Förbrukning av bäddmaterial i biobränsleeldade fluidbäddar p g a bäddagglomereringsrisk beläggningsbildning och möjligheter till regenerering

Förbrukning av bäddmaterial i biobränsleeldade fluidbäddar p g a bäddagglomereringsrisk beläggningsbildning och möjligheter till regenerering Marcus Öhman, Anders Nordin, Elisabeth Brus, Bengt-Johan Skrifvars, Rainer Backman DELPROGRAM TILLÄMPAD FÖRBRÄNNINGSTEKNIK 739

Förbrukning av bäddmaterial i biobränsleeldade fluidbäddar p g a bäddagglomereringsrisk beläggningsbildning och möjligheter till regenerering Bed material consumption in biomass fired fluidised bed boilers due to risk for bed agglomeration coating formation and possibilities for regeneration Marcus Öhman, Energitekniskt Centrum i Piteå/Oorganisk Kemi Umeå Universitet Anders Nordin, Elisabet Brus, Oorganisk Kemi, Umeå Universitet Bengt-Johan Skrifvars, Rainer Backman, Processkemiska forskargruppen, Åbo Akademi B9-904 VÄRMEFORSK Service AB 101 53 STOCKHOLM Tel 08-677 25 80 Juni 2001 ISSN 0282-3772

Partners: Energitekniskt Centrum i Piteå Oorganisk Kemi, Umeå Universitet Processkemiska forskargruppen, Åbo Akademi Brista Kraft Skellefteå Kraft AB Falu Energi C-4 Energi, Kristianstad Söderenergi, Södertälje VÄRMEFORSK

Abstract Resultaten visade att omsättningen av bäddmaterial är mycket olika i olika skogsbränsleeldade anläggningar och uppgår ofta till betydande och ibland kostsamma mängder. Reducerad risk för bäddagglomerering ges ofta som huvudorsak till de frekventa och omfattande bäddbytena. Tillväxt av beläggning på bäddkornen är generellt förekommande med en initial tillväxthastighet på i storleksordningen några µm/dygn som avtar paraboliskt. För CFB-anläggningarna nås den kritiska tjockleken, som visat sig vara relativt tunn (< 10 µm), inom omkring en vecka. Beläggningarna består i huvudsak av Ca-, Mg-silikater, samt fosfor i någon form. Regenerering av förbrukat bäddmaterial genom mekanisk behandling genom malning, fraktionering av bäddmaterial (i kornstorlek) genom selektivt uttag vid olika bäddhöjder och indirekt regenerering efter sållning förefaller vara relativt svårt att genomföra.

Sammanfattning Tidigare arbeten har visat att många av de biobränslen som används har kritiska agglomereringstemperaturer på i storleksordningen samma temperaturer som de processtemperaturer som råder i typiska fluidbäddanläggningar. Detta medför att det sannolikt finns relativt stor risk för agglomerering och defluidisering under förutsättning att en tillräckligt tjock beläggning på sandkornen har hunnit byggas upp. Därmed är sannolikt också tillräckligt snabbt byte av bäddmaterial och/eller en sänkning av bäddtemperaturen ofta en förutsättning för problemfri drift. Båda alternativen ger dock negativa effekter för totala driften av anläggningen och dagens höga förbrukning av sand är både kostsam och icke hållbar på lång sikt. Syftena med föreliggande arbete var därför att i) kartlägga materialåtgången och orsaker till bäddbyte i några svenska fluidbäddanläggningar; ii) samla verkliga bäddprover för att med SEM/EDS-analys bestämma beläggningskarakteristik och tillväxt som funktion av tid från fullständigt bäddbyte; iii) med den på ETC/Umeå Universitet framtagna testmetoden bestämma den specifika agglomereringstemperaturen för uttagna bäddprov; iv) uppskatta kritisk beläggningstjock/ålder för agglomerering hos de uttagna bäddproverna utifrån resultaten från utförda SEM/EDS-analyser och försök i den framtagna testmetoden; v) med den tidigare framtagna testmetoden och SEM/EDS-analys bestämma bränslens kritiska beläggningstjocklekar för olika representativa biobränslen som funktion av bäddtemperatur samt; vi) experimentellt utvärdera om uttagshöjd, sållstorlek och mekanisk behandling kan användas för att minska materialåtgången, antingen direkt genom fraktionellt uttag, eller indirekt genom regenerering. Tre bubblande fluidiserande bäddar (Falu Energi, C-4 Energi, Söderenergi) samt två cirkulerande fluidiserande bäddar (Brista Kraft, Skellefteå Kraft) ingick i projektet. Gemensamt för dessa anläggningar är att de eldar bränslemixar bestående framförallt av typiska skogsbränslebaserade råvaror samt att verken redovisar driftserfarenheter som tangerar bäddproblem förknippade med bäddagglomerering i bädd och/eller returventiler. Bäddprovuttag utfördes i samtliga deltagande anläggningar utom Söderenergi. Dessa omfattade uttag som funktion av tid (1/2 h, 1h, 2h, 4h, 8h, 12h, 24h, 2-, 3-,..> 14 dygn) från bäddbyte under normal drift. Dessa prov analyserades med SEM/EDS och genom siktning för att bestämma bäddkornens beläggningskaraktäristik och -tillväxt som funktion av tid. Dessutom bestämdes agglomereringstemperaturen hos de uttagna bäddproven från CFBanläggningarna i en tidigare framtagen testmetod (fluidbädd i bänkskala). Förutom dessa agglomereringsprov utfördes förbränningsprov vid olika bäddtemperaturer i samma utrustning med 5 olika bränslen (returflis, sågspån, grön grot, brun grot och bark) för att producera agglomerat vilkas kritiska beläggningstjocklek bestämdes med SEM. Bränslena valdes dels ut för att representera de deltagande anläggningsägarnas intressen dels representera en realistisk variation vad gäller spridningen i sammansättningen av askbildande element hos typiska skogsbränslebaserade råvaror.

För att studera hur kornstorleksfördelningen varierar som funktion av bäddhöjd, utfördes bädduttag vid olika bäddhöjder i såväl full- som bänkskala. Detta för att bestämma om ett fraktionellt uttag vid en given bäddhöjd kan nyttjas för att minska materialåtgången om beläggningens tjocklek och karaktäristik varierar som funktion av bäddkornens storlek. För att studera om indirekt regenering efter sållning av bäddmaterialet kan nyttjas för att minimera bäddmaterialåtgången sållades det sist uttagna bäddproven i olika kornstorleksfördelningar för att sedan med SEM/EDS bestämma bäddkornens beläggningstjocklek och sammansättning som funktion av kornstorleksfördelning. En mild mekanisk behandling genom malning utfördes under olika försöksbetingelser på bäddmaterialen. Malningsresultatet utvärderades sedan genom att utföra XRD-analyser på den bildade finfraktionen och SEM-analyser på de återstående bäddkornen. Resultaten visade att omsättningen av bäddmaterial är mycket olika i olika anläggningar och uppgår ofta till betydande och ibland kostsamma mängder. Reducerad risk för bäddagglomerering ges ofta som huvudorsak till de frekventa och omfattande bäddbytena. Tillväxt av beläggning på bäddkornen är generellt förekommande med en initial tillväxthastighet på i storleksordningen några µm/dygn som avtar paraboliskt. Med den låga bäddomsättning som råder i Falu Energis anläggning är t ex tjockleken uppe i ca 50 µm efter 33 dygn. Beläggningarna består i huvudsak av Ca-, Mg-silikater, samt fosfor i någon form. Dessa verkar förekomma i en inre mer Ca-anrikad homogen beläggning samt en yttre mer inhomogen del även innehållande Mg, P och övriga element. De i bänkskalereaktorn tidigare bestämda bränslespecifika agglomereringstemperaturerna fanns överensstämma väl med de från respektive CFB-anläggnings begagnade bäddmaterials agglomereringstemperaturer. Detta är i linje med de erfarenheter som rapporterats från respektive anläggning. För CFB-anläggningarna nås den kritiska tjockleken/tiden inom omkring en vecka. Den kritiska tjockleken fanns i dessa anläggningar därmed vara relativt tunn, förmodligen mindre än 10 µm. Den i bänkskalereaktorn bestämda bränslekritiska beläggningstjockleken för de representativa bränslena visade sig också var relativt tunn (<10 µm) vid en bäddtemperatur av 990 C. I och med att den kritiska beläggningstjockleken är mindre än 10 µm förefaller både fraktionering av bäddmaterial (i kornstorlek) genom selektivt uttag vid olika bäddhöjder och indirekt regenerering efter sållning vara relativt svårt att genomföra. Mekanisk behandling genom malning förefaller också vara en osäker metod för att reducera beläggningstjockleken med bibehållen bäddpartikelkaraktäristik. Nyckelord: Fluidbäddar, Bäddmaterial, Beläggningsbildning, Bäddförbrukning, Bäddagglomerering, Biobränsle

Summary Previous studies have shown that many biomass fuels have critical agglomeration temperatures in the same range as the operating process temperatures in typical fluidized beds. The risk for severe agglomeration and defluidization is therefore significant, as soon as a sufficiently thick coating has been formed. Frequent bed change and/or lower bed temperatures are therefore prerequisites for problem-free operation. However, both alternatives have other negative effects for the process operation, and the present high consumption of fresh bed material is neither cost effective, nor sustainable on a long-term basis. The objectives of the present work were therefore to; i) review the material consumption and reasons for bed material change in Swedish FBC plants; ii) collect full-scale bed material samples to determine coating characteristics and growth as functions of time from full bed change; iii) with the previously developed Controlled Fluidized Bed Agglomeration (CFBA) method, determine the agglomeration temperatures for the collected bed material samples; iv) estimate the critical coating thickness/age of the bed material samples by SEM/EDS analysis and experiments in the CFBA reactor; v) with the CFBA method, and SEM/EDS analysis determine the critical agglomeration thickness of different typical biomass fuels as functions of bed temperature; vi) experimentally evaluate if outtake height, sieve size and mechanical treatment could be used to reduce the bed material consumption, either direct by fractionated outtake or indirect by regeneration. Three different bubbling fluidized bed boilers (Falu Energi, C-4 Energi, Söderenergi) and two circulating fluidized bed boilers (Brista Kraft, Skellefteå Kraft) participated in the project, all which used typical wood based fuel mixtures and previously have reported problems related to bed agglomeration. Samples were taken in all plants, except one, as a function of time (1/2 h, 1h, 2h, 4h, 8h, 12h, 24h, 2-, 3-,..> 14 days) from complete bed change under normal operation. All samples were analyzed by SEM/EDS and sieved. In addition, the agglomeration temperatures of the samples and their original fuels were determined using the CFBA method. To determine the size distributions of the bed materials as functions of outtake height, samples from different heights, in both bench- and full-scale plants were sieved. The results showed that the bed material consumption varies significantly between different plants, but that it can be substantial flows, also resulting in relatively high costs. The reduced risk for bed agglomeration was found to be the dominating reason for the high rates of bed change. The growth of coatings on the bed material grains was found to be significant with an initial rate of some µm/day but parabolically decreasing. After 33 days, the coating thickness of the Falu Energy material for example, had increased to 50 µm. The coating material was generally found to consist of Ca- and Mg-silicates as well as P in some form. The coatings were found to consist of an inner more homogeneous Ca-enriched layer and an outer more inhomogeneous layer. The determined fuel specific agglomeration temperatures obtained were found to agree well with the corresponding critical temperatures of the full-scale bed materials, also in agreement with the experiences reported from the different plant owners.

The critical thickness was found to be relatively thin (<10 µm), and reached sooner than after a week. Thus, regeneration by sieving seems doubtful. Neither could mechanical treatment (soft grinding) be used since it resulted in crushing of the bed material and a selective scavenging of the coating could not be obtained. Keywords: Fluidised beds, Bed material, Coating formation, Bed consumption, Bed agglomeration, Biomass

Innehållsförteckning 1 INLEDNING...2 1.1 BAKGRUND...2 1.2 SYFTE...2 2 SAMMANSTÄLLNING AV DRIFT- OCH BÄDDSPECIFIKA DATA FÖR DELTAGANDE ANLÄGGNINGAR...3 3 METOD...6 3.1 UTTAG AV BÄDDPROV I FULLSKALEANLÄGGNINGARNA...6 3.1.1 Bestämning av beläggningskaraktäristik...6 3.1.2 Bestämning av tillväxthastighet för beläggning...6 3.2 KONTROLLERADE BÄDDAGGLOMERERINGSFÖRSÖK I BÄNKSKALA...7 3.2.1 Bestämning av kritisk bäddagglomereringstemperatur, fullskalebäddar...7 3.2.2 Förbränning av representativa bränslen vid olika bäddtemperatur...8 3.3 INLEDANDE STUDIE AV POTENTIELLA REGENERERINGSMETODER...10 3.3.1 Selektivt bädduttag vid olika bäddhöjder...10 3.3.2 Sållning/Siktning...11 3.3.3 Mekanisk behandling...11 4 RESULTAT OCH DISKUSSION...12 4.1 BÄDDPROVUTTAG FULLSKALEANLÄGGNINGAR...12 4.1.1 Beläggningskaraktäristik...13 4.1.2 Beläggningstillväxt i fullskaleanläggningarna...17 4.2 KONTROLLERADE BÄDDAGGLOMERERINGSFÖRSÖK I BÄNKSKALA...20 4.2.1 Bestämning av kritiska bäddagglomereringstemperatur, fullskalebäddar...20 4.2.2 Förbränning av representativa bränslen vid olika bäddtemperaturer...21 4.3 REGENERERINGSMETODER...23 4.3.1 Bädduttag vid olika bäddhöjder... 23 4.3.2 Sållning/Siktning...25 4.3.3 Mekanisk behandling...25 5 SLUTSATS...28 6 FÖRSLAG TILL FORTSATT FORSKNINGSARBETE...29 7 REFERENSER...30 BILAGA 1 Exempel på provprotokoll från bäddprovuttag, fullskaleanläggningar BILAGA 2 Bränsle-, bäddtemperatur- och effektvariationer som funktion av uttagsdygn BILAGA 3 SEM-foton på bäddprov uttagna från olika anläggningar vid olika tidpunkter 1

1 INLEDNING 1.1 Bakgrund Förbrukningen av bäddmaterial i biobränsleeldade fluidbäddanläggningar kan i många fall vara relativt hög. Orsaken till den höga frekvensen av byte är oftast beläggningstillväxt av lågsmältande föreningar på bäddkornen och därmed byte för att minska risken för bäddagglomerering, samt att hålla partiklarna under en kritisk storlek. Tidigare arbeten i,ii har visat att många av de biobränslen som används har kritiska agglomereringstemperaturer på i storleksordningen samma temperaturer som de processtemperaturer som råder i typiska fluidbäddanläggningar. Detta medför att det sannolikt finns relativt stor risk för agglomerering och defluidisering under förutsättning att en tillräckligt tjock beläggning på sandkornen har hunnit byggas upp. Därmed är sannolikt också tillräckligt snabbt byte av bäddmaterial och/eller en sänkning av bäddtemperaturen ofta en förutsättning för problemfri drift. Båda alternativen ger dock negativa effekter för totala driften av anläggningen och dagens höga förbrukning av sand är både kostsam och icke hållbar på lång sikt. 1.2 Syfte Syftena med föreliggande arbete var därför att: Kartlägga materialåtgång och orsaker till bäddbyte i några svenska fluidbädd-anläggningar. Samla verkliga bäddprover för att med SEM/EDS-analys bestämma beläggningskarakteristik och tillväxt som funktion av tid från fullständigt bäddbyte. Med den på ETC/Umeå Universitet framtagna testmetoden bestämma de specifika agglomereringstemperaturerna för uttagna bäddprov. Uppskatta kritisk beläggningstjocklek/ålder för agglomerering hos de uttagna bäddproverna utifrån resultaten från utförda SEM/EDS-analyser och försök i den framtagna testmetoden. Med den tidigare framtagna testmetoden och SEM/EDS-analys bestämma bränslens kritiska beläggningstjocklekar för olika representativa biobränslen som funktion av bäddtemperatur. Experimentellt utvärdera om uttagshöjd, sållning och mekanisk behandling ( mjuk malning ) kan användas för att minska materialåtgången, antingen direkt genom fraktionellt uttag, eller indirekt genom regenerering. 2

2 SAMMANSTÄLLNING AV DRIFT- OCH BÄDDSPECIFIKA DATA FÖR DELTAGANDE ANLÄGGNINGAR Tre bubblande fluidiserande bäddar (Falu Energi, C-4 Energi, Söderenergi) samt två cirkulerande fluidiserande bäddar (Brista Kraft, Skellefteå Kraft) har ingått i projektet. Gemensamt för samtliga deltagande anläggningar är att de redovisar driftserfarenheter som tangerar bäddproblem förknippade med bäddagglomerering i bädd och/eller returventiler. Falu Energi (BFB) Deltagande anläggning från Falu Energi är en BFB-anläggning (Ahlström) på 30 MWth (510 C ånga). Anläggningen är utrustad med rökgaskondensering. Bränsleblandningen består av ca 40 % grot och resterande andel består av bark, vedflis och sågspån vars ingående andelar varierar över driftssäsongen. Den totala bäddmängden uppgår till ca 20 ton och består av Baskarpsand med en medelkornstorlek på 0,7 mm. Bäddomsättningen är normalt 300 400 kg/dygn och ingen regenerering sker på utmatat (förbrukat) bäddmaterial. Totalt bäddbyte sker ca 3-4 ggr/år. Anledningen till att bädden omsätts är för att få bort det grövre material som följer med bränslet och ansamlas i bädden. Bäddtemperaturen hålls normalt inom 850-870 C (registrerade av befintliga termoelement). Vid bäddtemperaturer över 890 C upplevs svåra bäddagglomereringsproblem. C-4 Energi (BFB) Deltagande anläggning från C-4 Energi är en BFB-anläggning (Foster & Wheeler) på 50 MWth (510 C ånga). Bränsleblandningen består av 70 % grot och 30 % retur- och skogsflis. Den totala bäddmängden uppgår till ca 30 ton och består av Brogårdsand med en medelkornstorlek på 0,7 mm. Bäddomsättningen är ca 2-5 ton/dygn och ingen regenerering sker på utmatat (använt) bäddmaterial. Totalt bäddbyte sker ca 3-4 ggr /år. Reducerad risk för bäddagglomerering ges som huvudorsak till den något höga bäddomsättningen även om en delorsak är att få bort det grövre material som följer med bränslet och ansamlas i bädden. Bäddtemperaturen hålls normalt inom 800-850 C (registrerade av befintliga termoelement). Grön grot upplevs besvärlig ur bäddagglomereringssynpunkt. Söderenergi (BFB) Deltagande anläggning från Söderenergi är en BFB-anläggning (ombygd av Foster & Wheeler) på 80 MWth (Hetvattenpanna). Bränsleblandningen består av 80 % returflis och 20 % torv. Den totala bäddmängden uppgår till ca 40 ton och består av Baskarpsand med en medelkornstorlek på 0,9 mm. Bäddomsättningen är ca 15-20 ton/dygn och man återför utmatat material efter sållning (avskiljer grövre material). Anledningen till den höga bäddomsättningen är för att få bort den stora mängd grovt material som följer med bränslet och ansamlas i bädden. Bäddtemperaturen hålls normalt inom 830 870 C (registrerade av befintliga termoelement). Under tidigare driftsässonger har man haft stora problem med igensättning av primärluftdyserna, men i och med omkonstruktion av rökgasåterföringen (sommaren 1999) har problemen eliminerats. 3

Brista Kraft (CFB) Deltagande anläggning från Brista Kraft är en CFB-anläggning (Foster & Wheeler) på 122 MWth (540 C ånga). Bränsleblandningen består normalt av 40 % bark och resterande del grot och sågspån. Den totala bäddmängden varierar mellan 20 och 25 ton och består av Råda sand med en medelkornstorlek på 0,28 mm. Bäddomsättning är i genomsnitt ca 10 12 ton sand/dygn och ingen regenerering sker på utmatat (förbrukat) bäddmaterial. Reducerad risk för bäddagglomerering ges som huvudorsak till de frekventa och omfattande bäddbytena. De bäddagglomereringserfarenheter man besitter visar på att agglomereringsprocessen sker genom ett snabbt irreversibelt förlopp vilket ofta medför ett ca 2 dygns stopp vid total kollaps av bädden. Vid bäddtemperaturer över 950 C uppstår svåra bäddagglomereringsproblem. Sameldning av olja och biobränsle upplevs besvärligare än enbart eldning av biobränsle. Skellefteå Kraft (CFB) Deltagande anläggning från Skellefteå Kraft är en CFB-anläggning (Foster & Wheeler) på 90 MWth (540 C ånga). Bränsleblandningen består normalt mestadels av sågspån men ibland sker en smärre inblandning av stamvedsflis, bark och torv. Den totala bäddmängden uppgår till ca 20 ton och består av Sikforssand med en kornstorlek mellan 0.2 och 0.5 mm. Bäddomsättning är i genomsnitt ca 2.5 ton sand/dygn och ingen regenerering sker på utmatat (förbrukat) bäddmaterial. Reducerad risk för bäddagglomerering ges som huvudorsak till de frekventa och omfattande bäddbytena. Bäddtemperaturen hålls normalt inom 820-860 C (registrerade av befintliga termoelement). Agglomereringsproblem uppstår framförallt i cyklon och återföringsrör, samt vid återinmatningspunkterna av bäddmaterialet i eldstaden. Större agglomereringsproblem upplevs med fuktigt gammalt bränsle, än torrare nytt bränsle. För alla deltagande verk ligger deponikostnaderna på ca 600 kr/ton, medan fraktkostnaderna till deponi varierar mellan 200 och 300 kr/ton. Kostnaderna för bäddmaterialet inklusive frakt (fritt anläggningen) är normalt 250-300 kr/ton. Totalkostnaden förknippade med bäddbyte ligger alltså runt 1000 kr/ton. Brista Kraft har dock en överenskommelse med ett bolag som tar hand om deras använda bäddmaterial för 240 kr/ton. Av Figur 1 framgår bäddkonsumtionen och den ungefärliga årliga kostnaderna förknippade med denna för respektive anläggning. 4

Figur 1 Bäddmaterial konsumtion och uppskattade årliga kostnader förknippade med bäddmaterialomsättning i respektive anläggning. Figure 1 Bed-material consumption and estimated yearly costs in the different plants. 50 Bäddkonsumtion (ton/dygn) Bäddkonsumtion (ton/dygn) Bäddomsättning (vikts-% av bädd per dygn) Kostnad (Mkr/år) 40 30 20 10 Bäddomsättning (vikts-% av bädd per dygn) Kostnad (Mkr/år) 0 Brista Kraft Skellefteå Kraft Falu Energi C-4 Energi Söderenergi 5

3 METOD 3.1 Uttag av bäddprov i fullskaleanläggningarna Uttag av bäddprov utfördes i samband med totalt bäddbyte, d v s efter uppstart vid respektive anläggning. Samtliga deltagande anläggningar utom Söderenergi deltog i dessa försök. Proven togs ut vid befintliga ask-/bäddutmatningspositioner i bädden (bottenaskrör via bottenaskskruv/-ar) som i samtliga fall var belägna i pannans botten. Provuttag om ca 1 kg bädd per prov och uttagsposition togs dels vid tidpunkten noll d v s med helt nytt bäddmaterial just innan biobränslet matats in i bädden efter stöduppvärmning, dels vid tidpunkterna ½ h, 1h, 2h, 4h, 8h, 12h, 24h, 2-, 3- och fortsättningsvis varje dygn i drygt 2 veckor i samtliga anläggningar. Hos Falu Energi fortsatte den dygnsvisa provuttaget i ytterliggare 3 veckor och dessutom togs ett bäddprov ut efter ca 6 månaders drift. Under denna 5-månadersperiod hade anläggningen eldats med liknande bränslemix och bäddomsättning som under själva provperioden. Utöver bäddprov togs varje försöksdygn också ett representativt bränsleprov ut för fukt- och askhaltsanalys. Dygnsproverna sammanställdes slutligen till ett generalprov där halterna av de viktigaste askbildande elementen bestämdes med ICP-AES. Under provperioden hölls en för årstiden normal drift av anläggningarna d v s anläggningarna eldades med den bränslemix man normalt använder, bytte bädd med den frekvens man brukar och försökte hålla övriga driftbetingelser enligt normala inställningar. Under provperioden fyllde driftspersonalen i ett speciellt provprotokoll (Bilaga 1) där bädd-, bränsle- och övriga driftsdata registrerades kontinuerligt. 3.1.1 Bestämning av beläggningskarakteristik Inför elementaranalys och tjockleksbestämning med svepelektronmikroskopi (SEM) och energidispersiv röntgenanalys (EDS) göts proverna in i epoxi, snittades med diamantsåg och polerades, slipades, med SiC-papper. Tvärsnitten användes för analys och uppmätning av beläggningstjocklekar. Beläggningarna i tvärsnitten av totalt 15 bäddkorn per bäddprov från Falun och fem bäddkorn per bäddprov från övriga anläggningar analyserades m a p utseende och elementarsammansättning. Varje bäddkorn analyserades med fyra till fem punktanalyser var femte mikrometer längs fyra tvärsnitt (N, Ö, S, V) över beläggningarnas tjocklek. Eftersom bäddarna kontinuerligt byttes (utom hos Falu Energi) utfördes mätningarna selektivt på bäddkorn med maximal kornstorlek såväl som beläggningstjocklek. 3.1.2 Bestämning av tillväxthastighet för beläggning Tjockleken för beläggningarna på uttagna bäddprov bestämdes med hjälp av SEM och jämfördes sedan med resultaten från siktanalys på samma prov. Totalt åtta tjockleksmätningar utfördes på 15 bäddkorn per uttaget bäddprov. För att minska inverkan av icke radiella beläggningstvärsnitt utfördes detta bara på de största tvärsnitten. 6

Siktanalyser utfördes på fullskaleproven med standardsiktarna 0.1, 0.25, 0.355, 0.5, 0.71, 0.9, 1.18, 1.60, 2.0, 4.0 mm. Inledande försök visade att påverkan av siktad materialmängd, siktningstid och siktningsintensitet (hos den använda mekaniska sållet) på siktningsresultatet var marginell. Siktningsmängd och -tid bestämdes därför till 200 g respektive 60 min. 3.2 Kontrollerade bäddagglomereringsförsök i bänkskala Kontrollerade bäddagglomereringsförsök utfördes dels på uttagna bäddmaterial från de båda CFB-anläggningarna dels med uttagna biobränslen från de deltagande anläggningarna. Försöken utfördes i en fluidbäddreaktor av typ bubblande bädd i liten bänkskala (5 kw), se Figur 2. Anledningen till att inte BFB-anläggningarnas bäddprover ingick i studien beror på att reaktorn är konstruerad för bäddmaterial med en kornstorlek på max 0,5 mm. Reaktorn har tidigare använts i olika studier då olika fasta bränslens agglomereringstendenser har studeras. i,ii Ventilation. T8 Condenser. Pump T/P Signals. T7 CO CO 2 Data Acquisition System with On-Line PCA Cyclone. T6 F4 O 2 NO x THC F1 F2 F3 Sec. PropanePrim. Air Air Figur 2 Schematisk bild över bänkskalereaktorn. P1-P4, differens tryck mätare över bädd; T1-T8, termoelement; F1-F3, mass-flow controllers; DP, distributionsplatta. Figure 2 Illustration of the bench-scale fluidized bed reactor. P1-P4, differential bed pressures; T1-T8, thermocouples; F1-F3, mass-flow controllers; DP, distributor plate. 3.2.1 Bestämning av kritisk bäddagglomereringstemperatur, fullskalebäddar Fuel Pre-heater...... DP. T5 View window Wall heater T4 Propane burner Varje försök startades genom att värma upp en bädd bestående av 540 gram av bäddprovet (statisk bäddhöjd ca 5 cm) till 800 C med eluppvärmda väggelement och en gasolbrännare belägen under bäddens distributionsplatta. Gasolflamman nyttjades dessutom för att simulera rätt förbränningsatmosfär. Efter att bädden uppnått 800 C höjdes temperaturen i bädden. P2 P1 T1 P3 T2 P4 T3 7

externt med en hastighet av 3 C/min med elvärmare till dess bäddagglomerering erhölls. Maximal möjlig bäddtemperatur är 1020 C och bäddtemperaturen kontrolleras inom ± 5 C. Under hela försökets gång hölls en fluidiseringshastighet på 4 Umf samt en utgående syrgashalt på 6 % (våt). Vid initial agglomerering ändras fluidiseringsförhållandena så att bäddtemperaturer och differenstryck över bädden ändras. I försöken registreras kontinuerligt fyra bäddtemperaturer och tre differanstryck och på så sätt kan temperaturen när processen skenar iväg bestämmas. För att med större noggrannhet fastställa initial agglomereringstemperatur analyseras processdata också med principal komponent analys iii (PCA). De utförda försöken är summerade i Tabell 1. Tabell 1 Kontrollerade bäddagglomereringsförsök, fullskaleprov. Table 1 Controlled bed agglomeration tests, full-scale beds. Försök Anläggning Bäddprovuttag (tid efter totalt bäddbyte) 1a Skekraft 8 h 1b Skekraft 24 h 1c Skekraft 6 dygn 1d Skekraft 13 dygn 1e Skekraft 17 dygn 2a Brista 8 h Kraft 2b Brista 24 h Kraft 2c Brista 5 dygn Kraft 2d Brista 11 dygn Kraft 2e Brista Kraft 19 dygn 3.2.2 Förbränning av representativa bränslen vid olika bäddtemperatur Förbränningsförsök utfördes med pelleterade bränslen bestående av returflis, sågspån, grön grot, brun grot och bark i fluidbäddreaktorn vid en bäddtemperatur av 880 C respektive 990 C. Bränslena, som ingick i ett tidigare värmeforsksprojekt i, valdes ut för att dels representera de deltagande anläggningsägarnas intressen dels representera en representativ variation vad gäller spridningen i sammansättningen av askbildande element hos typiska 8

skogsbränslebaserade råvaror. Bränslenas kritiska bäddagglomererings-temperaturer vilka har bestämts i ett tidigare värmeforskprojektet i framgår av Figur 3. 990 Initial bäddagglomereringstemperatur ( C) 980 970 960 950 940 930 920 910 900 Bark Brun grot Grön grot Returflis Sågspån Figur 3 Kritiska (initiala) bäddagglomereringstemperaturer för de olika representativa biobränslena. i Figure 3 Critical (initial) bedagglomeration temperature for the different fuels. i Bränslenas sammansättning, vad gäller askbildande element, återfinns i Tabell 2. Under försöken utgjordes bädden av 540 g Silversand (kornstorlek 200-250 µm) som bestod till 98 % av ren kvarts. Under hela försökets gång hålls en fluidiseringshastighet på 4*Umf samt en utgående syrgashalt på 6 % (våt). Varje försök utfördes vid en konstant bränsleinmatningshastighet på ca 1 kg/h eller ca 5 kw under 28 h eller tills första tendens till bäddagglomerering kunde skönjas. Bäddprover togs kontinuerligt ut med en luftkyld utsugningssond och SEM/EDS-analyser utfördes på de producerade bäddagglomeraten för att bestämma bäddkornsbeläggningens kritiska tjocklek. 9

Tabell 2 Variationer i askbildande element hos de studerade bränslena. Table 2 Fuel composition, ash-forming elements. Returflis Sågspån Grön grot Brun grot Bark Aska* 7.19 0.661 2.24 1.76 5.47 SiO 2 ** 52.4 28.6 35.1 34.3 46.7 Al 2 O 3 ** 9.58 6.73 5.61 4.86 6.60 CaO** 12.1 31.0 30.7 30.7 25.0 Fe 2 O 3 ** 9.67 4.51 2.27 2.12 4.29 K 2 O** 2.79 10.1 9.52 10.3 4.80 MgO** 2.52 5.51 4.56 5.12 3.24 Na 2 O** 3.88 3.07 1.40 1.70 1.17 P 2 O 5 ** 0.691 2.71 4.17 6.26 1.56 S** 0.805 0.530 1.16 1.88 0.435 Cl** 1.48 0.152 0.562 1.38 0.245 *) vikts-% av TS **) vikts-% av aska 3.3 Inledande studie av potentiella regenereringsmetoder 3.3.1 Selektivt bädduttag vid olika bäddhöjder För att studera hur kornstorleksfördelningen varierar som funktion av bäddhöjd, utfördes bädduttag vid olika bäddhöjder i såväl full- som bänkskala. Detta för att bestämma om ett fraktionellt uttag vid en given bäddhöjd kan nyttjas för att minska materialåtgången om beläggningens tjocklek och karaktäristik varierar som funktion av bäddkornens storlek. I anslutning till de kontrollerade bäddagglomereringsförsöken med bäddmaterialen från respektive CFB-anläggning, utfördes varma provuttag i bäddens övre region (ca 1 cm under bäddytan) med en speciellt framtagen provsond. Totalt utfördes 5 provuttag (försök) med det äldsta bäddmaterialet från respektive fullskaleprovuttag. Uttagna prov siktades sedan enligt beskrivningar i kap. 3.1.2 och provets siktkurva jämfördes till slut med siktkurvan hos den till rektorn tillförda bädden. Uttag utfördes dessutom vid de statiska bäddhöjderna 0-10, 10-20, 20-30 respektive 30-40 cm på två bäddpositioner i C-4 anläggningen, en främre respektive bakre del av bäddtvärsnittet, vid kall (ej fluidiserad) bädd direkt efter nedeldning inför sommaruppehållet. De uttagna provens siktades sedan enligt beskrivningar i kap. 3.1.2. 10

3.3.2 Sållning/siktning För att studera om indirekt regenering efter sållning av bäddmaterialet kan nyttjas för att minimera bäddmaterialåtgången sållades det sist uttagna bäddprovet från Skellefteå Kraft i två kornstorleksfördelningar <0.5 mm respektive > 0.5 mm för att sedan i SEM studera bäddkornens beläggningstjocklek och sammansättning som funktion av kornstorleksfördelning. 3.3.3 Mekanisk behandling Eftersom olika silikater och ren kvarts har något olika mekaniska och strukturella egenskaper skulle det eventuellt kunna vara möjligt att regenerera bäddmaterialet med hjälp av någon form av försiktig eller partiell malning ( mjuk malning ), där silikatbeläggningen nöts bort. En sådan försöksserie utfördes därför för det förbrukade bäddmaterialet från C-4 Energi. Vid testen sållades först storleksmässiga huvudfraktionen (250-2500 µm) fram. Denna provmängd ned delades därefter till sju lika stora delar på ca 6 gram. En Netch malkvarn med variablerna maltid, skakfrekvens och olika storlek/tyngd på malkula av Al 2 O 3 användes vid försöken. Tillgängliga variabler varierades initialt enligt ett reducerat faktorförsök. Totalt utfördes sju försök med varierande malningsgrad. Som respons, och mått på möjlighet till regenerering, valdes andel finfraktion (< 250 µm) och silikathalten i denna, samt andel förlorad kvarts till finfraktionen. För de semikvantitativa analyserna av andelar SiO 2 och silikater användes en pulverröntgendiffraktiometer (Bruker D8 Advance). En kompletterande försöksserie utfördes dessutom på begagnat bäddmaterial från Falu Energi (uttaget efter 33 dygn) där två malningsförsök utfördes enligt ovanstående metod, en mild (kort maltid, låg skakfrekvens och större storlek på kulan) samt en hård (lång maltid, hög skakfrekvens och liten storlek på malkulan) malning. För att bestämma malningsresultatet utfördes sedan SEM/EDS-analyser på den producerade finfraktionen (< 250 µm) och på den resterade grövre fraktionen (> 250 µm). 11

4 RESULTAT OCH DISKUSSION 4.1 Bäddprovuttag fullskaleanläggningar Tabell 3 redovisar drifts- och bränsledata från de försöksperioder då bäddprovuttag genomfördes i respektive anläggning. Av Tabellen framgår att en för årstiden normal driftinställning hölls i alla anläggningar under respektive försöksperiod (jämför med kapitel 2). Av Tabell 3 och ur Figurerna i Bilaga 2, vilka redovisar askhalter mot uttagsdygn framgår också att bränslevariationerna har varit relativt låga under samtliga försök. Tabell 4 redovisar resultaten utifrån de bränsleaskanalyser som utfördes på generalproven. Tabell 3 Driftsdata under provuttag i respektive anläggning Table 3 Operational settings during the bed sampling in the different plants. Anläggning Bädd - Bäddomsättni ng Bäddtemp. efter dygn Effekt (MWth Bränsle (vikts-%) Askhalt (% av TS) mtrl. (vikts-% av 1 ( C) ) (ton) bädd/dygn) Skellefteå 22 10-30 (24*) 780-850 40-70 100% 0,80±0.15* Kraft sågspån * CFB, FW 90 MWth Bäddpro v-uttag (st) 2 st i botten Provtid (dygn) 17 Brista Kraft CFB, FW 122 MWth C-4 Energi BFB, FW 50 MWth 20 20-40 (34*) 840-880 50-100 40% bark resterande grot & sågspån 33 5-25 (11*) 790-850 45-50 90% grot 10% sågspån 3.1±0.47** 1 st i botten 3.0±0.62** 2 st i botten 21 14 Falu Energi BFB, AT 30 MWth 16 5-20% ca vart tredje dygn (3*) 800-880 20-30 10% bark 30% grot 40% brännvedsflis 1.8±0.51** 2 st i botten 33 *) Genomsnittlig bäddomsättning (vikts%/dygn) under hela provperioden. **) Variationer i askhalt (medelvärde respektive standardavvikelse) baserade på dygnsprover. ***) Variationer i fukthalt (medelvärde respektive standardavvikelse) baserade på dygnsprover. 12

Tabell 4 Bränslesammansättning vid respektive försök, askbildande element. Table 4 Fuel composition (ash-forming elements) during the different experiments. Skellefteå Kraft Brista Kraft C-4 Energi Falu Energi CFB, FW CFB, FW BFB, FW BFB, AT 90 MWth 122 MWth 50 MWth 30 MWth Askhalt* 1.04 2.85 2.33 1.60 SiO 2 ** 7.75 15.3 22.5 15.8 Al 2 O 3 ** 2.92 2.72 3.06 2.22 CaO** 41.4 37.5 34.0 38.3 Fe 2 O 3 ** 1.57 1.65 12.1 11.1 K 2 O** 9.06 7.51 9.31 7.92 MgO** 5.27 3.58 4.55 4.13 MnO 2 ** 3.20 1.80 3.96 3.91 Na 2 O** 0.0913 0.740 1.63 0.850 P 2 O 5 ** 4.31 3.36 5.02 3.81 S** 1.33 1.17 2.45 1.41 Cl** < 1 0.351 0.9 < 0.6 *) vikts-% av TS **) vikts-% av askhalt 4.1.1 Beläggningskaraktäristik Illustrationer av typiska snittade bäddkorn med relativt mycket beläggning (i slutet av provperioden) från de olika anläggningarna återfinns i Figur 4. 13

Falu Energi dag 33 Brista Kraft dag 21 C-4 Energi dag 14 Skellefteå Kraft dag 17 Figur 4 Illustration av typiska begagnade snittade bäddkorn från de olika anläggningarna (Ö.T.V. Falu Energi, 33 dagar; Ö.T.H. Brista Kraft, 21 dagar; N.T.V. C-4 Energi, 14 dagar; N.T.H. Skellefteå Kraft, 17 dagar). Figure 4 Illustration of typical cross-sections of bed particles from the different plants (upper left Falu Energi, 33 dagar; upper right Brista Kraft, 21 dagar; lower left C-4 Energi, 14 dagar; lower right Skellefteå Kraft, 17 dagar). Vid uppförstoring (t ex Figur 5) framgår att beläggningarna bestod av ett inre ljusare lager av något mer homogen karaktär och ett yttre gråare lager som även har inslag av partiklar. Omfattande elementaranalyser av beläggningarna över linjer från utkanten av beläggningen och in i kvarts partiklarna enligt kap. 3.1.1 (se Figur 6) visar att det ljusare lagret oftast är något mer anrikad på Ca-silikat än det yttre som oftast innehåller mer övriga element. 14

Figur 5 Illustration av typiskt begagnade snittade bäddkorn från Falu Energi, 33 dagar (T.H.) och förstoring av bäddkornets beläggning (T.V.). Figure 5 Illustration of typical cross-section of a bed particle from Falu Energi, 33 day old (to the right) and a magnification of the bed-material coating (to the left). Skellefteå Kraft dag 17 C-4 Energi dag 14 45 40 35 I bäddkornet Si 45 40 35 I bäddkornet Si Atom-% 30 25 20 15 10 Ca Si Mg P Al K Mn Atom-% 30 25 20 15 10 Ca Si Mg P Al K Mn 5 5 0 1 2 3 4 Relativt avstånd i beläggning 0 1 2 3 4 5 Relativt avstånd i beläggning Brista Kraft dag 21 Falu Energi dag 33 45 40 35 I bäddkornet Si 45 40 35 I bäddkornet Si Atom-% 30 25 20 15 10 Ca Si Mg P Al K Mn Atom-% 30 25 20 15 10 Ca Si Mg P Al K Mn 5 5 0 1 2 3 4 5 Relativt avstånd i beläggning Figur 6 Elementaranalyser av beläggningarna över linjer från utkanten av beläggningen och in i kvartspartiklarna. Figure 6 Elemental-analyses of the bed-material coating over a line from the outside of the coating in to the surface of the bed particle. Figur 7 redovisar medelvärden för sammansättningarna hos de EDS-punktanalyser som utförts på bäddmaterialbeläggningens inre ljusare avsnitt samt hos beläggningens yttre gråare avsnitt från bäddprovet uttaget efter 33 dygn i Falu Energis anläggning. Av Figuren framgår även här att det ljusare inre beläggningslagret är mer anrikad på Ca-silikat än det yttre som innehåller mer övriga element. 0 1 2 3 4 5 Relativt avstånd i beläggning 15

40% 30% Bränsleaska Yttre "mörkare" lager Inre "ljusare" lager 20% Vikt-% 10% 0% Si Al Ca Fe K Mg Mn Na P S Cl -10% Figur 7 Jämförelse mellan sammansättningarna hos bäddmaterialbeläggningens inre ljusare avsnitt samt hos beläggningens yttre gråare avsnitt från bäddprov utteget efter 33 dygn i Falu Energis anläggning Staplarna anger medelvärden utifrån EDS-punktanalyserna emedan felstaplarna redovisar standardavvikelsen. Figure 7 Comparison between the composition of the inner lighter layer and the outer darker layer of the bed particle coatings from Falu Energi (33 days old). The bars specify the average values from the EDSspotanalyses whereas the error bars specify the standard deviation. Utifrån de SEM/EDS analyser som utfördes på bäddprovet som togs ut från Falu Energi s BFB efter 6 månaders drift, framgår att huvuddelen av bäddkornen har ett utseende och beläggningskaraktäristik som efterliknar de bäddkorn som återfanns i det prov som togs ut efter 33 dagar. Cirka 10 % av bäddkornen i provet, förmodligen de äldsta, uppvisade dock en något annorlunda utseende. En illustration av ett sådant typiskt snittat bäddkorn framgår av Figur 8. Av Figuren framgår att beläggningen runt bäddkornet uppvisar samma utseende som hos de yngre bäddkornen men i bäddkornets kärna återfinns en mängd sprickor som är anrikad av kalium. 16

Figur 8 Illustration av snittat gammalt bäddkorn från Falu Energi. Bäddprovet är uttaget efter 6 månaders drift. Figure 8 Illustration of a cross-section of an old bed-particle from Falu Energi. The bed sample is taken out after 6 month. 4.1.2 Beläggningstillväxt i fullskaleanläggningarna Beläggningstillväxten i de olika fullskaleanläggningarna kvantifierades med både SEM- och siktanalys. Figurerna 1-13 i Bilaga 3 illustrerar beläggningstillväxten hos bäddmaterialet från de olika anläggningarna. De äldsta bäddpartiklarna har en beläggningstjocklek av ca 10-20 µm hos de anläggningar som har en relativt hög bäddomsättning, d v s alla anläggningar utom Falu Energi. Eftersom bäddmaterialet kontinuerligt byts ut i dessa anläggningar kommer bädden att innehålla både yngre och äldre bäddkorn, d v s beläggningen runt bäddkornen kommer att variera mellan 0-20 µm. Relativt få bäddpartiklar med en ålder över ca en vecka i CFB anläggningarna samt över 4 veckor i C-4:s anläggning kommer att återfinnas i bädden p g a den bäddomsättning som förekommer, se Figur 9. De äldsta bäddpartiklarna i Falu Energis anläggning från bädduttagen efter 33 dygn, har en beläggningstjocklek ända upp mot 50 µm. Eftersom bäddomsättningen i denna anläggning är låg, < 2 vikts-%/dygn, kommer de allra flesta bäddpartiklarna i bädden att ha samma ålder. Bädduttaget som gjordes efter ca 6 månaders drift påvisar också beläggningstjocklekar på ungefär 50 µm. 17

Andel ursprungliga bäddkorn (Vikts-%) 100% 80% 60% 40% 20% Falu Energi C-4 Energi Brista Kraft Skellefteå Kraft 0% 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 Tid (dygn) Figur 9 Beräknad andel partiklar kvar från första dagen för de olika anläggningarna. Figure 9 Calculated shared of particle left from the first day in the different combustion plants. För att försöka erhålla någon slags kvantifiering av tillväxtförloppet som funktion av tid från dag noll i försöksperioden, d v s ej som funktion av tid partiklarna varit i drift, mättes därför beläggningstjocklekarna upp för de största tvärsnitten och tjocklekarna, d v s på de bäddkorn som varit längst tid i bädden ifrån varje bädduttag. Beläggningstillväxten som framgår av Figur 10, sker med en initial tillväxt på några µm/dygn och avtar paraboliskt. 60 Beläggningstjocklek [mikrometer 50 40 30 20 10 Skellefteå Kraft Falu Energi C-4 Energi Brista Kraft 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Tid [dygn] 180 Figur 10 Medelvärden av uppmätta beläggningstjocklekar som funktion av uttagsdag för prov. Figure 10 Average values of the measured coating-thickness as a function of bed-sampling day. 18

Trots att mätningarna bara utfördes för de tjockaste beläggningarna, och därmed de äldsta partiklarna, kommer ovanstående analys ej att ge riktigt rättvisande värden för anläggningarna med stor omsättning. Omsättningen är t ex så liten i Falun att det även efter 33 dagar finns åtskilligt med partiklar kvar från första dagen (Figur 9), medan det för t ex Brista Kraft knappt kommer att finnas kvar någon partikel från dag ett. Medelåldern för partiklarna från sista dagens bäddprovuttag i från Brista borde snarare vara 3 dagar, och analysen har nog också utförts för maximalt 6-7 dagar gamla korn. Av Figur 9 framgår det därför att i fallet för de studerade bäddmaterialproverna från Falu Energi sannolikt erhållit ett tillväxtförlopp som relativt väl beskriver det faktiska, medan för material i övriga anläggningar övriga material enbart fångat upp partiklar som varit inne en begränsad tid (några dagar). Eftersom beläggningen hos anläggningarna är relativt tunna är det svårt att utifrån siktanalyserna dra några slutsatser om bäddkornens beläggningstillväxt. Av Figur 11 framgår det tydligt att mängden finfraktion minskar i bädden och mängden av de grövre fraktionen ökar med tiden i alla anläggningar. Detta är förmodligen en kombinerad effekt av förlorad mängd finfraktion och ökad mängd grovt material i bädden, därmed förskjuts sammansättningen mot något grövre fraktioner. Av Figuren framgår dessutom att mängden väldigt grovt material i bädden ökar med tiden vilket förmodligen beror på den mängd grovt material som följer med bränslet in i anläggningen. 19

Skellefteå Kraft Brista Kraft Vikts-% 60 50 40 30 0h 4h 24h Dag 6 Dag 7 Dag 8 Dag 18 Vikts-% 60 50 40 30 0h 4h 24h Dag 3 Dag 7 Dag 21 20 20 10 10 0 <0,1 0,1-0,25 0,25-0,355 0,355-0,5 0,5-0,71 0,71-0,9 0,9-1,18 1,18-1,60 1,60-2,0 2,0-4,0 >4,0 0 <0,1 0,1-0,25 0,25-0,355 0,355-0,5 0,5-0,71 0,71-0,9 0,9-1,18 1,18-1,60 1,60-2,0 2,0-4,0 >4,0 Sålldiameter (mm) Sålldiameter (mm) C-4 Energi Falu Energi Vikts-% 60 50 40 30 20 0h 4h 24h Dag 3 Dag 7 Dag 14 Vikts-% 60 50 40 30 20 0h 2h 8h 18h Dag 3 Dag 4 Dag 7 Dag 14 Dag 21 Dag 33 10 10 0 <0,1 0,1-0,25 0,25-0,355 0,355-0,5 0,5-0,71 0,71-0,9 0,9-1,18 1,18-1,60 Sålldiameter (mm) 1,60-2,0 2,0-4,0 >4,0 0 <0,1 0,1-0,25 0,25-0,355 0,355-0,5 0,5-0,71 0,71-0,9 0,9-1,18 1,18-1,60 Sålldiameter (mm) 1,60-2,0 2,0-4,0 >4,0 Figur 11 Kornstorleksfördelning (vikts-%) hos bäddprov som funktion av tid till provuttag från ny bädd för bäddprov från Skellefteå kraft (ovan t.v.), Brista Kraft (ovan t.h.), C-4 Energi (nedan t.v.) och Falu Energi (nedan t.h.). Figure 11 Particle-size distribution (weight-%) as a function of bed sampling time for bed samples from Skellefteå Kraft (upper to the left), Brista Kraft (upper the right, C4-Energi (lower to the left) and Falu Energi (lower to the right). 4.2 Kontrollerade bäddagglomereringsförsök i bänkskala 4.2.1 Bestämning av kritisk bäddagglomereringstemperatur, fullskalebäddar Av Figur 12 framgår att den kritiska agglomereringstemperaturen hos de uttagna bäddproverna från respektive CFB-anläggning stagnerar vid 960 respektive 940 C efter omkring en veckas drift. Dessa agglomereringstemperaturer är relativt lika de som bestämts under de tidigare kontrollerade agglomereringsförsöken utförda med de bränslen som eldas i respektive anläggning. 20

1040 1040 Initial agglomereringstemperatur ( C) 1020 1000 980 960 Initial agglomereringstemperatur ( C) 1020 1000 980 960 940 940 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 920 Tid (dygn) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Tid (dygn) Figur 12 Initial agglomereringstemperatur hos bäddprover härrörande från Skellefteå Krafts anläggning (t.v.) respektive Brista Krafts anläggning (t.h.) som funktion av tid för provuttag. Streckade linjen redovisar den kritiska bäddagglomeringstemperatur som bestämts vid kontrollerade bänkskaleförsök med sågspån levererat från Skellefteå Kraft respektive bark levererat från Brista Kraft. i Figure 12 Initial agglomeration temperature of the bed material (samples from Skellefteå Kraft to the left, Brista Kraft to the right) as a function of bed sampling time. The critical bed agglomeration temperature, determined with the controlled fluidized bed agglomeration test of sawdust from Skellefteå Kraft (to the left) and bark from Brista Kraft (to the right), are represented by the broken line. i 4.2.2 Förbränning av representativa bränslen vid olika bäddtemperaturer Ingen bäddagglomerering erhölls under något förbränningsförsök som utfördes vid en bäddtemperatur av 880 C. Vid en bäddtemperatur av 990 C erhölls däremot bäddagglomerering vid försök med samtliga representativa bränslen utom sågspån. Under detta försök tog mängden tillgängligt bränsle slut innan bäddagglomerering erhölls. Av Tabell 5 och Figur 13 framgår att bäddagglomerering uppstod vid förbränning av de båda grotbränslena och returflis vid en bäddtemperatur av 990 C under mindre än en timmes provtid. För dessa bränslen motsvarar detta en ingående askmängd på under 20 g eller ett teoretiskt ask/bäddförhållande på minrde än 3 vikts-%. Vid förbränning av bark uppstod dock bäddagglomerering först efter ca 6 timmars prov vilket motsvarar en ingående askmängd på 140 g eller ett teoretiskt ask/bäddförhållande på mindre än 20 vikts-%. 21

Tabell 5 Resultat utifrån förbränningsförsök av representativa bränslen vid 990 C. Table 5 Results from combustion with the different fuels in 990 C. Bränsle Brun grot Grön Bark Returfli grot s 0.38 0.61 2.8 0.19 Mängd bränsle till agglomerering (kg) Mängd aska in till 6.9 16 140 12 agglomerering (g) Tid till 0.50 0.90 5.7 0.17 agglomerering (h) *) Mängden tillgängligt bränsle tog slut innan bäddagglomerering erhölls Tid till bäddagglomerering (h) 7 6 5 4 3 2 1 Sågspån Brun grot Grön grot 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Bark Askhalt i bränsle (% av TS) Returflis Ingående askmängd till bäddagglomerering (g) 160 140 120 100 80 60 40 20 Sågspån Grön grot Brun grot 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Askhalt i bränsle (% av TS) Bark Returflis Figur 13 Tid till bäddagglomerering (t.v.) och ingående askmängd till bäddagglomerering (t.h.) som funktion av bränsleval. Figure 13 Time to bed-agglomeration (to the left) and in-going amount of fuel ash to bed agglomeration (to the right) as a function of selected fuel. Av de SEM/EDS analyser som utfördes på det bäddmaterial som agglomererat vid 990 C, se Figur 14, framgår att den kritiska beläggningstjockleken är mycket tunn (< 10 um) i samtliga uttagna bäddprover. 22

Figur 14 Illustration av typiska bäddagglomerat producerade vid förbränning av Grön grot (ovan t.v.), Returflis (ovan t.h.), Brun grot (nedan t.v.) och Bark (nedan t.h.) vid 990 C i bänkskalereaktorn. Figure 14 Illustration of typically bed agglomerates produced during combustion in 990 C of Green wood-residue (upper to the left), RT wood-chips (upper to the right), Brown wood-residue (lower to the left) and Bark (lower to the right) in the bench-scale reactor. 4.3 Regenereringsmetoder 4.3.1 Bädduttag vid olika bäddhöjder Bänskaleförsök med bäddprover från fullskala Resultaten utifrån siktanalyser av bäddprover uttagna från den övre regionen av reaktorbädden visar att medelsammansättningen här består av något finare partiklar än i nedre delen av bädden, se Figur 15. 23

Vikts-% 50 40 30 20 Prov 41(sista provet) Uttag 1 Uttag 2 Uttag 3 Uttag 4 Uttag 5 Vikts- % 50 40 30 20 Prov 26 (sista provet) Uttag 1 Uttag 2 Uttag 3 Uttag 4 Uttag 5 10 10 0 <0,1 0,1-0,25 0,25-0,355 0,355-0,5 0,5-0,71 0,71-0,90,9-1,18 1,18-1,60 Sålldiameter (mm) 1,60-2,0 2,0-4,0 >4,0 0 <0,1 0,1-0,25 0,25-0,355 0,355-0,5 0,5-0,71 0,71-0,9 0,9-1,18 Sålldiameter (mm) 1,18-1,60 1,60-2,0 2,0-4,0 >4,0 Figur 15 Skillnad i kornstorleksfördelning mellan medelsammansättning hos bäddprov (svart stapel) och bäddprov uttaget i övre delen av bädden (vita staplar) i försök utförda i bänkskale- reaktorn med bäddprov från Skellefteå Kraft (t.v.) och Brista Kraft (t.h.). Figure 15 Difference in size distribution between original bed sample and samples collected in the upper part of the bench-scale reactor bed during experiment with bed material from Skellefteå Kraft (to the left) and Brista Kraft (to the right). Fullskaleförsök Resultaten utifrån siktanalyser av bäddprover uttagna från den främre delen av bäddtvärsnittet i C-4:as anläggning visar att partiklarna i den övre regionen av bädden är något grövre än i den nedre regionen, se Figur 16. Bäddprover uttagna i bakre delen av bäddtvärsnittet påvisar dock motsatsen d v s medelsammansättningen i den övre bäddregionen är något finare än i den nedre delen av bädden. 50 40 0-10 cm 10-20 cm 20-30 cm 30-40 cm 50 40 0-10 cm 10-20 cm 20-30 cm 30-40 cm Vikts-% 30 20 Vikts-% 30 20 10 10 0 <0,1 0,1-0,25 0,25-0,355 0,355-0,5 0,5-0,71 0,71-0,9 0,9-1,18 Sålldiameter (mm) 1,18-1,60 1,60-2,0 2,0-4,0 >4,0 0 <0,1 0,1-0,25 0,25-0,355 0,355-0,5 0,5-0,71 0,71-0,9 0,9-1,18 1,18-1,60 1,60-2,0 2,0-4,0 >4,0 Figur 16 Kornstorleksfördelning som funktion av statisk bäddhöjd hos bäddprov uttagna i C-4 anläggningens främre- (t.v.) och bakre del av bäddtvärsnittet, vid kall (ej fluidiserad) bädd direkt efter nedeldning. Figure 16 Particle size distribution as a function of statically bed-height for bed samples taken in the front (to the left) and in the back (to the right) of a non-fluidized bed from C-4 Energy. 24

Fraktionering av bäddmaterial (i kornstorlek) genom selektivt uttag vid olika bäddhöjder kan kanske vara möjlig men förefaller vara relativt svårt att genomföra. 4.3.2 Sållning/Siktning Illustrationer av typiska snittade sållade bäddkorn från sista bädduttaget i Skellefteå återfinns i Figur 17. Av Figuren framgår att beläggningens utseende och tjocklek inte varierar nämnvärt mellan de olika proven. Figur 17 Illustration av typiska sållade snittade bäddkorn, T.V. > 500 µm och T.H. < 500 µm från Skellefteå Kraft (bädduttag efter 17 dygn). Figure 17 Illustration of typical cross-sections of sieved bed particles from Skellefteå Kraft (bed sample taken out after 17 days), > 500 µm to the left and < 500 µm to the right. 4.3.3 Mekanisk behandling Tabell 6 redovisar resultaten från malningsförsöken på de båda bäddproverna. Av tabellen framgår att andelen bildad finfraktion beror på hur hårt malningsförfarandet varit. Tabell 6 Mängd producerad finfraktion under de olika malningsförsöken. Tabell 6 Produced amount of fine-fraction during the different grinding experiments. Bäddmaterial Maltid (minuter) Skakfrekvens (Hz) Storlek, malkula Vikt före malning (gram) Mängd producerad finfaktion (gram) Andel finfraktion (%) C-4 Energi, 14 dygn 50 40 liten 5.8220 0.0343 0.589 C-4 Energi, 14 dygn 50 100 stor 5.6490 0.6991 12.4 C-4 Energi, 14 dygn 10 40 stor 5.8765 0.1141 1.94 C-4 Energi, 14 dygn 10 100 liten 5.7814 0.0535 0.925 C-4 Energi, 14 dygn 30 70 mellan 5.9637 0.1398 2.34 C-4 Energi, 14 dygn 30 70 mellan 5.7814 0.1821 3.15 C-4 Energi, 14 dygn 30 70 mellan 5.7397 0.0985 1.72 Falu Energi, 33 dygn 50 100 stor 4.8495 0.5273 10.9 Falu Energi, 33 dygn 10 40 liten 5.9029 0.1325 2.24 25

Resultatet utifrån XRD-analysen utförda på den bildade finfraktionen, efter de olika malningsförsöken på bäddmaterialet från C-4 Energi, redovisas i Figur 18. Av Figuren framgår att den bildade finfraktionen i samtliga 7 fall innehåller relativt höga andelar bäddmaterial d v s malningen har ej specifikt enbart tagit bort bäddkornens beläggning utan stora delar av själva bäddkornet har även följt med. Figur 18 Pulverröntgendiffraktogram på de sju olika producerade finfraktionerna (de sju översta linjerna) producerade vid de olika malningsförsöken på bäddmaterial från C-4 Energi (14 dygn) samt på ej malt bäddmaterial från C-4 energi (nedersta linjen). De toppar som bäddmaterialet ger upphov till i diffraktogrammet (kvarts och fältspat) är markerade med vertikala streck på x-axeln. Figure 18 XRD-pattern over the produced fine-fractions from the seven different grinding experiments (the seven upper lines) with bed-material from C-4 Energy and XRD-pattern over the not grinned bed-material from C-4 Energy (the lowest line). Resultaten från SEM-analyserna av de malda bäddkornen från Falu Energi, se Figur 19 stödjer resultaten från XRD-analyserna. Av Figur 19 framgår att i de malda bäddproverna från Falu Energi återfinns en relativt stor andel av trasiga, ej runda, bäddkorn. Av Figuren framgår också beläggningen runt många av bäddkornen fortfarande återfinns. 26

Figur 19 Illustration av typiskt utseende hos de hårt malda (T.V.), samt de milt malda (T.H)., snittade bäddkornen producerade utifrån malningsförsöken med bäddmaterial från Falu Energi (33 dygn gamla). Figure 19 Illustration of typical cross-sections of the hard grinned bed material from Falu Energi (33 day old) to the left and the soft grinned bed material from Falu Energi (33 day old) to the right). 27

5 SLUTSATS Slutsatserna från föreliggande arbete var: Omsättningen av bäddmaterial är mycket olika i olika anläggningar och uppgår ofta till betydande och ibland kostsamma mängder. Reducerad risk för bäddagglomerering ges ofta som huvudorsak till de frekventa och omfattande bäddbytena. Tillväxt av beläggning på bäddkornen är generellt förekommande och med en initial tillväxthastighet på i storleksordningen några µm/dygn som avtar paraboliskt. Med den låga bäddomsättning som råder i Falu Energis anläggning är t ex tjockleken uppe i ca 50 µm efter 33 dygn. Beläggningarna består i huvudsak av Ca-, Mg-silikater, samt fosfor i någon form. Dessa verkar förekomma i en inre mer Ca-anrikad form samt en yttre form även innehållande Mg, P och övriga element. De i bänkskalereaktorn tidigare bestämda bränslespecifika agglomereringstemperaturerna fanns överensstämma väl med det från respektive CFB-anläggnings begagnade bäddmaterials agglomereringstemperatur. Detta är också i linje med de erfarenheter som rapporterats från respektive anläggning. För CFB-anläggningarna nås den kritiska tjockleken/tiden inom omkring en vecka. Den kritiska tjockleken fanns i dessa anläggningar därmed vara relativt tunn förmodligen mindre än 10 µm. Den i bänkskalereaktorn bestämda bränslekritiska beläggningstjockleken för de representativa bränslena var relativt tunn (< 10 µm) vid en bäddtemperatur av 990 C. Fraktionering av bäddmaterial (i kornstorlek) genom selektivt uttag vid olika bäddhöjder förefaller vara relativt svårt att genomföra. Indirekt regenerering efter siktning verkar ej kunna nyttjas för att minimera bäddmaterialåtgången. Mekanisk behandling genom malning förefaller vara en osäker metod för att reducera beläggningstjockleken med bibehållen bäddpartikelkaraktäristik. 28

6 FÖRSLAG TILL FORTSATT FORSKNINGSARBETE Även om projektet och resultaten förmodligen täckt in normala träbränslen så kan beläggningskaraktäristiken sannolikt också variera betydligt mer än vad som framkommit i denna studie och motsvarande uppföljning av bäddföråldring samt bäddagglomereringsproblematik med liknande verktyg som använts i denna studie med ytterligare varierande bränsle- och beläggningskaraktäristik är därför motiverade. Interaktioner mellan bäddmaterial och askkomponenter, samt studier av andra bäddmaterial är också prioriterade fortsatta arbeten. Likaså förefaller kunskaper och riktlinjer om optimal användning av bränsleblandningar och additiv vara mycket kostnadseffektiva medel för att generellt reducera materialomsättning. 29

7 REFERENSER 1) Skrifvars, B.J., Zevenhoven, M., Backman, R., Öhman, M., Nordin, A., Effect of fuel quality on the bed agglomeration tendency in a biomass fired fluidised bed boiler (2000), Report SVF-684 2) Öhman, M., Experimental studies on bed agglomeration during fluidized bed combustion of biomass fuels, Doktorsavhandling, 1999, Umeå Universitet 3) Wold, S. Technometrics, 20, 397, (1978). 30

BILAGA 1 Exempel på provprotokoll från bäddprovuttag, fullskaleanläggningar ---------------------------------------------------------------------------------------------- Protokoll Bädduttag Falu Energi Dag 1 Tid 0 1/2h 1h 2h 4h 8h 12h 24h Klockslag (fyll I när proven tas) Mängd bäddmtrl. vid start (Ton) Mängd prov Bäddprovuttag 1 Märkning Bäddprovuttag 1 Mängd prov Bäddprovuttag 2 Märkning Bäddprovuttag 2 Tid för bäddbyte (kryssa i, skriv tid) Mängd omsatt bäddmaterial Tid för bränsleuttag (kryssa i, skriv tid) Mängd prov bränsleuttag Märkning bränsleprov Bäddtemperaturer T1 (= T2 (= T3 (= T4 (= Ev temperaturer ovan panna till skorsten T7 (= T8 (= T9 (= Effekt (termisk) (MW) Mängd primärluft (Nm3/h) Mängd sekundärluft Nm3/h) Mängd tertiärluft (Nm3/h) Mängd totalluft (Nm3/h) ------------------------------------------ Protokoll Bädduttag Dag 2 Dag 3 Dag 4 Dag 5 Dag 6 Dag 7 Dag 8 Dag 9 Dag 10 Dag 11 Tid 48 72 etc. Klockslag (fyll I när proven tas) Mängd prov Bäddprovuttag 1 Märkning Bäddprovuttag 1 Ev. Mängd prov Bäddprovuttag 2 Ev. Märkning Bäddprovuttag 2 Tid för bäddbyte (kryssa i, skriv tid) Mängd omsatt bäddmaterial Tid för bränsleuttag kryssa i, skriv tid) Mängd prov bränsleuttag Märkning bränsleprov Bäddtemperaturer T1 (= T2 (= T3 (= T4 (= Ev temperaturer ovan panna till skortsen T7 (= T8 (= T9 (= Effekt (termisk) (MW) Mängd primärluft (Nm3/h) Mängd sekundärluft Nm3/h) Mängd tertiärluft (Nm3/h) Mängd totalluft (Nm3/h) ---------------------------------------------------------------------------------------------- Osv.. 1

Värmeforsk är ett organ för industrisamverkan inom värmeteknisk forskning och utveckling. Forskningsprogrammet är tillämpningsinriktat och fokuseras på energi- och processindustriernas behov och problem. Bakom Värmeforsk står följande huvudmän: Elforsk Svenska Fjärrvärmeföreningen Skogsindustrierna Övrig Industri Värmeforsk samarbetar med Statens Energimyndighet. VÄRMEFORSK Service AB 101 53 Stockholm Tel 08-677 25 80? Fax 08-677 25 35 http://www.varmeforsk.se

ii ) Öhman, M., Experimental studies on bed agglomeration during fluidized 4

Värmeforsk är ett organ för industrisamverkan inom värmeteknisk forskning och utveckling. Forskningsprogrammet är tillämpningsinriktat och fokuseras på energi- och processindustriernas behov och problem. Bakom Värmeforsk står följande huvudmän: Elforsk Svenska Fjärrvärmeföreningen Skogsindustrierna Övrig Industri Värmeforsk samarbetar med Statens Energimyndighet. VÄRMEFORSK Service AB 101 53 Stockholm Tel 08-677 25 80 Fax 08-677 25 35 http://www.varmeforsk.se