i de delar av anläggningen där värmeupptaget sker i anslutning till flamman. På grund av det tydliga sambandet mellan temperatur och strålning (strålningsintensitet är proportionell mot temperatur T 4 ) ger en högre flamtemperatur att mer värme kan avges i form av flamstrålning jämfört med en svalare flamma. En högre andel avgiven värme via strålning kyler av flamman mer effektivt med konsekvens att andelen värme som behöver tas upp i efterföljande (konvektiva) värmeöverförande ytor minskar samt att den faktiska rökgasvolymen blir mindre p.g.a. av svalare rökgas. Kombinationen av en hög flamtemperatur och låg specifik rökgasmängd, uttryckt som Nm 3 /MJ tillförd bränsleeffekt, blir därför ett mått på ett bränsles verkningsgrad i att kunna överföra energi till de värmeupptagande ytorna i en generell process. För en anläggning som kör nära sitt maximum, vilket är fallet för de integrerade fallen i detta arbete så kan införandet av de nya bränslefraktionerna ha viss inverkan på anläggningens maxprestanda och verkningsgrad, t.ex. kan begräsningar i rökgasflöden och förändrat värmeupptag i anläggningens olika delar uppstå om större andelar av de nya bränslena tillförs processen mot det att man backar på dess basbränsle. Figur 3 visar adiabatisk flamtemperatur för ett antal olika bränslen, inklusive tre torrefierade bränslen, torrefieringsgas, pyrolysvätska, pyrolysgas och pyrolyskoks medan Figur 4 visar specifik rökgasmängd för samma bränslen. 13

29 Figur 3. Figure 3. Adiabatisk flamtemperatur för ett antal olika bränslen, inklusive tre torrefierade bränslen, torrefieringsgas, pyrolysvätska, pyrolysgas och pyrolyskoks, indikativa data. Data taget från [21]. Adiabatic flame temperature of a selection of various fuels including three torrefied fuels as well as pyrolysis liquid, pyrolysis gas and pyrolysis coke (indicative) [21]. 14

30 Figur 4. Figure 4. Specifik rökgasmängd för ett antal olika bränslen, inklusive tre torrefierade bränslen, torrefieringsgas, pyrolysvätska, pyrolysgas och pyrolyskoks, indikativa data. Data taget från [21]. Specific flue gas volume of a selection of various fuels including three torrefied fuels as well as pyrolysis liquid, pyrolysis gas and pyrolysis coke (indicative)[21] Förbränningsegenskaper torrefierat material Ett av de tänkta stora användningsområdena för torrefierad biomassa är som sameldningsbränsle med kol eller som enskilt mono-bränsle i större pulvereldade kraftvärmeverk eller förgasningsanläggningar. Ett torrefierat material har en mer gynnsam elementarsammansättning, bl.a. en lägre O/C-kvot, vilket är viktigt i förgasningssammanhang, samtidigt som det blir mera sprött och lämpar sig bättre för pulverisering i kvarnar designade för typiska (kristallina) kolbränslen. Produkten är till stor del vattenavvisande (dock finns ett visst vattenupptag till mellan 1-6% upptag av fukt) och har därmed förutsättning till att kunna lagras utomhus. Det ökade värmevärdet gör dels att befintliga bränsletransportörer (i en förbränningsanläggning) belastas mindre, dels att det logistikmässigt blir enklare att motivera längre transportavstånd. Jämfört med obehandlad biomassa ökar askinnehållet i motsvarande torrefierade biomassa proportionellt mot hur mycket volatila komponenter som drivits av från den fasta biomassan. Unders senare år har ett antal utredningar rörande samförbränning av torrefierad biomassa och stenkol gjorts. Flertalet av studierna har omfattat förbränningsförsök i varierande skala, allt i från lab.skala till ett mindre antal försök i större anläggningar. Den generella bedömningen är att inblandning kring 50 vikt%, ca 40 energi%, bör kunna göras utan större modifieringar i befintliga anläggningar. Generellt är det 15

31 bränslehantering och kvarnanläggningarna som har begränsat högre inblandning[6][22][23]. I Sverige, där nyttjandet av kol för energiproduktion är mycket begränsad, så bör intresset för nyttjandet av torrefierad biomassa vara mer riktat mot anläggningar som i dag eldar träpulver och vid konvertering av gamla olje- och kol- och torvpannor till biobränslen. I Figur 3 ovan så framgår att skillnaderna i adiabatisk flamtemperatur mellan vita träpellets och de torrefierade bränslena inte är så stora, mellan 2-6% (30-80 o C) högre för de torrefierade bränslena. Relativt eldningsoljorna 1 och 5 samt stenkolet så är flamtemperaturen för de torrefierade bränslena ca 10% respektive 5% lägre ( o C). Jämfört med ett fuktigt träbränsle (45% fukt) så är flamtemperaturen ca 30% högre för de torrefierade bränslena. I Figur 4 framgår att två av de torrefierade bränslena uppvisar något lägre specifik rökgasvolym än vanliga träpellets. I jämförelse med oljebränslena så har torrefierat bränsle mellan 5-10% högre specifik rökgasvolym. Stenkolet i just detta exempel resulterar i högre specifik rökgasvolym jämfört med de torrefierade bränslena. Jämfört med ett fuktigt träbränsle (45% fukt) så är specifik rökgasvolym ca 40% lägre för de torrefierade bränslena. Baserat på flamtemperatur och rökgasmängd kan det i det generella fallet sägas att ett torrefierat material jämfört med vanliga träpellets bör vara något mer effektiv i sitt sätt att överföra värme till värmupptagande ytor i en generell förbränningsanläggning men att skillnaden inte är speciellt stor. I praktiken bör dock de torrefierade materialet kunna malas något finare än vanliga träpellets och detta kommer då att förstärka fördelarna med torrefierade bränslen i en sådan enklare jämförelse. Stenkolsbränslet uppvisade förvisso högre flamtemperatur men även högre specifik rögasvolym jämfört med de torrefierade bränslena, d.v.s. två parametrar som i någon form är motvikter till varandra och därmed kan det antas att skillnaderna mellan de båda bränslekvaliteterna är i lägre skalan sett över alla värmeupptagande ytor i en anläggning. Nyligen genomförda CFD-simuleringar, [23], indikerar att värmeöverföring endast påverkas marginellt vid inblandning av vikt% torrefierat bränsle i stenkolsbränsle, vilket stödjer antagandet att värmeöverföringsprestandan bränslena emellan inte skiljer sig så mycket åt men att stenkol är något mer effektiv i detta perspektiv. Jämfört med de båda oljebränslen (EO1, EO5) så är det tydligt att de förstnämnda är mer effektiva i sin värmeöverföring. Dessutom finns fundamentala skillnader i hur en olja, men givetvis även vätskeformiga bränsle generellt, kan finfördelas i en brännare jämfört med ett pulveriserat fastbränsle, och detta påverkar i stor utsträckning flamkaraktäristiken och flammans förmåga att överföra värme till omgivande ytor. En olje/vätskeflamma kan generellt göras mycket kompaktare/mindre än en fastbränsleflamma och kommer därmed att kunna överföra mer energi via strålning i ett förbränningsutrymme med given volym. Det sistnämnda är speciellt viktigt i förbränningsapplikationer där flamstrålning står för större delen av den avgivna värmen, t.ex. i mesaugnar och andra kiln-applikationer. 16

32 Förbränningsegenskaper torrefieringsgas Eftersom att torrefieringsgas ofta föreslås nyttjas för att, via förbränning, generera den energi som torrefieringsprocessen behöver för att drivas så är dess förbränningsegenskaper av intresse att studera. I de integrerade fallen i denna studie så antas att överskottsgasen återförs till kraftverkspannan, via en separat gasbrännare, och därmed tränger undan anläggningens normala bränsle. I detta arbete har det antagits att gasen bör kunna eldas relativt oproblematiskt ovan bädd i en fastbränslepanna. Endast ett fåtal publikationer där praktiska förbränningsegenskaper för torrefieringsgas presenteras har hittats i detta arbete. Värmevärdet på torrefieringsgas finns presenterat i flertalet publikationer och spannet är mycket brett: från ca 5 16 MJ/Nm 3 [24],[14]. Värmevärden i den högre skalan förutsätter sannolikt mycket specifika processbetingelser bl.a. kraftig torrefiering och indirekt värmning. Värmevärdena i den lägre delen av spannet är mer sannolikt de som är att förvänta från de flesta torrefieringsprocesser som utvecklas i dag. Bergman m.fl. [25] kommenterar att den adiabatiska flamtemperaturen för en torrefieringsgas bör ligga minst 400 C över antändningstemperaturen för den mest svårantända gaskomponenten för att förbränning skall kunna vidmakthållas. I detta fall var det gaskomponenterna CO och fenol med antändningstemperaturer kring 600 C som bedömdes vara primärt begränsade för förbränningen, d.v.s. adiabatiska flamtemperaturen bör vara minst 1000 C för att kunna underhålla förbränningen av gasen. Vid lägre adiabatiska flamtemperaturer (< ~1000 C) kan det bli mycket svårt att hålla en stabil flamma utan tillsatsbränsle. I tillgänglig litteratur redovisas ett spann som typiskt ligger mellan C för adiabatiska flamtemperaturer för (ickekondenserad) torrefieringsgas [21]. I Figur 3 ovan så framgår att den torrefieringsgas, som i detta exempel är torr, d.v.s. allt vatten antas vara utkondenserat, och innehåller ca 70% CO2, 30% CO samt <0,4% CH4, har en adiabatisk flamtemperatur kring mellan 1000 C. Detta indikerar att denna gas, bör kunna förbrännas utan stödbränsle. Jämfört med ett fuktigt träbränsle (45% fukt) så är flamtemperaturen ca 30% högre för de fuktiga träbränslet (ca 300 C). I Figur 4 visas att torrefieringsgasen har ca 10% lägre specifik rökgasvolym än det fuktiga träbränslet, men att det är ca 20% högre jämfört med det för naturgas. En gasflamma bör kunna upprätthållas med lägre luftöverskott jämfört med motsvarande fastbränsleförbränningen i en fluidiserad bädd, vilket kommer att vara positiv m.a.p. både temperatur och rökgasmängd. P.g.a. av flamkaraktäristiken hos en gasflamma så kan det förväntas att den kan generera en något mindre luminös flamma vilket kan ge en något lägre andel värmeöverföring via strålning och därmed en varmare rökgas längre bak i pannan. Sammantaget görs dock bedömningen att tillförsel av torrefieringsgas till en fastbränslepanna kan komma att begränsa värmeupptagningen i pannan och därmed även dess verkningsgrad. Beroende på gasens sammansättning kan även mängden/volymen producerad rökgas förväntas vara oförändrad till att öka något, p.g.a. av varmare rökgas efter eldstaden, och därmed begränsa totalt rökgasflöde som kan transporteras genom anläggning och därmed även dess maxeffekt vid en given 17