BRÄNSLEADDITIV OCH SAMELDNING FÖR REDUKTION AV STOFTEMISSIONER I BIOBRÄNSLEELDADE NÄRVÄRMEANLÄGGNINGAR

Transkript

1 Framtida Närvärme - Workshop 2, Stockholm 30 November 2017 BRÄNSLEADDITIV OCH SAMELDNING FÖR REDUKTION AV STOFTEMISSIONER I BIOBRÄNSLEELDADE NÄRVÄRMEANLÄGGNINGAR Christoffer Boman Thermochemical Energy Conversion Laboratory (TEC-Lab) Umeå universitet

2 Bränsleadditiv och sameldning för reduktion av stoftemissioner i biobränsleeldade närvärmeanläggningar Projekt inom Energimyndighetens Bränsleprogram Projekttid: Deltagare: Umeå universitet, Luleå tekniska universitet, RISE-SP, Umeå Energi Budget: 2.4 MSEK (88% Energimyndigheten, 12% Medverkande företag)

3 Övergripande syfte: Att utveckla och optimera metoderna att använda bränsleadditiv och sameldning för att reducera stoftutsläppen från biobränsleeldade närvärmeanläggningar Projektet ska bidra till att vi bättre kan besvara följande frågor: Vilka emissionsminskningar av partiklar kan åstadkommas vid olika doseringar för specifika bränsle-panna applikationer? Kan additiv eller bränsleblandningar ge tillräckliga förbättringar? Kan bättre processtyrning och -optimering sänka emissionerna av partiklar? Hur långt kan man komma genom en kombination av bränsleadditiv/sameldning och processtyrning?

4 Fraktionering av askämnen i en panna helt avgörande för drift- och partikelproblem! Flue gas convection path and chimney Chlorides (s,l) (-Cl) Carbonates (s,l) (-CO 3 ) Sulfates (s,l) (-SO 4 ) Na 2 O K 2 O CaO MgO Furnace, grate (bottom ash) Silikater (s,l) (-SiO 2..) Fosfater (s,l) (-P 2 O 5..)

5 Dm/d log(dp) (mg/nm 3 ) Partikelemissioner från biobränsleeldade närvärmeanläggningar 120 Partikelemissioner (storleksfördelning) från 2 MW biopanna % load 100% load ,01 0,10 1,00 10,00 Particle diameter Dp (µm) Own data (by UmU/LTU) from measurements in 2 MW boiler (unpublished) Kaoliniten (mineral) i kaolinleran fångar K-ångor och bildar fasta produkter i askan som inte smälter! From: Olli Sippula, PhD thesis 2010, Kuopio University I) Al2Si2O5(OH)4 + 2KCl 2KAlSiO4 + H2O +2HCl II) Al2Si2O5(OH)4 + 2KCl + 2SiO2 2KAlSi2O6 + H2O + 2HCl

6 Möjligheter med askkemiska åtgärder att minska utsläppen Slutsatser från ERA-NET projektet Small Scale biobased CHP ( ) Opublicerade data, visas ej här! Upp till 60-70% reduktion av fina partiklar har setts i lab-studier i små brännare/pannor! Men forskningen har också visat att det skiljer sig mycket mellan olika bränslen (askhalt och sammansättning), driftförhållanden, förbränningstemperatur, m m!

7 Möjligheter med askkemiska åtgärder att minska utsläppen Slutsater från ERA-NET projektet Small Scale biobased CHP ( ) Two examples with different cases for the application of using kaolin additive are here given with specific recommendations: Case 1: High quality standard (class A1) woody (spruce/pine) fuels, with ash content wt-% and K concentration <600 mg/kg d.s. Theoretical (stoichiometric) adjusted level of kaolin addition is about 0.2 wt-%. Previous reported studies have used e.g. 0.2, 1.0 and 3.0 wt-% addition of kaolin. Full reduction potential has not been seen at 0.2% but at 1.0%. Adjusted suitable level for this kind of fuel should therefore be somewhere around wt-%. Case 2: Traditional SRC (willow, salix, poplar) with ash content around 1%, and K concentration in the range mg/kg d.s. Theoretical (stoichiometric) adjusted level of kaolin addition is wt-%. Very scarce empirical information available. Adjusted suitable level must be set from case-to-case in the range of around wt-% kaolin, due to significant variations between fuel assortments.

8 NYTT EU DIREKTIV - MEDELSTORA FÖRBRÄNNINGSANLÄGGNINGAR (MCP) Trädde i kraft i 18 december 2015 Anläggningar med mellan 1-50 MW Krav på utsläpp av stoft, kväveoxider och svaveldioxid Krav på register, anmälningsförfarande, kontrollmätning, tillsyn och rapportering av utsläpp till EU. Genomfört senast 19 dec 2017 Krav för nya anläggningar - 20 december 2018, för befintliga anläggningar - 1 januari 2025/ NATURVÅRDSVERKET SWEDISH ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY 8

9 NYTT EU DIREKTIV - MEDELSTORA FÖRBRÄNNINGSANLÄGGNINGAR (MCP) NATURVÅRDSVERKET SWEDISH ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY 9

10 Projektets upplägg och genomförande WP1 Optimering och demonstration av koncept med bränsleadditiv i närvärmepannor Försök i fullskala med kaolintillsats till träpellets i en närvärmeanläggning hos Umeå Energi. Test med olika tillsatsmetoder, additivnivåer och lastförhållanden. WP2 Ny kunskap om inverkan av bränsle- och förbränningsparametrar på bildning av fina partiklar vid eldning av askrika bränslen Kompletterande grundläggande studier kring bränsle- och asktransformationsprocesser, fokus på fina (<1 um) partiklar i samband med användning av bränsleadditiv och sameldning av olika råvaror. Experimentella studier i små lab-reaktorer och brännare. WP3 Syntes och definition av koncept för effektivt nyttjande av bränsleadditiv och sameldning Sammanställning och syntes av resultat i denna studie, både från fullskaleförsök och från lab-studier, samt kunskap och erfarenheter från tidigare forskning och utveckling, med avseende på applicering av bränsleadditiv och sameldning för att reducera drifttekniska problem och stoftemissioner.

11 Lab-försök: grundläggande fenomen i liten skala (WP2) Kompletteras med en rad olika analytiska metoder Tidsupplöst detaljerad information om askkemi och askfysik i bränsleomvandlingens olika delar Strandberg A, et al. Work in progress

12 Ex. från studier av askförlopp och kemi vid förbränning med enstaka pellets Asksammansätting för Poppel (P) och Vetehalm (WS) efter full förbränning av enstaka pellets Fagerström J, Steinvall E, Boström D, Boman C. Fuel Processing and Technology 2016;143: Strandberg A, et al. Work in progress

13 Olika bränslen (råvara) kan uppvisa stor variation i asksammansättning! Data från pågående ERA-NET projekt BioFlex

14 Umeå Energi s närvärmepanna i Hörnefors (WP1) Umeå

15 Fält studier - Additiv 2 kampanjer (vår och hörst 2017) med mätningar i närvärmepanna i Hörnefors utanför Umeå (rosterpanna 1.5 MW, fin träpellets). Fokus på partikelemissioner mätt med impaktor (storleksfördelat) i rökgaser efter panna, innan cyklon (PM10, PM1). Mätning vid låg (0.4 MW) resp. hög (1.4 MW) last, vid stabil drift. Tester effektivitet vid dels tillsats separat med dosering i bränslematning och dels sampelleterat. Kaolintillsats i två nivåer, utifrån tidigare erfarenheter och beräkningar.

16 Påverkan på partikelutsläppen vid kaolintillsats i fullskala (prel. resultat från Hörnefors)

17 Påverkan på partikelutsläppen vid kaolintillsats i fullskala (prel. resultat från Hörnefors) Tillsatt kaolin separat Kaolin sampelleterat Utsläppen redovisade som mg/nm3 (vid 10% O2) Tyder på god potential till utsläppsreduktion (minst 50% av PM1), men mer svajigt för grövre PM. Lite otydligare effekter vid hög last, vilket kan ha fler orsaker. Tillsatt kaolin separat Kaolin sampelleterat

18 Syntes kring additiv och sameldning (WP3) Ex. Sameldning Bio-Torv som exempel på hur bränslet och askan kan designas för att förbättra egenskaperna och prestandan, s.k. Fuel design Sammanställning av asksammansättningen (fokus K-Ca-Si) i några biobränslen och mixar med torv (från tidigare studier)

19 Några exempel från tidigare forskning och tester i lab och fullskala Minskade partikelutsläpp! Påverkan på både K-avgång och slaggning olika torvar! Mätningar i närvärmepanna Skellefteå Kraft, 2014/2015 (opublicerat) Fagerström et al., Energy and Fuels 2014.

20 Sammanfattning Intressanta och lovande resultat från fullskalemätningar med kaolintillsats utvärdering pågår! Additiv antagligen främst en möjlighet för befintliga anläggningar? Att samelda bränslen/råvaror (Fuel design) har stor potential att öka användbarheten hos problematiska råvaror genom att reducera driftproblem, emissioner, samt att ge ökat resursutnyttjande och möjliggöra förädling av ämnen i bränslena. Men det finns problem/utmaningar t ex nyttjande av torv, bioslam Syntesarbete pågår kring kunskapsläget kring detta, inom detta och andra projekt, vilket ska hjälpa till att utveckla/definiera koncept för applicering och underlätta implementering. Visa på bra exempel och öka medvetenheten kring möjligheterna!

21 Tack! Projektdeltagare vid LTU och RISE Umeå Energi Energimyndigheten och till er som lyssnat!