Beläggnings-/slaggbildning och emissioner vid förbränning av olika pelletskvalitéer i pelletsbrännare Ram Gilbe

Transkript

1 Beläggnings-/slaggbildning och emissioner vid förbränning av olika pelletskvalitéer i pelletsbrännare Ram Gilbe Examensarbete D 2p för magisterexamen i energiteknik Tillämpad fysik och elektronik Umeå Tekniska Högskola

2 Abstract Regarding to the latest research, biopellets equipments are presently very fondly appreciate because of the high oil prises, the knowledge of global warming and other environment issues, the contribution from the government and of course the fact that biopellets are very cheap. The increasing demand of biopellets results in limited availability of better raw materials and for that reason more problematic raw material must be in examine. The problems with the new raw materials are there broader variation in total fuel ash content, composition of the ash forming elements as well higher slagging tendencies. The objective of the present work was to determine the influence of fuel-ash composition on residual ash and slag behaviour as well as gas and particle emissions. Twelve different biopellets were used in this study; reed canary grass, hemp, logging residues (two different samples of each), salix, wheat straw, steam wood (sawdust) and bark from birch, spruce and pine. The combustion took place in an Ecotec commercial under fed burner (2 kw). During that time measurements on exhausted gas (O 2, CO, CO 2, HCl, SO 2 ) and total particle matter mass concentrations were made. The collected slagg deposits, the corresponding deposits bottom ash and the collected particle matter were all analysed with an electron microscopy combined with energy dispersive X-ray (SEM/EDS) and by a X-ray diffraction (XRD). The results showed that biomass fuel rich in Si and K and low content of Ca had a high tendency to form slag. Both wheat straw and reed canary grass (LA) formed slag so rapid that the combustion process stopped. Bark, logging residues1 and hemp (LA) didn t formed slag in same rate, only 1-3 weight percent of the ingoing fuel ash content formed slag. Salix and reed canary grass had the lowest slagging tendencies with less than 3 percent of the ingoing fuel formed slag. The results also showed that sand contamination enhance the slag formation. The combustion of straw results in relatively high emissions of SO 2, HCl and NO. The emission of exhausted gaseous showed that biopellts from straw discharged SO 2 (2-8 mg/nm 3 1% O 2 ), HCl (1-35 mg/nm 3 1% O 2 ) and NO(4-8 mg/nm 3 1% O 2 ). Salix and the other biopellets resluted in relatively low emissions of SO 2, NO and HCl. Wheat straw hade a high emission of total particle matter (4 mg/nm 3 ). Barks and the loggings residuals hade a more moderate total particle matter emission (1-14 mg/nm 3 ). The lowest emissions of total particle matters were from the reed canary grass and hemp (3-6 mg/nm 3. 1

3 Sammanfattning Konsekvensen av den ökade försäljningen av pelletsutrustning medför att tillgången på befintliga pelletsråvaror som används för vanliga villapannor kommer att bli en bristvara. Därför måste nya pelletsråvaror med snarlika förbränningsegenskaper som dagens pelletsråvaror utvecklas. Problematiken är dock just att de nya råmaterialen har en annan sammansättning med högra halter av askbildande ämnen som i slutändan kan ge problem som beläggningsbildning och gasemissioner. I projektet studerades tolv olika 8 mm framtagna biopellets. De är kategoriserade i två grupper agrara- och skogsbränslen. Rörflen med låg och hög askhalt, hampa med låg och hög askhalt och vetehalm samt salix tillhör agrara medan GROT 1 och 2, bark från björk, gran och tall, samt ett referensbränsle från gransågspån tillhör skogsbränslena.. Syftet med projektet var att bestämma förbränningsegenskaperna hos olika pelleterade biobränslen med avseende på slaggningstendens, gas- och partikelemissioner. Det innefattar undersökning av i) beläggningens sammansättning, smältförlopp och sintringsgrad; ii) utgående gasemissioner av SO 2, NO och HCl; iii) påverkan av beläggningsbildning av utgående partikelemissioner (totalhalten och partikelsammansättning). Förbränningsförsöken utfördes i en P-märkt undermatad Ecotec pelltsbrännare med en effekt på 2 kw som var dockad till en panna av märket Combifire på 2 liter. Bränsleinmatningen skede under kontinuerlig drift vid en konstant bränsleeffekt på ca 14 kw. Kontinuerlig mätning av dels temperaturprofilen (termoelement av typ N) runt och omkring rostret genomfördes och dels av O 2, CO, CO 2 med hjälp av ett standardinstrument som nyttjar elektrokemiska celler. HCl, SO 2 och NO mättes med ett FTIR instrument. Provtagning av totalstoft skede enligt standardmetod (SS-EN ). Båda mätningarna skede under andra timmen efter antändning. Efter varje förbränningsförsök bestämdes mängden avsatt bottenaska, slagg och slaggens, askans och gaspartiklarnas sammansättning och morfologi bestämdes genom SEM/EDS analys. Slaggen och askans fassammansättning studerades m.h.a. pulverröngendiffraktion (XRD). Resultatet visar att slaggningstendensen skiljer sig såväl inom som mellan de olika bränslekategorierna. Bränslena med höga halter av kisel och kalium och låga halter av kalcium hade en större benägenhet att slagga. Det fanns tydliga indikationer att vissa av bränslena har kontamineras av sand, därav den höga kiselhalten. Vetehalm och rörflen med låg askhalt orsakade driftstopp på grund av en kraftig beläggningsbildning. Barkmaterialen, GROT 1 och hampa låg askhalt hade en mer moderat slaggningsbildning där 1-3 % av bränsleaskan bildade slagg. Salix och rörflen med hög askhalt bildade betydligt lägre halter slagg, under 3 vikts-% av ingående bränsleaska. Mängden totalstoft mellan de studerade bränslena skiljde sig kraftigt. Vetehalm hade den högsta andelen bildad stoft på ca 4 mg/nm 3, medan rörflen och hampa visade på relativt låg stoftbildning på 3-6 mg/nm 3. Barkerna förutom björken samt GROT bildade stoftmängder på mellan 1-14 mg/nm 3. Björk gav förvånansvärt låga halter bildad stoft, dock inte lägre än träreferenspellets. Partiklarna innehöll framförallt elementen K, Cl, S och Na. 2

4 Gasemissioner av HCl, NO och SO 2 styrs mycket av hur stor halt av dessa föreningar bränslet består av. Stråbränslena gav upphov till höga halter av utsläppt SO 2 (2-8 mg/nm 3 1% O 2 ), HCl (1-35 mg/nm 3 1% O 2 ) och NO (4-8 mg/nm 3 1% O 2 ) vid förbränning. Skogsbränslena samt salix visade vid förbränning mycket låga emissioner av Cl samt SO 2 (under detektionsnivån vid mätning av SO 2) och NO låg på 1-5 (mg/nm3 1% O 2). 3

5 Innehållsförteckning Abstract... 1 Sammanfattning Inledning Bakgrund Syfte Avgränsningar Teori Bränslen Skogsbränslen Agrara bränslen Aska Partikelemissioner Gasemissioner Metod Bränslen Förbränningsförsök Brännare och panna Gasanalyser Partikelprovtagning och mätning Partikel-, ask- och slagganalys Visuell bedömning av sintringsgrad hos slagg Sintringstest Resultat Bränslekarakteristik Beläggnings-/slaggbildning Avsatt mängd och sintringsgrad Smältförlopp Kemisk karakterisering Gasemissioner Partikelemissioner Slaggbildning Emissioner Slutsats Källförteckning Bilaga A. Beläggningsbildning för respektive bränsle Bilaga B. Ask- och bränsleasksammansättning Bilaga C. Temperatur och tid grafer över förbränningen Bilaga D. CO-, NO- och O 2 halten under förbränning 4

6 1 Inledning 1.1 Bakgrund Ur ett svenskt energipolitiskt perspektiv har biobränslets anseende och potential ökat markant under de senaste åren. Ur oljekrisen på 197-talet och ur den allmänna svenska kärnkraftsomröstningen har energipolitiken reformerats. Sveriges målsättning har höjts ytterligare efter att inhemska och förnyelsebara energikällor ska tillgodose Sveriges totala energibehov. Därav kommer biobränslet att få en allt större betydelse för att uppnå dessa mål. Av Sveriges totala energiförbrukning på 624 TWh/år beräknas biobränslen redan generera 13 TWh/år [3]. Olika scenarier tyder på att potentialen för biobränslen kan öka till maximalt 23 TWh/år, vilket är en fördubbling jämfört med dagens utnyttjande. De olika aspekterna varför politikerna tar allt större hänsyn till potentialen i biobränslet är bland annat att biobränslen anses vara miljövänliga och förnyelsebara jämfört med huvudkonkurrenten fossila bränslen. Det gäller framförallt olja som är en ändlig resurs som påverkar miljön negativt. Den påtagligaste skillnaden mellan biobränslen och fossila bränslen är att koldioxidhalten i atmosfären inte ökar vid förbränning av biobränslen eftersom biomassa absorberar lika stor mängd koldioxid (CO 2 ) under tillväxt som emitteras under förbränning. Biobränslen skapar dessutom upp till 2 gånger fler arbetsplatser jämförelsevis med nyttjandet av olja och kol [6] och tillgången av inhemskt bränsle är också stora. I Sverige var det förut mycket vanligt med oljepannor. Det har förändrats markant. Idag ökar försäljningen av pelletsutrustning dvs. kaminer, brännare och pannor med det dubbla beräknat på årsbasis. Pannor för enskilda småhus, för skolor, idrottsanläggningar, kyrkor och andra offentliga lokaler är de största intressenterna på marknaden. Till år 22 finns målsättningen att göra Sverige helt oljeoberoende inom uppvärmningssektorn. Pellets blir ett av det mest betydelsefulla bidragen för att nå denna målsättning. Dessutom har staten valt att ge skattereduktion både för småhus, för konvertering från oljevärme till pelltesvärme och för kommuner, landsting, församlingar och andra offentliga lokaler för att ersätta olja med förnyelsebar energi. Även samhällets ökade miljömedvetenhet, den enkla och relativt billiga konverteringen från olja till pellets och den slående oljeprishöjningen/elprishöjningen bidrar till att oljan byts ut mot pellets. Kostnaden för att producera värme med olja beräknas ligga på ca 1 kr/kwh, motsvarande siffra för pellets är,5 kr/kwh. Idag beräknas det att finnas ca 7 pelletseldande villaägare varav 2 har tillkommit det senaste året. För att det ska bli ännu mer påtagligt måste högre krav ställas på hanteringen av bränslet, kvaliteten på bränslet, eldningsutrustningens driftillgänglighet samt verkningsgraden. [9] Pellets för villabruk produceras främst ur torra restprodukter från såg- och träindustrin [1] exempelvis kutterspån och sågspån från gran och tall. Dessa råvaror är ideala ur förbränningssynpunkt med låg slaggningstendens och askhalt. Emissionshalterna av NO x, SO x och HCl är dessutom oftast låga. Problematiken med dessa bättre råvaror är att efterfrågan är större än vad utbudet är och därför kommer ett underskott av dessa råvaror att uppstå. Skogsindustrin och energisektorn måste därför komplettera dagens råvaror med andra biobränslen för att tillgodose framtida energimål. Förutom biprodukter inom skogsektorn är även biobränslen från den agrara sektorn (åkerbränsle) tänkbara kandidater för att infria målet. I detta projekt studeras sammanlagt tolv olika biobränslen både från skogsindustrin och från den agrara sektorn. De aktuella biobränslena är, två olika hampor, två olika rörflen, tre olika barker, en stamvedsreferens, två olika GROT, en salix och en halm. 5

7 Problem som oftast förknippas med de nya råvarorna är den relativt höga innehållet av askbildande element som kalium (K), natrium (Na), aluminium (Al) och kisel (Si) som bildar lågsmältande klibbiga faser. Denna klibbiga massa bildar i slutändan slagg som reducerar tillgängligheten och verkningsgraden. Framför allt gäller det vid förbränning av åkerbränslen. Fördelen med åkerbränslen är att speciellt spannmål är 3 % billigare än trädpellets och ca 65 % billigare än olja. [4] Potentialen är därför stor både arealmässigt och vinstmässigt när åkerbränslen blir lika kvalitativt, konkurrensmässigt och kommersiellt som trädpellets. Andra problem som också förknippas med dessa bränslen är halter av N, S och Cl som bränslet innehåller. Vid förbränning bildas NO x, SO x, och HCl som är miljöförstörande ämnen. Även andra ämnen som olika kolväten som är extremt hälsofarliga kan emitteras. 1.3 Syfte Huvudsyftet med projektet är att bestämma förbränningsegenskaperna hos olika pelleterade biobränslen med avseende på slaggningstendens samt gas- och partikelemissioner. Delmålen var för respektive förbränningsförsök att undersöka: i) slaggens sammansättning, smältförlopp och sintringsgrad; ii) utgående gasemissioner av SO 2, NO och HCl; iii) påverkan av beläggningsbildning av utgående partikelemissioner (totalhalten och partikelsammansättning). 1.4 Avgränsningar Eftersom projektet ingår inom ramen för delprojekt 6 i SLUP-programmet innefattar det att redan tidigare metoder har bestämts. Därav kommer vissa premisser att efterföljas för att öka omfånget och det kvalitativa resonemanget för den slutliga rapporten. 6

8 2 Teori 2.1 Bränslen Begreppet biobränslen involverar en mängd olika bränsletyper. De biobränslen som omfattas inom ramen av detta projekt uppdelas i skogsbränslen och agrara bränslen. Avverkningsrester, virke utan industriell användning och biprodukter från industrin dvs. bark, GROT och trädpellets tillhör skogsbränslen medan exempel på agrara bränslen är halm, hampa, rörflen och salix. Indelningen bygger förutom på lokalisering/odling även på deras kemiska sammansättning. Biomassa som båda grupperna klassificeras inom är framförallt uppbyggda av olika andelar cellulosa, hemicellulosa, lignin, och extraktivämnen. Ur ett mer elementbasiskt perspektiv består biomassa i huvudsak av C, H och O. Andra aspekter som också inverkar på bränslets kemiska sammansättning är avverkningsmetod, transport, lagring, skördetid etc Skogsbränslen Bark är det yttersta skyddet mot uttorkning, eld och mekanisk påverkan. Olika trädarter har olika sorters barkkvalitéer. Bark som innehåller ovanligt höga halter av Si har oftast blivit kontaminerat under uppväxt, avverkning, frakt eller beredning. GROT är det skogsbränsle som tillvaratas mest enligt Clason [11]. Vid hantering av GROT förekommer föroreningar som sten och grus som påverkar förbränningen negativt. GROT som inte lagras flisas direkt efter avverkning. Varken barren eller näringen hinner då återgår till marken vilket kan leda till att askhalten blir högre beroende på att barren innehåller höga halter K och Si. K och Si är dessutom de främsta slaggbildande elementen. För GROT som lagras i vältor en längre tid finns möjlighet att barren kan återgå till skogen vilket är bättre ur både ett energi och ett långsiktigt hållbart perspektiv. GROT som flisas direkt och lagras i stackar kan halten av askbildande ämnen öka markant, då stacken under mikrobiell aktivitet ökar askhalten. Dagens Träpellets framställs utav sågspån och kutterspån huvudsakligen från stamved från trädslagen tall och gran. Stamvedspellets är det klart det bästa ur förbränningssynpunkt. Det genererar låga halter av aska och generellt låga utsläpp av SO x, NO x och HCl Agrara bränslen Generellt för stråväxter är att de innehåller höga halter av Cl och K. Ämnena reagerar och bildar föreningar vid förbränning som ger upphov till korrosiva beläggningar och låga asksmälttemperaturer. För att minimera problemrisken bör de agrara bränslena skördas på senvintern/våren beroende på att de askbildande elementen d.v.s. mineralerna har återgått till jorden eller rotsystemet. Andra fördelar med att skörda sent är att fukthalten i bränslet sjunker dramatiskt och det underlättar vid transport, förvaring, pelletering och förbränning. Jordens sammansättning är också en viktig aspekt som styr stråbränslenas förbränningsegenskaper, men även klimatet påverkar i vilken skala stråbränslena växer [13]. Generellt kan också förmedlas att stråbränslena har oftast en högre askhalt, lägre densitet och lägre värmevärde än träbränslena, se tabell 2 och 3. Vetehalm som biobränsle nyttjas inte i samma som utsträckning i Sverige som exempelvis i Danmark. I Sverige beräknas överskottshalm, vilket är den halm som blir kvar då foder och 7

9 ströhalm är tillvaratagna inom jordbruket, att generera ca 12 GWh [4]. Vetehalm är en ettårig växt som odlas främst för andra ändamål. Den är lättodlad och enkel att förädla samt kommersiell. [14] Rörflen är en flerårig stråväxt som i våra breddgrader blir ca 2 m hög. Den odlas på samma sätt som vete och har ungefär samma egenskaper förutom att avkastningen per ha (6-8 ton) är högre. Beroende på att den är flerårig bör hänsyn tas till markens bärighet vid skörd så att de nya skotten inte skadas. [14] Hampa är en energigröda som är relativt ny för biomassaproduktion i Sverige. Den är en ettårig växt med potential att bli 6 m hög men med vårt klimat ca 2-3 m hög. Hampans användningsområde är vitt. Den kan nyttjas förutom till biobränsle även till framställning av papper, strö och vegetabilisk olja. Avkastningen varierar mellan 8-14 ton TS/ha vilket är högre än de två förgående. [14] Salix som är ett åkerbränsle är mest likt i sammansättningen ett skogsbränsle. Salix tillhör samma släckte som bl.a. vide, sälg och pil. Det är en flerårig växt som kan ge hög avkastning i ca 3 år om plantering sker i södra/mellersta Sverige. Nackdelen gentemot de andra stråbränslena är att salix har en fukthalt på 5 % vid avverkning och att det krävs en speciell maskinpark för plantering och skörd vilket bromsar den kommersiella aspekten. Avkastningen beräknas ligga på ca 5 ton TS/år. [14] 2.2 Aska Askans kemiska egenskaper beror först och främst på sammansättningen av bränslet men även hur förbränningen har gått till. I huvudsak består askan framförallt av oorganiska metallföreningar men även av oförbrända organiska föreningar. Vid förbränning delas askan oftast in i botten- och flygaska. Bottenaska är den aska som till större delen består av askpartiklar som stannar kvar i eldstaden medan flygaska är lättare och följer med rökgaserna ut. Flygaskan innehåller högre halter av klor och svavel medan bottenaskan består i högre grad av Si-, Ca- och K-silikater. Biobränslets generella innehåll av K, Ca, Mg, S, P, Si och Cl styr i första hand askans egenskaper. Ca och Mg ökar smälttemperaturen för de bildade askorna. Si i kombination med K har dessutom en benägenhet att bilda lågsmältande faser i bottenaskan redan vid 7-8ºC. Dessa kan klibba ihop med andra partiklar så pass att rostret kan bli igentäppt. När föreningar smälter bildas beläggningar (slagg) som försämrar förbränningsförhållandet i pannan. 2.3 Partikelemissioner I en förbränningsprocess bildas en mängd antal kemiska föreningar. Förbränningsresultaten beror bland annat på bränslesammansättningen, eldteknik och teknisk utformning. De skeden som är mest utpräglade ur emissionssynpunkt är inlednings- och avslutningsfasen. I en ideal förbränningsprocess sker ett antal delreaktioner. Kol och väte oxiderar under förbränning genom en exoterm reaktion och bildar koldioxid och vatten. I realiteten förekommer knappast en ideal förbränning utan där sker ständiga utsläpp av föroreningar. Kolmonoxiden används ofta för att mäta hur bra förbränningen sker. En optimal förbränning har oftast låga halter av CO. Höga halter av CO tyder på att utblandningen med O 8

10 är låg, vilket ger större emission av föroreningar. Andra utsläpp som är direkt kopplade till låga syrehalter då organiska material förbränns är flyktiga kolväten (VOC) och polyaromatiska kolväten (PAH). PAH består av en komplex blandning av föroreningar, tyngre kolväten och andra organiska föreningar med hög kokpunkt och som är starkt cancerogena. VOC som släppts ut i luften kan reagera under solljusets inverkan med kväveoxider som bildar ozon vid markytan och andra fotokemiska oxidanter, som påverkar växtlighet och människors hälsa negativt [11]. ns kemiska sammansättning tillsammans med förbränningstemperaturen och temperaturen i själva systemet är faktorer som påverkar vilken mängd av bl.a. Cl, K och S som frigörs till gasform. ns sammansättning skiljer sig ganska markant när det gäller skogsbränsle respektive agrara bränslen. Dock sker emissionen av dessa ämnen ganska likartat. K frigörs från bränslet i temperaturer runt 7 C och däröver. I 15 C frigörs 5-9 % av det totala K. Om bränslet innehåller stora mängder av silikater frigörs inte alls lika stora mängder K eftersom det binds upp med silikatet och blir mindre reaktiv. Cl frigörs i två steg. Ca 6 % frigörs när temperaturen ligger mellan 2-4 C. Resterande frigörs när temperaturen är mellan 7-83 C. Kaliumklorid förångas och kloriden frigörs och kaliumet reagerar med kisel och bildar kaliumsilikater. Vid 83 C och däröver bildas kaliumhydroxid. [6] 2.4 Gasemissioner Det största problemet ur ett växtlighetsperspektiv när det gäller emissioner är svavel och kväveföreningar. Eftersom Sverige framförallt har svårvittrade mineraler är buffertförmågan mot försurning starkt begränsad. Svavel- och kväveföreningar är en starkt bidragande orsak till övergödning och försurning av mark och vatten. Kväveföroreningar (NO x ) medverkar även i olika fotokemiska processer i atmosfären som bland annat ökar halten av marknära ozon. NO x bildas vid all förbränning. Det är viktigt att bränslet innehåller låga koncentrationer av kväve för att få ett lågt utsläpp av NO x. [6] Svavelföreiningar (SO x ) som bildas vid förbränning av biobränslen är framförallt SO 2. Det mesta av svavlet förångas och kyls ned mot pannväggar varvid kondensation av svavlet på flygaskan sker.-9 % av den totala svavelinnehållet i bränslet reagerar med askan. Det resterande svavlet lämnar rökgaskanalen som SO 2 med flygaskorna. Förutom inverkan på miljön påverkar svavlet även korrosionsprocessen i förbränningssystemet. [6] Under förbränning av biobränslen förångas klor och bildar föreningar som HCl(g) och andra alkaliklorider(s). Pannans temperatur avgör hur mycket av alkalie och jord alkaliklorider som kondenseras på flygaskan eller på pannsystemet. En del av kloriderna kommer att reagera med flygaskan medan HCl kommer att följa med rökgaserna ut. Det finns tidigare studier som påvisar att mellan 4-85 % av Cl i biobränslet reagerar med askan. Detta kan leda till stora korrosionsproblem i både panna, rökgaskanaler samt skorsten.[6] 9

11 3 Metod 3.1 Bränslen De biobränslen som omfattas av projektet är rörflen med hög askhalt (HA), rörflen med låg askhalt (LA), fiberhampa med hög askhalt (HA), oljehampa med låg askhalt (LA), bark från gran, tall och björk, salix, två olika GROT och en vetehalm. Även ett referensbränsle av stamved (träref.) undersöktes. Samtliga agrara bränslen skördades under våren förutom salix och vetehalm som skördades under höstperioden. Salix som lagrades i flisstackar odlades på Röbäcksdalen i Umeå vilket även hampa (HA) (exakthackade i storsäck) och rörflen (HA) (briketter) gjorde, medan vetehalm (balad) odlades i Svalöv. Rörflen (LA) lagrades som briketter och odlades i Glommersträsk. Hampa (LA) lagades balad och odlades i Degernäs. Vad gällande skogsbränslena kommer de från olika områden i västerbotten som har lagrats i stackar förutom GROT 2 som lagrades i välta i 6 månader. Bränslena pelleterades på SLU Röbäcksdalen i Umeå i en SPC 3 pelletspressanläggning med kapacitet på 2-3 kg/h, till en diameter på 8 mm, med en fukthalt mellan 8,5-11 wt-% och en bulkdensitet på 635±55 kg/m 3. Tabell 2 visar bränslenas fukthalt och bulkdensitet. Bulkdensiteten och fukthalten bestämdes enligt SS och SS nalysen utfördes av SLU:s biobränslelaboratorium i Umeå respektive AnalyCen Nordic AB i Linköping. Cl-, S- och N halten i bränslet bestämdes av SLU via standardmetoden SS , SS , LECO-metod 1 för respektive ämne. AnalyCen bestämde bränsleaskans sammansättning av bland annat Si, K, Na, Ca, Fe, Mg, Al, P och Mn via XRF. Askans smältförlopp bestämdes enligt SS ISO 54, bränslets värmevärde enligt SS- ISO 1928 och askhalten enligt SS för respektive bränsle. 3.2 Förbränningsförsök Brännare och panna Pannan är en standardpanna av märket Combifire. Pannan är framtagen för förbränning av pellets och har en eldstadsvolym på 12 liter och en vattenvolym på 2 liter. Kylningen av systemet sker via en värmeväxlare på 1 kw som i princip har obegränsad kylkapacitet (kranvatten) se Figur 1. Kylflödets temperatur styrs via en magnetventil för att uppnå en så nära konstant temperatur som möjligt. Pelletsbrännaren är en undermatad brännare med märket *EcoTec* med en märkeffekt på 2 kw. Om den godkända bränslespecifikationen följs ska pannan inte behövas asktömmas oftare än med ca 3-4 veckors mellanrum. Brännaren med tillhörande matningssystem är under drift helt automatiserad och styrs via pannans termostat. Brännarens matningseffekt är inställbar mellan 3-1 procent för bränsle med varierande energiinnehåll. Beroende på bränslets bulkdensitet, energiinnehåll och dess angivna värmevärde bestämdes matningshastigheten till antingen 11/1, 13/8 eller 15/6 dvs. en gångtid på 11 sekunder och paustid på 1 sekunder o.s.v. Det motsvarar en effekt på matarskruven på mellan 5-7 % av dess maximala effekt. Inställningarna gjordes för att erhålla en optimal förbränning och snarlika driftinställningar (bränsleeffekt, syreöverskott) för respektive bränsle. Försöken utfördes under ett intervall på ca 24 timmar, där mängden ingående bränsle bestämdes till ca 5 kg. Generellt pågick försöken mellan h. Det motsvarar en 1

12 kontinuerlig drift på ca 14 kw. De försök som inte fortlöpte under den perioden bildade så pass svår beläggning att förbränningen avstannade helt. Tre stycken termoelement placerades i och omkring rostret och kartlade temperaturprofilen i brännaren för varje förbränningsförsök. Placeringarna på de två första givarna var i mitten och på slutet av rostrets lufthål och den tredje ca 15 cm centrerat över brännarkroppen där lågans maximala temperatur beräknades ligga. Se figur 1. Mätsonderna för gas och partikelprovtagning monterades upp på ett bestämt intervall i en raklång rökgaskanal för att störas någon form av turbulens. Se figur 1. Vid antändning av bränslet sprutades tändväska över bränslet i brännarkoppen. Labwiev sattes igång och den loggade under ett bestämt tidsintervall olika mätdata. Undertrycket bestämdes till ca,24 mpa för att få så snarlika resultat som vid tidigare utförda experiment. Kylvattnet och skrubben slogs på. Figur 1. Schematisk bild över förbränningsanläggning. Efter varje förbränningsförsök bestämdes mängden avsatt aska, och slaggbildning. Mängden vägdes på en våg med,1 g noggrannhet för senare analys. 11

13 3.2.2 Gasanalyser I projektet analyserades rökgaserna med två instrument, TESTO och FTIR. Förutom skillnaden inom vilket mätomfång instrumenten mäter skiljer de sig även i mättekniken. I rapporten redovisas utsläppshalterna som mg/nm 3 outspädd gas vid 1% O 2. TESTO 3 XXL är ett elektrokemiskt analysinstrument för mätning av rökgasens innehåll av O 2, CO 2, NO (torr) och temperatur vid en given mätpunkt [14]. Mätdata skickas till LabVIEW som loggar det under 1 sekunders intervaller. Mätningen av dessa gaser pågick under hela förbränningsförsöket. [14] FTIR 91 används för att mäta koncentrationen av bland annat gaser som SO 2, NO, NO 2, N 2 O, CO, CO 2, NH 3, HCl, HF och H 2 O. Gaser som är heterogena har egenskapen att absorbera infrarött ljus med en specifik våglängd och mängden ljus som absorberas vid varje specifik våglängd är en funktion av gasens koncentration och gascellens våglängd. Analysen baseras på Bomem FTIR spektrometer. Spektrometern mäter absorbationen över hela spektrum av våglängden [15]. Efter en timmes förbränning då en relativt konstant förbränning erhölls rökgassammansättningen (SO 2, NO, NO 2, N 2 O, CO, CO 2, NH 3, HCl, HF och H 2 O), partikelmängden samt storleken och rökgasflödet. Mätningen pågick under 1 timme och data från rökgassammansättningen loggades vart 3:e sekund Partikelprovtagning och mätning Provtagning av totalstoftet gjordes utifrån en standardmetod (SS-EN ). Instrumentet som användes för att samla upp stoft från rökgaserna innehåller två filter av kvarts. Totalstoftfiltret placerades först i en 55 C varm ugn under två timmar för att säkerställa goda resultat vid senare provtagningar. Därefter fick den ligga i en exsickator (fuktfri behållare) för att svalna och minimera risken för nya yttre påverkningar. När försöken för respektive bränsle påbörjades placerades de två filtren i totalstoftfiltrets instrument. Dessförinnan hade vikten på filterna bestämts med en analysvåg med en upplösning på,1 mg. Försöket påbörjades efter drygt en timme efter antändning av bränslet. Efter provtagning vägdes filtren igen för att bestämma den avsatta mängden stoft Partikel-, ask- och slagganalys Elementsammansättningen hos partikel-, ask- och slaggproverna analyseras med hjälp av ett svepelektronmikroskop med tillhörande energy-dispersiv spektroskopi (SEM/EDA). Slaggens fassammansättning analyseras aven med pulverröntgendiffraktion (XRD). Svepelektronmikroskop (SEM) används för att avbilda föremål i mycket höga förstoringar. Ett traditionellt mikroskåp använder ljus och linser för att skapa en avbild av ett föremål. SEM utnyttjar istället elektroner vid bildalstringen. Genom att nyttja elektroner ges en betydligt bättre upplösning än vid nyttjande av ljus. [16] Instrumentet som använts i detta arbete är en Phyllis XL3 med en energy-dispersiv spectroscopy EDA och en röngendetektor X som ger möjlighet att analysera provets element 12

14 sammansättning genom att detektera röntgenstrålningar som avges från det elektronbelysta provet. Med svepelektronmikroskopet bestämdes den kemiska sammansättningen på slaggen, botten askan och rökgaspartiklarna på kvartsfiltret. Proverna från slagg och aska göts in i epoxipuckar som putsades med olika grova SiC-papper för att uppnå en jämn yta och för att slutligen kunna analyseras. För att säkerställa en kvalitativ elementsammansättning vid analys av puckarna valdes innan ingjutning olika spridda områden i pannan och i brännarkoppen där bottenaskan och slaggen togs ifrån. Både areaanalys och punktanalys utfördes på mycket väl valda områden på proverna. 1 olika areaanalyser (2 x 2µm) på respektive puck gjordes samt några punktanalyser där sammansättningen inte såg homogen ut. Areanalyserna valdes systematiskt utefter en fiktiv diameter på puckarna allt för att elementsammansättningen skulle stämma över med verkligheten. Samma analysmetod användes även vid stoftanalysen, med undantaget att enbart 1 cm 2 av kvartsfiltret analyserades. Dessa fragment klistrades på kolstubbar och analyserades. Pulverröntgendiffraktionen (XRD) är en grundläggande teknik för att karaktärisera olika solida material. XRD kan tillhandahålla information om kristallina faser i provet. Röntgenstrålen passerar Göbelspeglar och med hjälp av Baggs lag beräknas olika förhållanden vilket resulterar i ett diffraktogram. Ca 4 g slagg av respektive bränsle maldes till pulver och pressades fast i en plasthållare. Provet består av flera slumpvis ordnade större antal mikrokristaller. Provet bestrålades och analyserades. [17] Visuell bedömning av sintringsgrad hos slagg Sintringsgraden för de uttagna beläggningsproverna från brännkroppen studerades visuellt och i mikroskåp och klassificerades enligt följande kriterium [1]. Kategori 1: Mycket lätt sintrad aska som faller sönder vid beröring. Kategori 2: Något sintrad aska som håller ihop vid beröring men bryts mycket enkelt isär. Det går fortfarande att enkelt urskilja en kornstruktur i materialet. Kategori 3: Sintrad aska som fortfarande går att bryta isär. Man kan visuellt urskilja enskild kornstruktur men askan har dock börjat få en slaggliknade struktur där smält material av glas kan urskiljas visuellt. Kategori 4: Totalt sintrad aska, askan går inte att bryta isär för hand. Askan är sammansmält till större block (slagg). Ingen enskild kornstruktur går att urskilja visuellt. 13

15 3.2.6 Sintringstest Smältförloppet för den avsatta slaggen från förbränningsförsöken bestämdes genom ett sintringstest. Sintringstestet utfördes på ett kontrollerande sätt med hjälp av en 5 kw fluidiserande bädd pilotanläggning på ETPC vid Umeå Universitet, se Figur 2. Pilotanläggningen av rostfritt stål har en höjd på 2 m, 1 och 2 mm i diameter i respektive bädd och freebord. Anläggningen är isolerad och utrustad med ett antal elektriskt uppvärmda väggelement för att minimera påverkan från den kalla väggen för att uppnå en så optimal isoterm process som möjligt. Figur 2. Schematisk bild över fluidbäddsreaktorn där askans smälttemperatur bestämdes. För att uppnå rätt förbränningsatmosfär användes en gasolbrännare som är förlagd under bäddens distributionsplatta. Den maximala temperaturen som anläggningen är dimensionerad för är temperaturer upptill 15 C. Fluidiseringsbädden bestod innan användning av 4 g Silversand innehållande 98 % SiO 2 som siktades till en kornstorlek på µm. De bränslen som användes avsatte mer än 1 g slagg under förbränningsförsöken. Slaggen maldes ner för hand med mortel och siktades. Tabell 1 visar den procentuella fördelningen på slaggens kornstorlek för att uppnå goda fluidiseringsegenskaper Den siktade slaggen vägdes och fördelades så att samma procentuella mängd av varje kornstorlek för varje slagg erhölls. 14

16 Tabell 1. Kornstorleksfördelning hos beläggningsproverna. Sålldiameter (µm) Procent Vikt (g) Bädden värmdes upp till 6 C med hjälp av både gasolbrännaren och värmarna. Slaggen hälldes i och setpoint för temperaturökningen i programmet Gasifier Control Program ställdes in på 3 C/minut till dess att bädden agglomererade. Om bädden inte agglomererade vid 15 C avbröts testet. Fluidiseringshastigheten hölls till konstant 4* Umf och syrgashaltan till ca 8-12 % [1]. Under och övertrycket samt respektive temperatur i bädden loggades grafiskt. När slaggen smälter blir det klibbigt och påverkar fluidiseringsegenskaperna, sandkornen agglomererar och bäddtemperaturen samt differenstrycket ändras vilket åskådliggörs i Figur Temperatur (grader C) Ö bäddtemp U bäddtemp U bäddtryck Ö bäddtryck 15:13:49 15:22:9 15:3:29 15:38:49 15:47:9 15:55:29 16:3:49 16:12:9 16:2:29 16:28:49 16:37:9 16:45:29 16:53:49 17:2: Tryck (mbar) -1 Figur 3. Trycktemperaturgraf utifrån försök med slagg producerad från försök med tallbark. 15

17 Egenskap 4 Resultat 4.1 Bränslekarakteristik AnalyCens analys av bränsleaskans hela kemiska elementbasiska sammansättning redovisas i Bilaga 2. I Tabell 2 visas resultaten utifrån klassificeringen av bränslepellets enligt SS för respektive bränslepellets. Tabell 2. Resultat utifrån klassificeringen av bränslepellets enligt SS Enhet Rörflen hög askhalt Rörflen låg askhalt Hampa hög askhalt Tallbark Askhalt SS Vikt-% av TS cal. SS-ISO 1928 MJ/kg HV b Total SS Vikt-% Svavelhalt av TS Klorider SS Vikt-% av TS Skrymdensitet Vikten av 1 kg/m liter pellets Totla fukthalt SS Vikt-% 8.6* 11.1* 9.8* 9..4* 8.6* Asksmältförlopp SS-ISO 54 Initilatemp. (IT) C > >155 - Hampa låg askhalt Askhalten i de olika pelleterade biobränslena varierar från,31 % till 1,7 % av TS. Vad som framgår tydligt är att högre askhalt medför ett lägre värmevärde. Rörflen (HA) med den högsta andelen askhalt har det lägsta värmevärdet. Generellt kan också sägas att agrara bränslen hade en lägre skrymdensitet samt lägre värmevärde jämfört med skogsbränslen. Cloch S- halten är högre för stråbränslen än för träbränslen. Enligt provningsmetod SS-ISO 54 är bränslets initiala asksmälttemperatur i vissa fall högre än den uppmätta maximala temperatur som råder i flamman eller omkring rostret vid respektive försök. Fukthalten för samtliga bränslen ligger mellan ca 8-11 % Tabell 3. Elementsammansättningen hos de studerade biobränslena. Rörflen hög askhalt Rörflen låg askhalt Hampa hög askhalt Hampa låg askhalt Salix C a n.a. n.a. n.a H a n.a. n.a. n.a O a n.a. n.a. n.a N a <.1 S a <.1 Cl a < <.1.1 <.1 Si c Al c < Fe c Ca c Mg c P c Na c K c a wt % of db b MJ/kg db c wt % ash Salix Vetehalm Granbark Tallbark Björkbark Provningsmetod Vetehalm Granbark Björk -bark GROT 2 GROT 2 GROT 1 GROT 1 Träref. Trä-ref. 16

18 Ur figur 4 framgår att de askbildande elementen i huvudsak är Si, Ca och K för stråbränslen medan för skogsbränslen är det istället Ca, Si och K. För vetehalm var K-Ca förhållandet olikt resterande agrara bränslen. Si halten är betydligt högre i förhållandet mellan Ca- K i rörflen (HA). 8 7 Vikts-% av bränsleaskan Vetehalm Rörflen HA Rörflen LA Hampa HA Hampa LA Salix Al P Fe Ca K SI Mg Mn Na Cl S Figur 4a. ns sammansättning i vikts-% hos agrara bränslen. En annan signifikant skillnad är GROT 1:s innehåll av Ca och Si. Innehållet av Ca är 6 ggr lägre och innehållet av Si är 3 ggr högre än övriga skogsbränslen. Viktigt att påpeka är att biobränslena GROT 1 och 2 är färsk respektive lagrad GROT utan att vara samma bränsle. Askhalten av den lagrade GROTen är betydligt högre än den färska GROTen. 7 6 Vikts-% av bränsleaskan Granbark Tallbark Björkbark GROT 1 GROT 2 Träref. Al P Fe Ca K SI Mg Mn Na Cl S Figur 4b. ns sammansättning i vikts-% hos skogsbränslen. 17

19 4.2 Beläggnings-/slaggbildning Avsatt mängd och sintringsgrad Mängden bränsle som matades in för samtliga försök har varit runt ca 5 kg, förutom för hampa (LA) där enbart 27 kg fanns att tillhandagå. Av dessa 27 kilo förbrändes 19 kg på grund av att hampapelletsens utformning medförde problem vid matning från silot till brännaren. I samtliga försök fastnade sammanlagt ca 5 kg bränsle i matningsskruvarna därav var ingående bränsle ca 45 kg. Förbränningsförsök med både vetehalm och rörflen (LA) indikerar tydligt att förbränningen avstannat pga. slaggbildning då endast 12 kg respektive 29 kg förbrändes. Vad som även går att urskilja är ur bilaga A att hampa (HA) och GROT 1 slaggar relativt fort dessutom har de en högre slaggningskvot mot ingående mängd bränsle vid jämförelse med resterande bränslen. Efter förbränningen bestämdes mängden oförbränt organiskt material visuellt i askan. För respektive bränsleaska var mängden oförbränt material obetydlig. I större slaggformationer där förbränningsegenskaperna var dåligt gick det att urskilja oförbränt material som dock klassificerades under slagg. I Figurer 5a framgår hur slaggbildningen kan se ut efter en förbränning. Bränslen med sämre/bättre bränslekarakteristik åskads på den vänstra/högra sidan. Figur 5. Vänstra bilden visar slaggbildningen i brännkoppen respektive avsatt bottenaska/slagg i pannan vid förbränning av stamvedspellets. Högra bilderna visar rörflenens (LA) restprodukter efter förbränning. 18

20 Figur 6a visar hur mycket slagg som bildas av andelen teoretiskt ingående bränsleaska (vikts- %) för respektive försök. Vetehalm, rörflen (LA), hampa (HA) och GROT 2 är det bränslena som enligt grafen uppskattas ha störst benägenhet att slagga. Salix och träref. slaggade minimalt eller inte alls. Andel slagg av ingående bränsleaska (vikts-%) 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Vetehalm Rörflen HA Rörflen LA Hampa HA Hampa LA Salix Träref. Granbark Tallbark Björkbark GROT 1 GROT 2 Figur 6a. Andel slagg av ingående bränsleaska i vikts-%. Mängden bildad slagg av ingående bränsle hade stor inverkan på förbränningsförhållandet. I Figur 6b framgår det att vetehalm, hampa (HA) och GROT 2 bildar mest slagg. Mängd bildad slagg av totalt förbränt 5.% 4.5% 4.% 3.5% 3.% 2.5% 2.% 1.5% 1.%.5%.% Vetehalm Rörflen (HA) Rörflen (LA) Hampa (HA) Hapma (LA) Salix Granbark Tallbark Björkbark GROT 1 GROT 2 Träref Figur 6b. Andel bildad slagg för respektive bränsle av total mängd förbränd. Figur 6b skiljer sig från figur 6a genom att andelen bildad slagg mot mängd bränsle in bestäms istället för andelen mängd slagg mot ingående bränsleaska. Figurerna visar snarlika resultat. Dessutom visar även figur 6b sintringsgraden som klassificerades enligt tidigare benämnda kriterier i kap 3.6. Det som framgår enligt tabell 3 är att sintringsgraden och mängden slagg beror främst på bränslesammansättningen. Sintringsgraden är högre för bränslen med högre slaggningsbenägenhet. Salix och träref. är de bränslena som har lägst sintringsgrad. 19

21 Beroende på bränsle och brännteknik kan en glasartad beläggning bildas på insidan av brännkroppen som är så pass hård att den enbart kan avlägsnas genom att med skruvmejsel och hammare spettas bort. Dock fanns det ingen sådan bildad beläggning på brännkroppens insida för samtliga förbränningsförsök. Maxtemperaturerna runt och omkring rostret under förbrännings-processen återfinns i bilaga C uppskattas ligga mellan C I vissa fall indikeras även en regelbunden temperatursänkning, främst hos rörflen (LA), hampa (HA), vetehalm och GROT 1. När askan börjar klibba kan den fastna på termoelementet och isolera den för faktiska tempertauråtergivning därav erhålls en fiktiv temperatursänkning. Dessutom förändrades termoelementets läge under förbränning då bränslet hade en hög slaggningstendens Smältförlopp Samtliga sintringstester i avseende på fluidbäddens under- och övertryck relaterad till temperaturen såg i princip ut som i figur 3. Temperaturen på bädden var alltså mycket enkel att läsa av då fluidbädden defluidiserade. Defluidiseringstemperaturen hos bränslena bestämdes med en noggrannhet på ±2 C. I bilaga A framgår det att den initiala defluidiseringstemperaturen för respektive beläggning ligger mellan C, förutom för beläggningar orsakade av förbränning av vetehalm som har en betydligt lägre initial defluidiseringstemperatur (83 C). För salix, träref., GROT 2 och granbark erhölls inget resultat på grund av att slaggmängden var för låg för att ett sintringstest skulle vara genomförbart Kemisk karakterisering Kemisk karakterisering på bottenaskan och slaggen utfördes m.h.a. ESEM med tillhörande EDS. Figur 7 illustrerar väl hur ett avbildat slaggprov kan se ut. Figur 7. Avbildat slaggprov, 2 gångers förstoring från granbark(v) och salix(h). Bilden till vänster är ett slaggprov från granbark medan den till höger är ett slaggprov från salix. De svarta fläckarna på figurerna är områden som inte analyseras. Generellt gäller att områdets färgnyans avspeglar innehållet. Ljusare områden innehåller tyngre element och vise versa. Bilden till vänster är en homogen smälta som framförallt består av bland annat kalciumkaliumsilikater med små andelar Mg och Al. Bilden till höger består främst av olika sandpartiklar (de två olika mörknyanserade områdena). Det mörkaste partiet är ett sandkorn 2

22 beroende på den höga Si halten medan det lite ljusare området domineras av Si, Al, K, Ca och består av en fältspatspartikel. Det ljusaste området är själva smältan vilket analyserades. Följande figurer 8a-9b illustrerar resultaten över elementsammansättningen av bottenaskan hos slaggen. Medelvärdet över areaanalysens elementbasiska sammansättning såväl som standaravvikelsen har bestämts. 8 7 A% Vetehalm Rörflen LA Hampa LA Hampa HA Rörflen HA Salix Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe Figur 8a. Elementsammansättningen hos bildad bottenaska (O-, och Cfri bas) vid förbränning av agrara bränslen. 8 7 A% Granbark Tallbark Björkbark GROT 2 GROT 1 Träref 1 Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe Figur 8b. Elementsammansättningen hos bildad bottenaska (O-, och Cfri bas) vid förbränning av skogsbränslen. I figur 8a-8b framgår det att bottenaskan för respektive pelletsbränsle består generellt av höga halter Si, Ca och K. Ytterligare framgår det att vetehalm motsatts till hampa (LA) har den klart högsta halten av K och bland de lägsta halterna Ca. Vetehalmen skiljer sig från övriga agrara bränslena med dess låga halter av Si och Ca och höga halter av Cl, K och S. Rörflen (HA) har en låg halt av både Ca och K men en betydligt högre halt av Si. Skogsbränslenas bottenaska domineras allmänt av Si, Ca och K. GROT 1 är det enda av skogsbränslena som har ett annat CaK förhållande. Si halten är lägst för tallbark som har en snarlik sammansättning som hampa (LA). 21

23 A% Vetehalm Rörflen HA Rörflen LA Hampa LA Hampa Ha Salix Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe Figur 9a. Slaggens elementsammansättning för agrara bränslen på (O-, och Cfri bas). 6 A% Björkbark Tallbark Granbark GROT 1 GROT 2 Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe Figur 9b. Slaggens elementsammansättning för skogsbränslen (O-, och Cfri bas). Si, Ca och K är de element som dominerar i beläggningarna för stråbränslen. Ur beläggningsproverna som likhet med askproverna framgår det att vetehalm har betydligt högre K- än Ca-halter. Rörflen (HA), hampa (LA) och salix har betydligt högre Ca- än K- halter. P-halten i rörflen (LA) är den högsta för samtliga bränslen vilket även bränsleanalysen bekräftar. Det som påvisas ur figur 9b är att Si- och Ca- halten är relativt lika förutom för GROT 1 där Si halten är 6 gånger högre Ca halten. Märkligt är att Al halten i beläggningsproverna överskrider den naturliga halten som bränslena består av. Det kan härröra från bland annat att i bark och i GROT är kontaminering av sandpartiklar vanligt. Många sandpartiklar är fältspater och dessa innehåller bland annat höga halter av Al. K-halten och Si halten för träbränslen är lägre än för stråbränslen, även Ca-halten skiljer sig där träbränslen innehar en högre halt. 22

24 8, Vetehalm Slagg 8, Rörflen LA Slagg 8, Rörflen HA Slagg 7, 7, 7, 6, 6, 6, 5, 5, 5, 4, 3, 4, 3, 4, 3, 2, 2, 2, 1, 1, 1,,,, 8, Hampa LA Slagg 8, Hampa HA Slagg 8, Salix Slagg 7, 7, 7, 6, 6, 6, 5, 5, 5, 4, 3, 4, 3, 4, 3, 2, 1,, 2, 1,, 2, 1,, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,, Granbark Slagg 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,, Tallbark Slagg 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,, Björkbark Slagg 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,, GROT 1 Slagg 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1,, GROT 2 Slagg Figur 1. Elementsammansättningen av den bildade slagget Figur 1 jämförs bränsleasksammansättning med slaggsammansättning. Klara likheter finns mellan mängden askbildande ämnen i 7 av 11 fall. Den bränslesammansättning som skiljer sig åt mellan de två olika metoderna är rörflen (HA), salix, granbark och tallbark, dock i olika grad. För de bränslesammansättningar som skiljer sig åt mellan de två analysmetoderna framgår det vagt att K- koncentrationen i bränsleaskan är högre. Även här framgår som i tabell 3 att Si-halten är högre i slaggen än i bränsleaskan för 8 av 11 bränslen. 23

25 Tabell 5. Fasidentifiering med XRD för slaggproverna FAS Vete Rörflen Rörflen Hampa Hampa Salix Gran Tall Björk Grot Grot halm HA LA HA LA bark bark bark 1 2 Wt-% kristallina ämnen i slaggproverna SiO CaMg(SiO 4) 2 11 NaAlSi 3O KAlSi 2O Ca 2Mg(Si 2O 7) Ca 2SiO KAlSiO Ca 3Mg(SiO 4) CaSiO KCaPO 4 72 KCl 9 K 2SO4 11 Ca 9MgK(PO 4) KAlSi 3O Rwp XRD analysen visade att slaggen från rörflen (HA), hampa (HA) och GROT 2 innehåller höga halter av kvarts, albite och microcline. Dessa sandmineraler förekommer inte naturligt i bränslet utan har kontamineras under processens gång. Genom att jämföra resultaten från XRD (tabell 5) med resultatet ur SEM/EDS analysen på slaggerna (figur 1) kunde smältans sammansättning uppskattas. Smältan består framförallt av Si, Ca, K och Al förutom för vetehalm där Si och K dominerade. GROT 1, hampa (LA) och alla barker domineras av Ca-Mg och Ca-baserad silikater. Även en mindre mängd K-Al baserade silikater återfinns i smältan. Även mängden amorft material kunde bestämmas. Andel amorft material för salix, GROT 2 och de agrara bränslena förutom för hampa (LA) ligger på vikt-%. Barken och GROT 1 har en lägre andel smälta på vikt-%. Dessa värden speglar dock inte verkligheten vid 12ºC eftersom en del slagg har kristalliserat ut och en del förblir amorft (glas) under nedkylningsfasen från 12ºC. 4.3 Gasemissioner En vedertagen regel är att CO-halten under förbränning fluktuerar mot hur ideal förbränningsprocessen är. CO-halten ökar för de bränslen som slaggar kraftigt. Samtidigt sker då även en förändring i temperaturåtergivningen. När CO halten ökar med en ökad slaggning sjunker temperaturen. Det påvisas framför allt vid förbränning av hampa (HA). Faktum är att den grafen inte är likt någon annan. Dessutom framgår det ur bilaga D att CO-halten är relativt låg för de bränslen som bildar en beläggning på mindre än 1g. CO-halten vid förbränning av granbark varierar onormalt. För referenspellets skedde inga nämnvärda variationer varken vid uppmätt CO eller temperatur. Samma fenomen gällde salix. 24

26 Resultaten i figur 11 visar medelvärdesbildade emissioner för SO 2, HCl och NO under timme 2-3 från antändning av bränslet. mg/nm3 (vid 1% O2) 1 9 SO2, HCl Vetehalm Rörflen HA Rörflen LA Hampa HA Hampa LA Salix Tallbark Granbark Björkbark GROT 2 GROT 1 SO2 HCl NO Träref NO Figur 11. Emissioner av SO 2, HCl och NO under timme 2-3 från antändning vid en 1% O 2 halt. Gasemissioner av HCl, NO och SO 2 styrs mycket av hur stor halt av Cl, N och S element bränslet består av. Stråbränslena gav upphov till höga halter av utsläppt SO 2 (2-8 mg/nm3 1% O 2 ), HCl (1-35 mg/nm3 1% O 2 ) och NO (4-8 mg/nm3 1% O 2 ) vid förbränning. Skogsbränslena samt salix visade samma tendens nämligen mycket låga emissioner av Cl, under detektionsnivån vid mätning av SO 2 och NO låg på 1-5 mg/nm 3 1% O 2. mg/nm3 (vid 1% O2) mg/nm3 (vid 1% O2) mg/nm3 (vid 1% O2) N (vikt-%/ts) S (vikt-%/ts) Cl (vikt-%/ts) Figur 12. Mängden emitterad NO, HCl och SO 2 mot halten N, Cl och S i bränslet uttryckt i mg/nm 3 (vid en 1 % O 2 halt). Figur 12 visar tydliga samband mellan bränslets innehåll av Cl och S mot mängd utsläppt SO 2 och HCl. För N är det betydligt svårare att se något samband dock finns det tendenser som påvisar att NO utsläppen ökar för bränslen med högre andel N. 25