IMPREGNERAD TRÄKUBB SOM BRÄNSLE. Dr. Karin Granström

Transkript

1 IMPREGNERAD TRÄKUBB SOM BRÄNSLE Dr. Karin Granström Avdelningen för Miljö- och Energisystem Institutionen för Ingenjörsvetenskap, Fysik och Matematik Karlstads universitet 2005

2 2

3 SAMMANFATTNING Träkubb med fuktkvot på knappt 6% impregnerades med en olja med effektivt värmevärde på 10,3 kwh/kg. Kubb som nedsänkts i olja under 6 till 127 timmar fick oljehalter räknat på torrsubstans på 75 till 105% för tall och 90 till 115% för gran. Vid förvaring i 50 C läckte olja från kubb med oljehalt över 110% för gran och 100% för tall. Kubb som sprayats med vatten till 20% fukthalt och med olja till 5 kwh/kg gav inga problem med läckage. Förbränning av sådan kubb gav emissioner av NO, NO x, SO 2 och CO av samma storleksordning som vid eldning med pellets. Det var nödvändigt att göra smärre justeringar av pelletsbrännarens glödstift för att tändningen skulle fungera. Inmatning med matarskruv fungerade dåligt med kubbens nuvarande form. Frysning av kubben verkade inte påverka dess tändningsegenskaper negativt. 3

4 INNEHÅLLSFÖRTECKNING Sammanfattning... 3 Innehållsförteckning... 4 Bakgrund... 5 Material och metod... 6 Resultat och diskussion... 7 Träkubb... 7 Impregneringsmedel... 7 Impregnering... 7 Värmevärde... 8 Förbränningsförsök... 9 Fryst kubb Slutsatser Vidare forskning Referenser

5 BAKGRUND Företaget Torsby Utvecklings AB (TUAB) har gett Karlstads universitet (KaU) i uppdrag att undersöka om impregnerad träkubb är lämpligt som alternativ till pellets. Syftet med impregneringen är att höja träkubbens energivärde till att bli i nivå med energivärdet i pellets. KaU fick i uppdrag att utprova lämplig impregneringsmängd, undersöka lagringsegenskaper, samt mäta emissioner vid eldning av den impregnerade träkubben i en pelletsbrännare. Uppdraget omfattade följande analyser: Bestämning av fuktkvot och volymvikt. Bestämning av värmevärde och innehållsdeklaration för impregneringsmedlet. Testserie för att se lämplig impregneringsmängd, baserat på visuell bedömning och hanteringsegenskaper. Undersöka om lagring i 50 C ger läckage av impregneringsmedel från kubben. Undersöka om förvaring i 20 C påverkar antändningsegenskaperna. Förbränningsförsök med bestämning av mängden bottenaska, ingående lufttemperatur och utgående rökgastemperatur, samt emissioner av CO, CO 2, THC, NO x och O 2. 5

6 MATERIAL OCH METOD Träkubb och impregneringsmedel (olja) tillhandahölls av TUAB. Träkubbens fuktkvot 1 bestämdes genom torkning i 103 C i 24 timmar. Träkubbens densitet bestämdes i enlighet med svensk standard SS Oljans värmevärde bestämdes enligt metod ASTM D240-92, och dess sammansättning enligt metod ASTM D För att bedöma hanteringsegenskaper gjordes en serie impregneringar. Träkubb av gran respektive tall täcktes med olja och impregnerades i rumstemperatur i 6 till 127 timmar. Varje prov gjordes med ca 24 g kubb och 150 g olja. Kubben fördelades sedan mellan förvaring i frys, förvaring i rumstemperatur och förvaring i 50 C. Läckage och hanteringsegenskaper observerades efter 2 respektive 4 dagar. Värmevärdet på impregnerad kubb beräknas från värmevärdet på impregneringsoljan och värmevärdet på torrt trä: H i = TS kubb H TS + Olja H olja Kubb + Olja H (i) = effektiva värmevärdet för impregnerad kubb H eff(ts) = effektiva värmevärdet för torr kubb (data i tabell 1) H eff(olja) = effektiva värmevärdet för impregneringsoljan Kubb = vikt på kubben (g) Olja = vikt på absorberad olja (g) TS kubb = vikt på kubbens torrsubstans (g) Tabell 1. Värmevärde för några vanliga bränslen. H eff (MJ/kg) H eff (kwh/kg) Referens Tall stam (TS) 19,31 5,4 Nurmi 1993 Gran stam (TS) 19,05 5,3 Nurmi 1993 Pellets 16,8 4,7 Bioenergihandboken Brännved (25% fuktkvot) 13,8 3,8 Bioenergihandboken Färsk ved 9 2,5 Nurmi 1993 Fossilolja (Eo 1) 42,7 11,9 Bioenergihandboken Förbränningsförsök gjordes i en pelletsbrännare av typen Torsby-ugnen. Rökgaser leddes genom en Testo 339 rökgas-förberedare med kondensatfälla och partikelfilter, och analyserades med en Testo 33 rökgasanalysator, båda från Nordtec instrument AB. Analyserade ämnen var O 2, NO, NO x, SO 2 och CO. Halten CO 2 i rökgaserna beräknades från uppmätt syrehalt och bränslespecifikt värde på maximalt CO 2 -värde. Luftöverskottet beräknades som maximalt CO 2 /uppmätt CO 2. Temperatur på ingående luft och utgående rökgaser mättes med Testo 33. VOC analyserades inte då det skulle krävt uppstart av ett annat analysinstrument, en FID, vilket är förenat med kostnader för uppstartsarbete och inköp av 1 Fuktkvot = vatten/ts; Fukthalt = vatten/total vikt 6

7 kalibreringsgas, kvävgas och vätgas. Efter överenskommelse med TUAB genomfördes inte bestämning av mängden bottenaska. RESULTAT OCH DISKUSSION Träkubb Enligt offert ska försök utgå från en fuktkvot på 20%, men träkubben hade torkat i rumstemperatur till en fuktkvot på knappt 6%, se tabell 2. Tabell 2. Fuktkvot och fukthalt för gran- och tallkubb. GRAN TALL Prov Fuktkvot (%) Fukthalt (%) Fuktkvot (%) Fukthalt (%) 1 5,84 5,52 5,93 5,59 2 5,78 5,47 5,99 5,65 3 5,79 5,47 5,91 5,58 Medelvärde 5,80 5,48 5,94 5,61 Volymvikten för obehandlad kubb med den aktuella fuktkvoten var 230 kg/m 3 för gran och 250 kg/m 3 för tall. För impregnerad kubb beror volymvikten av oljehalten. Impregneringsmedel Impregneringsmedlet analyserades med avseende på kalorimetriskt värmevärde, effektivt värmevärde och sammansättning. Resultat enligt tabell 3. Kalorimetriskt värmevärde (Gross Calorific Value, Hcal) är den energimängd som frigörs vid fullständig förbränning av bränslet. Effektivt värmevärde (Net Calorific Value, Heat value, Heff ) är det kalorimetriska värmevärdet minus den energi som binds i vattenångan i rökgaserna. Tabell 3. Oljans värmevärde och sammansättning [Analys av Saybolt AB]. Analys Värde Kalorimetriskt värmevärde 39,76 MJ/kg Effektivt värmevärde 37,19 MJ/kg (10,3 kwh/kg) C 76,4 mass% H 12,1 mass% N <0,1 mass% Impregnering Kubbarna får snabbt en oljehalt på 80% för tall och 90% för gran, se figur 1. Halten ökar relativt snabbt tills kubbarna impregnerats i ca 50 timmar, då ökningen planar ut. Detta betyder dock inte att kubben är mättad med olja. I kubb som impregnerats i 127 timmar hade oljan bara trängt in några millimeter i träet. Gran drar åt sig mer olja än tall gör. Högre fuktkvot i träet hade troligen gett mer inträngning [Ulvcrona 2004]. 7

8 Impregnering Olja/TS (vikt%) Impregnering av träkubb i rumstemperatur 120% 110% 100% 90% 80% gran tall 70% Impregneringstid (h) Figur 1. Impregnering av träkubb över tid. Läckage och hanteringsegenskaper Impregnerad kubb som placerats på papper i rumstemperatur läckte i samtliga fall olja. Frysta kubb var lätthanterliga och läckte inte alls. Förvaring i 50 C gav läckage från klossar som impregnerats i mer än 62 timmar, vilket motsvarar en impregneringsmängd på mer än 110% för gran och mer än 100% för tall. Värmevärde Värmevärdet för kubb i impregneringsserien beräknades, se tabell 4 och figur 2. Tabell 4. Värmevärde för impregnerad kubb. GRAN TALL Tid Impregnering Värmevärde Impregnering Värmevärde (h) (%) (kwh/kg impregnerat trä) (%) (kwh/kg impregnerat trä) , , , ,28 26, , , , , , , , , , , , , , ,67 8

9 värmevärde (kwh/kg) Värmevärde på impregnerad träkubb 8,00 7,90 7,80 7,70 7,60 7,50 7,40 7,30 7,20 7,10 7,00 70% 80% 90% 100% 110% 120% Figur 2. Värmevärde för impregnerad träkubb. impregnering (olja/ts) gran tall Efter diskussion med TUAB bestämdes att kubben skulle få ett värmevärde motsvarande cirka 5 kwh/kg för naturtorkat trä. Lämplig oljemängd beräknades för trä med fuktkvot på 20 respektive 30%, se tabell 5. Tabell 5. Mängd olja till träkubb med fuktkvot på 20 resp 30%, för värmevärdet 5 kwh/kg. GRAN TALL 20% fuktkvot 30% fuktkvot 20% fuktkvot 30% fuktkvot Oljemängd per kg träkubb (g) Då den tillhandahållna träkubben hade lägre fuktkvot än 20% sprayades den kubb som användes i förbränningsförsök med en blandning av olja och vatten till avsedd fukt- och oljehalt, se tabell 6. Vatten- och oljeblandning sprayades på kubben med blomspruta; i industriell tillämpning kan dysor användas. Om kubben doppas i olja blir oljehalten högre än vad som krävs för avsett värmevärde. Tabell 6. Kubb använd vid förbränningsförsöken. Beräknad mängd vatten för 20% fuktkvot och olja för värmevärde 5,1 kwh/kg. trä (g) TS (g) vatten (g) ny fuktkvot olja (g) olja/ts kwh/kg TS kwh/kg imp trä Gran % 150,0 16% 7,0 5,16 Tall % 130,0 14% 6,8 5,08 Grankubb med tillsatt mängd vatten för 20% fuktkvot och olja för 5,3 kwh/kg. Nr trä (g) TS (g) vatten (g) ny fuktkvot olja (g) olja/ts kwh/kg TS kwh/kg imp trä % % 7,6 5, % % 7,5 5,3 Grankubb med tillsatt mängd vatten för 20% fuktkvot och dubbel mängd olja. trä (g) TS (g) vatten (g) ny fuktkvot olja (g) olja/ts kwh/kg TS kwh/kg imp trä % % 9,6 5,9 Kubb Nr 1 förvarades i plastsäck i rumstemperatur. Kubb nr 2 förvarades i plastsäck i 18 C. Kubb Nr 3 användes direkt efter prepareringen. Förbränningsförsök 9

10 Kubben var inte lämpad för inmatning via pelletspannans matarskruv. En del kubb kom igenom men under mycket oväsen och gnissel. Försöken genomfördes därför med manuell inmatning. Vid de första eldningsförsöken med kubb Nr 1 antändes inte bränslet. Uppstart skedde då med hjälp av pellets, eller en skvätt extra olja och tändpapper. Pelletspannan kördes mest på effekt 1, vilket enligt Torsbyugnens manual motsvarar 4 kwh. Med ett bränsle på 5 kwh innebär det en inmatning på 13,3 g varje minut. Vid eldning med kubb 1 bildades snabbt en glödbädd. Elden flammade upp när kubb tillsattes men slocknade efter ca 20 minuter. Försöket gjordes om en gång med samma resultat. Förbränning av kubb Nr 3 gav inte bättre eldningsegenskaper. En smärre ombyggnad av pelletsbrännaren gjordes, där glödstiftet monterades om så att en större del av det var i brännkoppen. Efter ombyggnaden gjordes försök att få kubb Nr 3 som torkat till 10 % fuktkvot att antända, vilket lyckades. Antändning av kubb Nr 1 som torkat till 11 % fuktkvot gick också bra. Att hålla elden vid liv krävde mer bränsle än vad som använts vid tidigare försök. Uppskattningsvis behövde en näve kubb tillsättas var 15:de sekund. Värden på emissionerna fluktuerade inom de intervall som ges i tabell 7. Tabell 7. Emissioner vid eldning av kubb Nr 1 lagrad i 4 dagar i säck, kubb Nr 1 torkad i rumstemperatur i 2 veckor till 11% fukthalt, samt pellets. Fuktkvot 20% Fuktkvot 11% Fuktkvot 11% Pellets Pellets Rökgastemperatur C Ingående lufttemp C Syrehalt vol% CO 2-halt vol% 2,7-3, Luftöverskott NO-halt ppm NO x-halt ppm SO 2-halt ppm CO-halt ppm Eldning med Kubb 1 före ombyggnad av pannan är inte helt jämförbar med de övriga mätningarna. En mindre mängd bränsle användes, vilket gav ett lägre temperaturintervall än vid senare experiment och högre luftöverskott. Emissionerna vid eldning med kubb Nr 1 torkad till 11% fuktkvot var av samma storleksordning som vid eldning med pellets. Jämfört med pellets gav kubben högre halt av NO och CO vid temperaturer på C, men lägre vid temperaturer runt 300 C. NO x -halten var ungefär konstant. Halten SO 2 var oftast lägre vid C, men högre vid temperaturer runt 300 C. Fryst kubb Försök att antända kubb Nr 2 gjordes efter ombyggnaden av pelletsbrännaren. Kubben hade då varit fryst i 3 veckor. Tändningen gick problemfritt. 10

11 SLUTSATSER Impregnering av pellets genom att doppa dem i olja ger högre oljehalt än vad som behövs för att få ett värmevärde jämförbart med det i pellets. Kubben blir också kladdiga att hantera och kan vid höga oljehalter läcka olja om de utsätts för 50 C (ex lagras i en solbelyst behållare sommartid). Frysning av kubben (ex vid lagring utomhus vintertid) verkar inte påverka tändningsegenskaperna. Förbränningsförsök med kubb som sprayats med olja visar en emissionsprofil med avseende på CO, CO 2, NO, NO x och O 2 som liknar den vid eldning med pellets vid rökgastemperaturer på C. 11

12 VIDARE FORSKNING Det är en stor fördel om kubben har en form som gör att de kan matas in i pannan med en vanlig matarskruv. Då kan olika effektlägen på pelletsbrännaren väljas och utprovas. En viktig frågeställning är hur mycket kubb som behöver tillföras kontinuerligt för att hålla elden vid liv. En närliggande fråga är ifall kubben fungerar som bränsle när brännaren är i sparläge. Emissionerna har visats vara av samma storleksordning vid eldning med kubb som med pellets, men värdena fluktuerar. En kontinuerlig inmatning skulle ge jämnare förbränning och därmed emissionsvärden med mindre spridning. Vidare eldningsförsök bör göras med träkubb torkad till 20-30% fuktkvot. Det skulle vara mer likt naturtorkat trä än vad som är fallet med kubb som först torkat och sedan återfuktats. Antändningen av träkubb i olika brännare behöver utprovas. Placeringen av glödstiftet verkar vara viktigt i den pelletsbrännare som använts här, men det behöver inte gälla generellt. 12

13 REFERENSER Bioenergihandboken, Nurmi J Heating values of whole-tree biomass in young forests in Finland. Acta Forestalia Fennica p Tampere, Finland. Ulvcrona T Impregnation of Norway spruce wood types with the Linotech process. Licentiat-avhandling, Sveriges lantbruksuniversitet, Institutionen för skogsskötsel. Rapport 58. NRA, Umeå, Sverige. 13

14 IMPREGNERAD TRÄKUBB SOM BRÄNSLE Träkubb med fuktkvot på knappt 6% impregnerades med en olja med effektivt värmevärde på 10,3 kwh/kg. Kubb som nedsänkts i olja under 6 till 127 timmar fick oljehalter räknat på torrsubstans på 75 till 105% för tall och 90 till 115% för gran. Vid förvaring i 50 C läckte olja från kubb med oljehalt över 110% för gran och 100% för tall. Kubb som sprayats med vatten till 20% fukthalt och med olja till 5 kwh/kg gav inga problem med läckage. Förbränning av sådan kubb gav emissioner av NO, NO x, SO 2 och CO av samma storleksordning som vid eldning med pellets. Det var nödvändigt att göra smärre justeringar av pelletsbrännarens glödstift för att tändningen skulle fungera. Inmatning med matarskruv fungerade dåligt med kubbens nuvarande form. Frysning av kubben verkade inte påverka dess tändningsegenskaper negativt. Karlstads universitet Universitetsgatan 2, SE Karlstad Tel: , Internet: Karin Granström Avdelningen för Miljö- och Energisystem Institutionen för Ingenjörsvetenskap, Fysik & Matematik Tel: , E-post: karin.granstrom@kau.se