UMEÅ UNIVERSITET 2011-10-14 Institutionen för Tillämpad Fysik och Elektronik Inverkan av förbränningsförhållanden på rökgaspartiklarnas sammansättning i en modifierad pelletskamin Robin Nyström Examensarbete för högskoleingenjörsexamen i energiteknik, 15 hp Handledare: Christoffer Boman, ETPC, Umeå universitet christoffer.boman@chem.umu.se
Förord Detta examensarbete utfördes under VT -09 på enheten Energiteknik och termisk processkemi (ETPC) vid institutionen för Tillämpad fysik och elektronik, Umeå Universitet. Examensarbetet omfattar 15 poäng. Jag vill tacka min handledare Christoffer Boman och ETPC s tekniker Ulf Nordström för all hjälp med genomförandet av detta arbete. Utöver dessa två vill jag även tacka resten av ETPC för några väldigt givande veckor VT-09. Robin Nyström Sida 1 av 46
Sammanfattning I två översiktsartiklar har ledande europeiska och amerikanska forskare slagit fast att partiklar i emissioner från vedeldning och utsläpp vid småskalig biobränsleeldning generellt sett måste anses som skadligt för hälsan vid exponering, även i de låga halter som normalt förekommer i utomhusluften. Vad som dock saknas är kunskap kring hur denna "farlighet" förändras, och kan påverkas, då modern teknik används samt hur olika biobränslen förhåller sig i detta sammanhang. Med avseende på detta så genomfördes detta examensarbete i syfte att fastställa hur olika förbränningsförhållanden i en modifierad pelletskamin inverkar på rökgaspartiklarnas sammansättning m a p organiskt och elementärt kol. Vidare undersöktes om det är möjligt att stabilt generera en sotande förbränning under längre perioder för framtida toxikologiska studier av rökgaser från biomassa. Resultaten visar på att det är möjligt att med hjälp av de parametrar som funnits att variera, stabilt kunna generera olika sorters förbränningstyper i den nu använda och modifierade pelletskaminen där såväl totalhalten partiklar som fördelningen av organiskt och elementärt kol i partiklarna varierade. Detta är lovande och visar på att det på ett kontrollerat vis går att skapa emissioner under ofullständiga förbränningsförhållanden där partiklarna har olika karakteristik. För att genomföra mer ingående studier rekommenderas dock att vissa förbättringar och utveckling av tekniken genomförs, för ökad kontroll och flexibilitet. Detta kan antingen ske med en ombyggd (enligt de förslag som ges i felkällor) pelletskamin (t ex Pitekaminen), alternativt en helt ny egendesignad reaktor/kamin. Detta för att kunna verifiera de resultat som fåtts innan någon omfattande studie kring partikelegenskaper grundas på de resultat som nåtts i detta arbete. En aspekt är att det i befintliga system (kaminer m m) är svårt att elda pellets kallt, och generera pyrolysprodukter, eftersom pellet är ett torrt bränsle och det matas in på en het/glödande bränslebädd. För att komma runt detta, men fortfarande nyttja fördelarna med kontinuerligt matad pellets, behövs troligen en helt annan design av förbränningsutrymmet där en primär-zon pyrolyserar bränslet innan koksförbränningen sker vid högre temperatur. Sida 2 av 46
Abstract In two review articles leading European and American researchers have stated that particles in emissions from residential wood combustion and emissions from small-scale biomass burning in general must be regarded as harmful to health during exposure, even in the low concentrations normally found in outdoor air. However, what is missing is knowledge about how this toxicity changes and may be affected when modern combustion technology is used and how different biomass fuels relate in this context. Because of this, the objective with this work was to determine the influence of combustion conditions in a modified pellet stove on the composition of particulate matter in the emissions with respect to the distribution of organic and elemental carbon. A further purpose was to investigate whether it is possible to generate a stable "sooty" burning state for longer periods of time to be used in future toxicological studies of biomass emission particles. The results showed that it is possible, by adjusting the parameters that was available, to generate stable conditions of different types of combustion in the currently used and modified pellet stove. Both the total mass concentration of particles and the distribution of organic and elemental carbon in the particulate matter varied. This is promising and shows that it is possible to create, in a controlled manner, incomplete combustion conditions where the particles have different characteristics and properties. In order to conduct more detailed studies, however, it is recommended that certain improvements and development of technology is implemented, to enable better control and flexibility. This can be done either with a rebuilt pellet stove or a completely new self-designed reactor. This should be applied to verify the results obtained before any comprehensive study on particle properties based on the results achieved in this work is performed. Sida 3 av 46
Innehållsförteckning 1. Inledning... 5 1.1. Bakgrund... 5 1.2. Syfte... 6 2. Teori... 7 3. Metod... 8 3.1 Förbränningsutrustning, styrsystem och gasanalyser... 9 3.2 Experimentellt genomförande... 11 3.3 Totalstoft... 12 3.4 Utspädning av rökgaser... 13 3.5 Organiskt och Elementärt Kol (OC/EC)... 14 4. Resultat... 15 4.1 Högeffekt (5 kw) Temperaturer, totalstofthalter och gasdata... 16 4.2 Lågeffekt (2.5 kw) Temperaturer, totalstofthalter och gasdata... 20 5. Diskussion... 23 5.1 Resultat i relation till syften... 23 5.2 Felkällor... 24 5.3 Förslag till förbättring... 24 6. Slutsatser... 25 Referenser... 26 Bilagor... 27 Sida 4 av 46
1. Inledning 1.1. Bakgrund I två översiktsartiklar [1,2] har ledande europeiska och amerikanska forskare slagit fast att partiklar i emissioner från vedeldning ("vedrök") och utsläpp vid småskalig biobränsleeldning generellt sett måste anses som skadligt för hälsan vid exponering, även i de låga halter som normalt förekommer i utomhusluften. Vad som dock saknas är kunskap kring hur denna "farlighet" förändras, och kan påverkas, då modern teknik används samt hur olika biobränslen förhåller sig i detta sammanhang. En avgörande fråga, med intresse för såväl det vetenskapliga samhället som för myndigheter, industri och allmänheten, är hur partiklars olika egenskaper påverkar dess öde i atmosfären, klimatpåverkan, deponering i andningsvägarna, dess toxikologiska potential samt vilka möjligheter det finns att påverka detta genom bränsleval, processåtgärder och/eller reningsteknik. Detta är nödvändig information om det ska vara möjligt att bedöma påverkan på folkhälsan av olika föroreningskällor samt relatera olika tekniska och bränslemässiga förändringar till potentiell miljö- och hälsopåverkan. Förbränningsprocesser av olika slag är den största utsläppskällan av små sub-mikrona partiklar. Dessa partiklar är mindre än 1 µm och bildas via kondensationsprocesser av ämnen som är i gasfas vid höga temperaturer [3]. Dessa beter sig ungefär som en gas och detta innebär att de tar sig långt ner i andningsvägarna vilket kan leda till olika typer av hälsoeffekter, främst inflammatoriska effekter i andningsvägarna och hjärt-kärleffekter). Kopplingen mellan specifika partikelegenskaper och olika hälsoeffekter har dock inte utretts grundligt och mer forskning behövs [2]. Vad gäller skillnader mellan olika småskaliga ved- och pelletstekniker vad gäller emissioner har det i en rapport presenterats emissionsfaktorer för olika typer av småskaliga anläggningar för ved och träpellets. Mycket stora variationer finns vad gäller inverkan av anläggningstyp och handhavande. T ex visas att eldning med stora vedinlägg i äldre pannor utan ackumulatortank genererar emissioner som är ca 30 ggr högre än för moderna vedpannor som eldas på ett riktigt sätt, och 50-100 ggr högre än motsvarande för väl fungerande pelletsbrännare/pannor. Detta har lett till att småskalig biobränsleeldning (främst dagens vedeldning) bedöms vara en stor källa av utsläpp av t ex partiklar och kolväten. Inom EU har detta uppmärksammats alltmer som ett potentiellt hälsoproblem och det finns ett behov av såväl teknisk utveckling av dessa småskaliga system som en förståelse för hur utsläppen påverkar människor och miljön [4]. Sida 5 av 46
1.2. Syfte Det övergripande syftet med detta examensarbete var därför att fastställa hur olika förbränningsförhållanden i en modifierad pelletskamin inverkar på rökgaspartiklarnas sammansättning m a p organiskt och elementärt kol. De specifika delsyftena med arbetet var vidare att; Undersöka totalluftens påverkan av förbränningen vid två driftlägen; nominell effekt (5 kw) och låg effekt (2.5 kw). Utifrån data från ovanstående punkt utreda hur fördelningen av primär- och sekundärluft påverkar total partikelkoncentration (PM tot ) och sammansättning m a p organiskt och elementärt kol. Undersöka om det är möjligt att stabilt generera en sotande förbränning under längre perioder (några timmar) för framtida toxikologiska studier av rökgaser från biomassa för att kunna undersöka hälsoeffekter. Sida 6 av 46
2. Teori Förbränning är en exoterm process där brännbart material (kol och väte) oxideras till CO2 och H2O och även ämnen som kväve och svavel oxideras till NO och SO2. Under denna process frigörs den energi som är lagrad i bränslet och genererar värme och strålning som går att utnyttja på olika sätt. För att uppnå fullständig förbränning (dvs. allt kol blir till CO2 osv.) krävs att vissa förutsättningar är uppfyllda, dessa är välkända och är: 1. Tillräckligt med syre för fullständig oxidation 2. Tillräckligt hög temperatur för de kemiska reaktionerna 3. Tillräckligt hög uppehållstid vid tillräcklig temperatur 4. Tillräckligt med turbulens för att mixa bränslekomponenterna och luften I stort sett i alla praktiska förbränningsfall är dessa förutsättningar inte uppfyllda varken samtidigt eller fullständigt och detta gör att det bildas en uppsjö av oförbrännda restprodukter saker, se figur 1. för en schematisk bild över detta. Det som är relevant för detta arbete är de fina partiklarna, och generellt sett kan dessa partiklar vid småskalig biobränsleeldning delas upp i tre kategorier; I) aska(oorganiskt), II) sot (elementärt kol) och III) organiskt material (organiskt kol) vilket visas i figur 2 [7]. Askan kommer från det icke brännbara materialet i och som följer med bränslet, medans sotet och det organiska materialet är produkter av det brännbara i bränslet och det är detta som går att påverka med hjälp av totalluften och fördelningen mellan primär och sekundär luft. För mer information och mer detaljer om småskalig förbränningsteknik och de emissioner som bildas hänvisas till Sippula [9] och Boman [8]. Figur 1. Schematiskbild över de olika stegen i förbränning [8]. Sida 7 av 46
Figur 2. Karakteristik och egenskaper hos de tre typiska klasserna av partiklar i rökgaser från småskalig biobränsleeldning [2]. Sida 8 av 46
3. Metod Metoddelen är uppdelad i olika sektioner som behandlar hårdvaran, hur de inledande försöken genomfördes och sedan lite om de olika provtagningsmetoderna gick till och varför dessa genomförs. 3.1 Förbränningsutrustning, styrsystem och gasanalyser Försöken utfördes i en prototyp till den kommersiella pelletskaminen Pitekaminen [5] som var lokaliserad i Energiteknik och termisk processkemi s (ETPC) laborationslokaler vid Umeå universitet, se figur 3. Kaminen modifierades för att primär- och sekundärluften skulle kunna styras med hjälp av två massflödeskontroller så att fördelningen mellan dessa två skulle kunna studeras noggrant. Utöver detta finns ett pelletsförråd med matning runt om kaminen. De pellets som användes under försöken var 6 mm stamvedspellets (SCA BioNorr) som har ett garanterat energiinnehåll på minst 4.9 kwh/kg, en askhalt 0.5% och en fukthalt på 7%. Figur 3. Bild på kaminen. Kaminen var ansluten till ett rökrörssystem byggt för att det ska vara möjligt att på ett optimalt sätt kunna provta gaser och partiklar i rökgaserna som sedan går igenom en skrubber för kylning och rening innan de släpps ut genom skorstenen (se figur 3). I systemet hålls ett konstant undertryck på 0.3 mbar med hjälp av en rökgasfläkt som styrs genom programmet LabView där även flödet av primär och sekundär förbränningsluft styrdes via massflödeskontrollers. LabView är ett programmeringsverktyg ifrån National Instruments (NI) för att enkelt kunna bygga virtuella Sida 9 av 46
instrumentpaneler som används till att enkelt kunna styra och logga data ifrån de styrsystem som NI även tillverkar [6]. Även temperaturen på ett antal termoelement placerade enligt figur 4. loggas i detta system. Figur 4. Termoelementsplacering i pelletskaminen. Gasanalyser (CO och O 2 ) utfördes med hjälp av en Testo 350XL rökgasanalysator som samplade 1 gång per sekund under respektive provtagning. Denna mäter gaserna med hjälp av elektrokemiska gassensorer där koncentrationen av en viss gas bestäms genom att oxidera eller reducera gasen vid en av två elektroder i en elektrolyt och sedan mäta den ström som alstras i cellen. Figur 5. Försöksuppställning med pelletskamin samt gas- och partikelprovtagning Sida 10 av 46
3.2 Experimentellt genomförande Inledningsvis, med syfte att hitta de driftpunkter som skulle ingå i den skarpa mätserien, genomfördes en testserie vid nominell effekt (5 kw) för att ta reda på vilka totalluftflöden som var optimala. Detta gjordes så att till att börja med så tillsattes totalluften enbart genom kaminrostret, d v s som primärluft. På detta sätt hittades en punkt där kaminen brann så bra som möjligt utan tillsats av sekundärluft. Denna punkt antogs kunna representera en ofullständig förbränning vid relativt hög temperatur. När denna punkt bestämts så reducerades primärluften så mycket som möjligt medans totalluften behölls konstant, d v s resten av luften tillsattes som sekundärluft. Denna punkt antogs kunna representera en ofullständig förbränning vid relativt låg temperatur. Mellan dessa punkter placerades sedan en tredje punkt som skulle representera optimal/effektiv förbränning. Då denna punkt dock var svårdefinierad så togs två punkter ut som verkade brinna likvärdigt. Samtliga driftpunkter som testades under denna inledande utvärdering för 5 kw läget återfinns i Bilaga 1. Detta återupprepades sedan för ett driftläge med låg effekt (2.5 kw), dock ej lika grundligt som för 5 kw eftersom behovet ej fanns utifrån erfarenheter kring kaminens funktion från mätserie 1. En sammanfattning över den slutgiltiga försökmatrisen med mätserie 1 och 2 ses i Tabell 1 nedan. Endast resultat från mätserie 2 redovisas således i huvudrapporten. Tabell 1. Experimentell försöksmatris Effekt (kw) Totalluft (lpm) Prim/Sek (%) Mätserie 1 2.5 20 100/0 30 40 5.0 20 100/0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Mätserie 2 2.5 40 100/0 75/25 50/50 25/75 5.0 100 100/0 70/30 60/40 30/70 Sida 11 av 46
3.3 Totalstoft För att bestämma total masskoncentration av partiklar i rökgaserna gjordes filterprovtagningar utifrån standardprinciper (se SS 02 84 26 [10] ) för totalstoft som provtogs vid 120 C. Vid provtagningen användes 90 mm kvartsfiberfilter som torkades och vägdes före och efter provtagningen. Vid varje provtagningstillfälle erhölls två filter eftersom filterhållaren är tvådelad, ett av dessa fryses ner ifall att vidare analyser behövs. Filtren används sedan för att bestämma totalt partikulärt material (PM tot ) och även för att preliminärt bestämma fördelningen av organiskt och elementärt kol (OC/EC) med hjälp av en enkel inaskningsmetod. Detta innebar att filtret hettades upp i olika steg, först till 120 C, därefter till 300 C och slutligen till 550 C och hölls vid dessa temperaturer i ca 2 timmar vid varje steg. Efter varje temperatursteg togs filtrena ut och vägdes för att se hur mycket material som hade avgått (förångats/förbränts) på filtrena. Detta antogs ge en indikation på hur mycket av det insamlade materialet på filtrena som var organiskt kol (förbränns vid lägre temperaturer) och elementärt kol (förbränns vid högre temperatur). Det går dock inte att använda denna metod med speciellt stor säkerhet dels eftersom det är en varm provtagning vilket gör att en del av det organiska kommer att försvinna och dels för att själva inaskningen är så pass oexakt. Dock antogs att det skulle ge en ledtråd om vad efterföljande mer adekvata OC/EC-analysen (se 3.5 nedan) skulle komma att visa som utfördes vid avdelningen för Kärnfysik vid Lunds universitet. Sida 12 av 46
3.4 Utspädning av rökgaser Den provtagningsmetod som primärt används för organisk och elementärt kol kräver att rökgas temperaturen ligger runt 20-40 C istället för de 100-140 C som de råa rökgaserna håller i rökgaskanalen innan skrubbern. För att komma runt detta används en ejektorspädare för att kyla och späda ut rökgaserna till lämplig temperatur. Ett ytterligare motiv till utspädningen är att provtagning kan ske under längre perioder vilket ger mer representativa resultat, d v s man får med en större del av förbränningscykeln under samplingstiden. Skälet till provtagning vid denna låga temperatur är att så mycket som möjligt av det organiska materialet skall ges möjlighet att kondensera och bli partikelbundet. Dessa ämnen är i vissa fall nämligen mycket temperaturkänsliga, s k semi-volatila. En ejektor fungerar enligt Venturi effekten (ett särskilt fall av Bernoullis princip) som säger: När hastigheten på en fluid ökar så sänks dess tryck och omvänt Detta medför att man med hjälp av ett munstycke och tryckluft kan skapa ett tryckfall som drar rökgaserna genom munstycket (se Figur 6). Rökgaserna späds sedan omedelbart vilket ger ett homogent och stabilt resultat med hjälp av enbart renad (HEPA och kolfilter) tryckluft. Den momentana utspädningen medför även att daggpunkten sänks fort vilket förhindrar utfällning av vatten vilket skulle vara ett problem vid andra metoder att sänka temperaturen [7I]. Rökgaser Utspädda rökgaser Figur 6. Ejektor design. Tryckluft Sida 13 av 46
3.5 Organiskt och Elementärt Kol (OC/EC) För att med större säkerhet än vid inaskningen av totalstoft filtrena bestämma OC/EC användes en vedertagen filterbaserad analytisk metod (i samarbete med Lunds universitet) [8]. I denna metod används 47 mm kvartsfiberfilter och 47 mm teflonfilter som placeras i filterhållare enligt figur 7. Det är det ensamma kvartsfiltret som primärt används för efterföljande kolanalys, men den parallella linjen med teflon+kvartfilter är till för att bestämma och korrigera för artefakten att gasformiga organiska ämnen kan adsorberas till kvartfiltret och därmed ge ett felaktigt resultat. Tanken är att teflonfiltret filtrerar bort det partikulära materialet men tillåter organiskt material i gasfas att passera och adsorberas (till viss grad) på kvartsfiltret nedströms. Det kvartsfilter som sitter ensamt samlar således in både elementärt och organiskt material och genom att korrigera bort det adsorberade gasformiga organiska materialet från det andra kvartfiltret kan en adekvat kvantifiering göras. Den kvantitativa kemiska analysen går till så att en del av filtret ifråga stansas ut och analyseras i ett speciellt instrument genom kombinerad termisk och optisk analys. I det nu använda analysprotokollet är proceduren sådan att provet stegvis värms upp till först 650 C i en ugn med heliumatmosfär för att förflyktiga organiskt kol. Detta oxideras sedan till CO 2 som sedan metaniseras till CH 4 (metan) för att slutligen förbrännas i en flammjoniseringsdetektor (FID) som bestämmer hur mycket kol som avgivits från filtret. Filtret får sedan svalna och atmosfären i ugnen ändras till 98% He + 2% O 2 och värms upp igen, denna gången till 750-800 C. Under denna uppvärmning oxideras det elementära kolet (sotet) och detekteras på samma sätt som för det organiska kolet. Ett problem med denna metod är att under uppvärmningen av det organiska materialet så kan en mindre del av det omvandlas (pyrolyseras) till elementärt kol som då måste kompenseras för annars så blir den organiska delen mindre än vad den egentligen är. För att göra detta lyser man med en laser på provet på den utstansade filterbiten under hela analysen och mäter reflektansen och/eller transmittansen, vilket sedan används för att bestämma denna pyrolysartefakt. Detta hjälper på grund av att filtret mörknar när det bildas mer elementärt kol på det, så under första uppvärmningen mörknar filtret och under andra när det elementära kolet försvinner så ljusnar filtret igen. Materialet som avgått innan den punkt när filtret återfår samma transmittans och/eller reflektans som innan första uppvärmningen räknas som organiskt och det efter denna punkt som elementärt kol [8]. Utifrån uppmätt mängd kol på filtrena och med hänsyn till den volym gas som provtagits kunde även en uppskattning av total partikelhalt i rökgaserna göras utifrån denna OC/EC analys. Eftersom en viss mängd stoft är oorganiskt och därmed inte syns i denna analys, adderades 20 mg/m 3 till den beräknade stofthalten eftersom detta tidigare visat sig vara en typisk stofthalt av oorganiska partiklar från pelletsförbränning i små kaminer och brännare [3]. Figur 7. Filterprovtagning för kolanalys (OC/EC). Sida 14 av 46
4. Resultat Resultaten från de inledande försöken i examensarbetet, se bilaga 1, visar att det optimala totalluft flödet vid 5 kw var 100 liter per minut och 40 liter per minut vid 2.5 kw. Detta grundas på O 2 och CO som har avlästs med hjälp av rökgasanalysatorn Testo 350XL (värden för de olika driftlägena som valdes ut kan ses i figur 9 och 13, för värden från de inledande testerna se bilaga 1) och även på färg och hur lågan beter sig visuellt, det kan vara svårt att utifrån de bilder i bilagan se hur detta görs men lågans färg, höjd och den turbulens som finns i förbränningsutrymmet spelar stor roll. Ett exempel på detta är en öppen eld där lågorna är ganska orange och rör sig långsamt, detta är en sotande flamma, medans vid optimal förbränning är det väldigt intensiva flammor som är vita till färgen och vid extrema fall blåaktig, denna flamma är det inget sot i utan denna är alkali/organiskt dominerad. Med detta som grund så valdes 3 st lägen ut för att få de önskade driftlägena: Låg temperatur och dålig förbränning (för kallt) Hög temperatur och dålig förbränning (för lite luft) Optimal förbränning För punkten optimal förbränning så var det svårt att bestämma vilket driftläge som egentligen var optimalt och därför blev det två st provtagningar som var väldigt lika varandra vilket gav punkterna 70/30 och 60/40. Sida 15 av 46
4.1 Högeffekt (5 kw) Temperaturer, totalstofthalter och gasdata Nedan i Figur 8. ses hur mycket totalstoft som bildas vid de olika driftpunkterna, vid optimal förbränning så bildas det lite stoft och vid dålig förbränning bildas det mer stoft. Detta visar tydligt att punkt 30/70 är den "sotande" punkt som eftersöktes. Skillnaderna mellan de TS provtagningen och den beräknade PMtot i figuren går att förklara med att de OC/EC filter som analyserade i vissa punkter blev överladdade under provtagningen, dvs det blev mer material på filtrena än den analysmetod som valdes klarade av att hantera, fördelningen mellan organiskt och elementärt kol påverkas dock inte av detta. 160 140 120 100 80 60 OC/EC TS 40 20 0 100/0 70/30 60/40 30/70 Figur 8. PMtot (mg/nm3 vid 10% O2) vid de olika driftpunkterna. Sida 16 av 46
13:58:12 14:00:31 14:02:50 14:05:09 14:07:28 14:09:47 14:12:06 14:14:25 14:16:44 14:19:03 14:21:22 14:23:41 14:26:00 14:28:19 14:30:38 14:32:57 14:35:16 14:37:35 18:20:57 18:23:38 18:26:19 18:29:00 18:31:41 18:34:22 18:37:03 18:39:44 18:42:25 18:45:06 18:47:47 18:50:28 18:53:09 18:55:50 18:58:31 19:01:12 19:04:56 19:07:37 11:51:32 11:54:19 11:57:06 11:59:53 12:02:40 12:05:27 12:08:14 12:11:01 12:13:48 12:16:35 12:19:22 12:22:09 12:24:56 12:27:43 12:30:30 12:33:17 12:36:04 12:38:51 11:51:32 11:54:19 11:57:06 11:59:53 12:02:40 12:05:27 12:08:14 12:11:01 12:13:48 12:16:35 12:19:22 12:22:09 12:24:56 12:27:43 12:30:30 12:33:17 12:36:04 12:38:51 I Figur 9. så visas de värden på O 2 och CO från de olika driftpunkterna vid hög effekt med hjälp av gasanalysatorn Testo 350XL. Den höga O 2 nivån beror på att pelletskaminen som användes inte är lika tät som diverse andra förbrännings utrustningar som finns på marknaden, men eftersom den tillförda luftmängden tillsätts med hjälp av massflödes kontrollers så blir detta enbart en spädningsfunktion efter rostret som inte är förbränningen tillgodo och kan därför bortses ifrån. Alla värden som presenteras förutom i nedanstående graf är normaliserade till 10% O 2. 100/0. 70/30. 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 18 16 14 12 10 8 % O2 6 ppm CO 4 2 0 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 % O2 ppm CO 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 600 500 400 300 200 100 0 18 16 14 12 10 8 % O2 6 ppm CO 4 2 0 400 350 300 250 200 150 100 50 0 % O2 ppm CO 60/40. 30/70. Figur 9. Testovärden under driftlägena vid hög effekt Sida 17 av 46
De resultat som detta examens arbete gick ut på att få fram presenteras i figur 10 och 11 för driftpunkterna vid hög effekt. Det olika fördelningarna vid de olika driftpunkterna skiljer sig tydligt ifrån varann och även fast metoden med att inaska filter själv inte är perfekt syns även att det åtminstone går att få en viss antydan till vad den mer adekvata OC/EC analysen kommer att visa i de flesta fall. Vid läge 100/0 så ger avsaknaden av sekundärluft zon att det i rökgaserna som filtrena tas ifrån det fortfarande finns kvar sot, vilket vid läge 70/30 är fullständigt förbränt, dvs det finns inget elementärt kol kvar utan enbart en organisk del. Vid läge 60/40 så finns det däremot en liten sot del vilket inte kunde ses visuellt vilket är skälet till att det fanns ett behov av att ta två punkter i mitten av försöks matrisen. I den sista punkten, 30/70, är det en betydande del sot i rökgaserna vilket är att förvänta och var det som eftersöktes. Det som skall tänkas på är att alla resultat i dessa två figurer är i procentuell andel av TS massan, det vill säga att Figur 8. är relevant för tolkningen av dessa resultat, mängden sot vid punkt 30/70 är till exempel större än totalmängden material i de andra punkterna. 100/0 1,6% 10,1% 18,9% efter 120 C efter 300 C efter 550 C OC % EC % 88,4 % 81,1% 70/30 0,0% 14,2% 36,1% efter 120 C efter 300 C efter 550 C OC % EC % 49,7% 100,0% Figur 10. Viktavgång vid respektive temperatur i procent vid inaskning av totalstoftfilter (vänster) och kolfraktionering vid OC/EC analys (höger) för driftläge 1 (100/0) och 2 (70/30). Sida 18 av 46
60/40 14,8% 4,1% 16,7% efter 120 C efter 300 C efter 550 C OC % EC % 81,1% 83,3% 30/70 17,5% 61,6% 20,9% efter 120 C efter 300 C efter 550 C 43,6% 56,4% OC % EC % Figur 11. Viktavgång vid respektive temperatur i procent vid inaskning av totalstoftfilter (vänster) och kolfraktionering vid OC/EC analys (höger) för driftläge 3 (60/40) och 4 (30/70). Sida 19 av 46
4.2 Lågeffekt (2.5 kw) Temperaturer, totalstofthalter och gasdata Vid driftpunkt 8 (10/30) gick det ej att genomföra provtagning på grund av för dålig förbränning, detta resulterade i att rostret fylldes upp med oförbrända pellets. Detta i samband med att totalluft flödet inte gick att ha högre än 40l/min på grund av för mycket turbulens vid effektläget 2.5 kw gör att denna punkt måste strykas. Nedan i Figur 12. ses hur mycket totalstoft som bildas vid de olika driftpunkterna, vid optimal förbränning så bildas det lite stoft och vid dålig förbränning bildas det mer stoft. Vid låg effekt så brinner det dock egentligen inte "optimalt" vid riktigt någon punkt, och därför ligger de PMtot data vid de olika punkterna ganska lika. Skillnaderna mellan de TS provtagningen och den beräknade PMtot i figuren går att förklara med att de OC/EC filter som analyserade i vissa punkter blev överladdade under provtagningen, dvs det blev mer material på filtrena än den analysmetod som valdes klarade av att hantera, fördelningen mellan organiskt och elementärt kol påverkas dock inte av detta. 160 140 120 100 80 60 OC/EC TS 40 20 0 40/0 30/10 20/20 10/30 Figur 12. PMtot (mg/nm3 vid 10% O2) vid de olika driftpunkterna. Sida 20 av 46
09:57:06 09:59:52 10:02:39 10:05:26 10:08:13 10:11:00 10:13:47 10:16:34 10:19:21 10:22:08 10:24:55 10:27:42 10:30:29 10:33:16 10:36:03 10:38:50 10:41:37 10:44:24 11:00:00 11:02:34 11:05:08 11:07:42 11:10:16 11:12:50 11:15:24 11:17:58 11:20:32 11:23:06 11:25:40 11:28:14 11:30:49 11:33:23 11:35:57 11:38:31 11:41:05 11:43:39 11:53:50 11:56:30 11:59:10 12:01:50 12:04:30 12:07:10 12:09:50 12:12:30 12:15:10 12:17:50 12:20:30 12:23:10 12:25:50 12:28:30 12:31:10 12:33:50 12:36:30 12:39:10 I Figur 13. så visas de värden på O 2 och CO från de olika driftpunkterna vid låg effekt med hjälp av gasanalysatorn Testo 350XL. Den höga O 2 nivån beror på att pelletskaminen som användes inte är lika tät som diverse andra förbrännings utrustningar som finns på marknaden, men eftersom den tillförda luftmängden tillsätts med hjälp av massflödes kontrollers så blir detta enbart en spädningsfunktion efter rostret som inte är förbränningen tillgodo och kan därför bortses ifrån. Alla värden som presenteras förutom i nedanstående graf är normaliserade till 10% O 2. 40/0. 30/10. 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1200 1000 800 600 400 200 0 18 16 14 12 10 8 % O2 6 ppm CO 4 2 0 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 % O2 ppm CO 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2500 2000 1500 1000 500 0 % O2 ppm CO 20/20. Figur 13. Testovärden under driftlägena vid låg effekt. Det syns tydligt även i Figur 14. att det brinner sämre i alla driftpunkter vid låg effekt i jämförelse med hög effekt, det är i alla fall mer sot dominerat än vid samma procentuell fördelning vid hög effekt vilket är väntat. Utifrån detta så går det att dra slutsatsen att om man vill generera något riktigt sotande så skall en låg effektnivå väljas, problemet med detta är att med vid lägre effekt kan det bli lättare att få material kvar på rostret vilket gör att vid längre drifttider så kan problem uppstå med för mycket förbränningsrester. Sida 21 av 46
40/0 8,7% 5,1% 35,2% efter 120 C efter 300 C efter 550 C OC % EC % 64,8% 86,2% 30/10 9,2% 9,2% 16,3% efter 120 C efter 300 C efter 550 C OC % EC % 74,5% 90,8% 20/20 7,4% 6,1% 22,8% efter 120 C efter 300 C efter 550 C OC % EC % 69,80% 93,9% Figur 14. Viktavgång vid respektive temperatur i procent vid inaskning av totalstoftfilter (vänster) och kolfraktionering vid OC/EC analys (höger) för driftläge 5 (40/0),6 (30/10) och 7(20/0). Sida 22 av 46
5. Diskussion 5.1 Resultat i relation till syften Resultaten visar på att det är möjligt att med hjälp av de parametrar som funnits att variera, stabilt kunna generera olika sorters förbränningstyper i den nu använda och modifierade pelletskaminen där såväl totalhalten partiklar (se figur 8 och 12) som fördelningen av organiskt och elementärt kol (se figur 10, 11 och 14) i partiklarna varierade. Detta är lovande och visar på att det på ett kontrollerat vis går att skapa emissioner under ofullständiga förbränningsförhållanden där partiklarna har olika karakteristik. Man kan tydligt se skillnad på de olika driftpunkterna och det är stora skillnader mellan de två ändlägena (100% primärluft respektive 25-30% primärluft). Även totalluften för de olika driftlägena (5 kw och 2.5 kw) spelar stor roll här (se figur 9 och 13), för mycket primärluft får det att brinna dåligt och för lite gör att biomassan inte klarar av att förbrännas så det är viktigt att hitta en balans för det effektläge som är önskvärt. Det har även visat sig att in askningen av totalstofts filtrena gav en relativt bra uppskattning av fördelningen mellan elementärt och organiskt kol under vissa antaganden, och att det finns vissa osäkerheter i metoden. Ett sådant antagande är att allt material som avgår upp till 300 grader är organiskt, och med detta antagande så stämmer fördelningen bra överens med OC/EC analyserna. De fall där det inte stämmer överens (70/30 och 40/0) kan troligen förklaras av att de relativt låga filtervikterna, d v s låga totalstofthalterna, gör det svårt att väga och kvantifiera eftersom varje fraktion blir så liten. Vid låga primärluftflöden så sotar det och brinner med lägre temperaturer, medan enbart primärluft gör att det brinner med högre temperaturer, dock uppnås inte fullständig förbränning., dels för att uppehållstiden blir låg och dels för att rökgaserna inte har samma möjlighet att förbrännas i sekundärzonen. Den optimala punkten, utifrån testerna i denna studie, återfinns där det finns tillräckligt med primärluft genom rostret för att allt ska kunna pyrolyseras/förgasas och det finns tillräckligt med sekundärluft för att gaserna sedan ska kunna förbrännas i sekundärzonen. Detta visar på att det finns mycket att vinna på att verkligen trimma in kaminer och pannor inte enbart för att hålla nere totala mängden oförbrända partiklar utan även för att påverka fördelning mellan organisk och elementärt kol, och därmed partiklarnas egenskaper i atmosfären och vid inandning. För att genomföra mer ingående studier rekommenderas dock att vissa förbättringar och utveckling av tekniken genomförs, för ökad kontroll och flexibilitet. Detta kan antingen ske med en ombyggd (enligt de förslag som ges i felkällor) pelletskamin (t ex Pitekaminen), alternativt en helt ny egendesignad reaktor/kamin. Detta för att kunna verifiera de resultat som fåtts innan någon omfattande studie kring partikelegenskaper grundas på de resultat som nåtts i detta arbete. En aspekt är att det i befintliga system (kaminer m m) är svårt att elda pellets kallt, och generera pyrolysprodukter, eftersom pellet är ett torrt bränsle och det matas in på en het/glödande bränslebädd. För att komma runt detta, men fortfarande nyttja fördelarna med kontinuerligt matad pellets, behövs troligen en helt annan design av förbränningsutrymmet där en primär-zon pyrolyserar bränslet innan koksförbränningen sker vid högre temperatur. Sida 23 av 46
5.2 Felkällor Under projektets gång har en mängd oförutsedda problem stötts på, vissa av dessa har åtgärdats under arbetets gång men några har inte uppmärksammats förrän efter merparten av körningarna gjorts och kommer därför enbart diskuteras hur de troligtvis har påverkat resultatet. Bland annat uppmärksammades mot slutet att bränslematningen är felkonstruerad, eftersom pelletsskruven sitter monterad i en ränna i botten av pellets förrådet istället för att gå ner i förrådet. Detta medför att mängden pellets i förrådet påverkar hur mycket pellets som matas in i kaminen på grund av att trycket ner i schaktet är högre med mycket pellets. Eftersom skruven kalibrerades med fullt förråd så har effekten avtagit under körningarna, detta bedöms dock som ett inte alltför stort fel men det har påverkat luft/bränsle-förhållandet i kaminen och därmed resultaten. Det kanske största felet är läckage i kaminen, vilket har försökt åtgärdas under projektets gång och har till viss del lyckats. Men det finns inga tvivel om att utifall detta skall göras riktigt noggrant kommer en nyare modell av pitekamin att behöva köpas in, det exemplar som finns att tillgå på ETPC har varit med i några år och de nyare modellerna är bättre direkt från fabrik. Sen kan man givetvis täta dessa ännu mer men att få den som finns tät måste ses som väldigt svårt. Läckaget gör att det blir svårt att veta om allt syre som mäts med gasanalysatorn har varit förbränningen till godo, troligtvis har det inte det eftersom syrenivån ligger så pass högt som det gör under alla körningar. Andra fel som inte är mekaniska är att det helt enkelt inte är kört tillräckligt många filter, borde egentligen ha haft åtminstone dubbla provtagningar till varje punkt men med tanke på omfattningen på arbetet, 10 veckor, hade detta inte hunnit med om hela matrisen skulle ha genomförts. Detta och i samband med att OC/EC analyser görs på annan ort med lång väntetid innebar att vissa av körningarna är överladdade och inte riktigt går att lita på. 5.3 Förslag till förbättring Massflödeskontrollerna skulle egentligen ha gått att reglera mer noggrant, mycket möjligt att det hade varit så att man hade kunnat hitta bättre punkter om så var fallet. Fler filterprovtagningar, åtminstone duplikat vid all provtagning. Ombyggnation av pelletsmatningen så att pellets skruvas upp ur själva förrådet istället för som nu i en ränna med hela pellets förrådets vikt på sig ifall kaminen skall användas igen. Inköp av nyare modell av pelletskamin, alternativt bygga en ny speciellt designad labb- "reaktor", med syfte att ha bättre kontroll och flexibilitet samt ge möjligheter att generera kall förbränning bättre. Sida 24 av 46
6. Slutsatser Trots de brister som diskuteras i diskussionen kan ett mönster ses för bildningen av elementärt och organiskt kol i relation till primär och sekundärluften. Detta tyder på att med fler och mer kontrollerad försök (tätning av kamin, bättre massflödeskontroller, noggrannare filterprovtagning mm.) så går det att med säkerhet bestämma vilken form av partiklar som genereras. Detta är lovande och visar på att det på ett kontrollerat vis går att skapa emissioner under ofullständiga förbränningsförhållanden där partiklarna har olika karakteristik. Även under de förhållanden som detta arbete genomförts under så bedöms de mål som satts upp vara fyllda, men att grunda framtida försök enbart på resultaten från detta arbete är inte att rekommendera eftersom mer noggrann utredning krävs. Sida 25 av 46
Referenser 1. Naeher LP, Brauer M, Lipsett M, Zelikoff JT, Simpson CD, Koenig JQ, Smith KR. Woodsmoke health effects: a review. Inhalation Toxicology 2007;19:67-106. 2. Kocbach Bølling A, Pagels J, Yttri K-E, Barregard L, Sällsten G, Schwarze PE, Boman C. Health effects of residential wood smoke particles: the importance of combustion conditions and physicochemical particle properties. Particle and Fibre Toxicology 2009;6:29. 3. Boman C. Doktorsavhandling. Umeå universitet 2005. 4. Boman C. Behov av forskningsinsatser kring partikelemissioner från småskalig uppvärmning med biobränsle - Förstudie. Swedish Energy Agency, Report 2008. (Umeå University, ISSN 1653-0551, ETPC Report 08-01) 5. http://www.pitekaminen.com [2010-05-04] 6. http://www.ni.com [2010-05-04] 7. http://dekati.com/cms/dekati_diluter/operating_principle [2010-05-08] 8. Turpin BJ, Saxena P, Andrews E. Measuring and simulating particulate organics in the atmosphere: problems and prospects. Atmospheric Environment 2000;34:2983-3013. 9. Sippula O. Doktorsavhandling. University of Eastern Finland 2010. 10. SIS - http://www.sis.se [2011-02-07] Sida 26 av 46
Bilagor Bilaga 1 - Inledande försök T.H visas bild på rostret och lågans färg medans T.V visas totalluft, fördelningen mellan primär och sekundärluft, temperaturer i kaminen och data från rökgasanalysator Testo 350XL, T1-T5 är temperaturer i förbränningsutrymmet. Dessa är placerade med T1 längst ner och T5 längst upp. CO och O2 är kolmonoxid halten och syre halten i rökgaserna som fåtts med hjälp av en Testo 350XL rökgas analysator. Primär 100 l/min 20 l/min T1 870 C T2 900 C T3 550 C T4 800-850 C T5 750 C CO 300-800 ppm O2 14-16 % Sida 27 av 46
Primär 90 l/min 30 l/min T1 850 C T2 640 C T3 525 C T4 850 C T5 700 C CO 150-600 ppm O2 14-16 % Primär 80 l/min 40 l/min T1 900 C T2 930 C T3 550 C T4 875 C T5 725 C CO 100-450 ppm O2 14-16 % Sida 28 av 46
Primär 70 l/min 50 l/min T1 860 C T2 925 C T3 550 C T4 850 C T5 750 C CO 100-350 ppm O2 13-16 % Sida 29 av 46
Primär 60 l/min 60 l/min T1 850 C T2 940 C T3 550 C T4 850 C T5 700 C CO 50-250 ppm O2 14-16 % Primär 50 l/min 70 l/min T1 850 C T2 875 C T3 580 C T4 730 C T5 850 C CO 50-150 ppm O2 13-16 % Sida 30 av 46
Primär 40 l/min 80 l/min T1 775 C T2 825 C T3 560 C T4 710 C T5 825 C CO 100-230 ppm O2 14-16 % Primär 30 l/min 90 l/min T1 800 C T2 800 C T3 590 C T4 750 C T5 880 C CO 100-200 ppm O2 13-16 % Sida 31 av 46
Primär 90 l/min 20 l/min T1 850 C T2 975 C T3 600 C T4 800 C T5 750 C CO 100-500 ppm O2 13-16 % Primär 80 l/min 30 l/min T1 850 C T2 900 C T3 500 C T4 750 C T5 850 C CO 100-500 ppm O2 14-16 % Sida 32 av 46
Primär 70 l/min 40 l/min T1 850 C T2 925 C T3 525 C T4 725 C T5 850 C CO 80-250 ppm O2 13-16 % Primär 60 l/min 50 l/min T1 800 C T2 875 C T3 525 C T4 725 C T5 825 C CO 50-200 ppm O2 13-16 % Sida 33 av 46
Primär 50 l/min 60 l/min T1 825 C T2 825 C T3 580 C T4 850 C T5 750 C CO 0-120 ppm O2 13,5-16 % Primär 40 l/min 70 l/min T1 775 C T2 800 C T3 580 C T4 850 C T5 750 C CO 50-200 ppm O2 13-15 % Sida 34 av 46
Primär 30 l/min 80 l/min T1 750 C T2 750 C T3 580 C T4 800 C T5 700 C CO 0-100 ppm O2 13,5-16 % Primär 20 l/min 90 l/min T1 700 C T2 725 C T3 580 C T4 775 C T5 700 C CO 0-80 ppm O2 13-16 % Sida 35 av 46
Primär 80 l/min 20 l/min T1 850 C T2 925 C T3 580 C T4 820 C T5 750 C CO 100-400 ppm O2 14-16 % Primär 70 l/min 30 l/min T1 850 C T2 925 C T3 580 C T4 850 C T5 750 C CO 0-150 ppm O2 12,5-15 % Sida 36 av 46
Primär 60 l/min 40 l/min T1 850 C T2 900 C T3 550 C T4 850 C T5 730 C CO 50-200 ppm O2 13-16 % Primär 50 l/min 50 l/min T1 900 C T2 900 C T3 550 C T4 900 C T5 750 C CO 50-280 ppm O2 13-15 % Sida 37 av 46
Primär 40 l/min 60 l/min T1 775 C T2 850 C T3 525 C T4 850 C T5 750 C CO 100-300 ppm O2 13-15 % Primär 30 l/min 70 l/min T1 775 C T2 875 C T3 550 C T4 850 C T5 750 C CO 80-250 ppm O2 13-16 % Sida 38 av 46
Primär 20 l/min 80 l/min T1 925 C T2 900 C T3 525 C T4 830 C T5 700 C CO 0-100 ppm O2 14-16 % Primär 10 l/min 90 l/min T1 550 C T2 725 C T3 480 C T4 800 C T5 650 C CO 70-200 ppm O2 15-17 % Sida 39 av 46
Primär 80 l/min 10 l/min T1 875 C T2 900 C T3 550 C T4 875 C T5 775 C CO 100-600 ppm O2 13-16 % Primär 70 l/min 20 l/min T1 875 C T2 900 C T3 550 C T4 875 C T5 775 C CO 30-280 ppm O2 13-16 % Sida 40 av 46
Primär 60 l/min 30 l/min T1 850 C T2 900 C T3 575 C T4 880 C T5 785 C CO 30-200 ppm O2 13-15 % Primär 50 l/min 40 l/min T1 875 C T2 875 C T3 575 C T4 900 C T5 775 C CO 50-350 ppm O2 14-15,5 % Sida 41 av 46
Primär 40 l/min 50 l/min T1 775 C T2 860 C T3 500 C T4 825 C T5 710 C CO 80-300 ppm O2 13,5-16 % Primär 30 l/min 60 l/min T1 775 C T2 875 C T3 560 C T4 850 C T5 775 C CO 0-200 ppm O2 13-15,5 % Sida 42 av 46
Primär 20 l/min 70 l/min T1 725 C T2 875 C T3 525 C T4 800 C T5 725 C CO 0-100 ppm O2 13-16 % Primär 10 l/min 80 l/min T1 550 C T2 750 C T3 480 C T4 725 C T5 650 C CO 0-100 ppm O2 15-18 % Sida 43 av 46
Primär 120 l/min 0l/min T1 925 C T2 925 C T3 590 C T4 750 C T5 680 C CO 200-1100 ppm O2 15-18 % Primär 110 l/min 0l/min T1 925 C T2 925 C T3 600 C T4 780 C T5 680 C CO 100-800 ppm O2 15-17,5 % Sida 44 av 46
Primär 100 l/min 0l/min T1 900 C T2 900 C T3 600 C T4 800 C T5 700 C CO 100-600 ppm O2 15-17 % Primär 90 l/min 0l/min T1 900 C T2 900 C T3 600 C T4 850 C T5 750 C CO 50-300 ppm O2 17-jan % Sida 45 av 46