co-optimering genom styrning av nedre och övre delen av eldstad

co-optimering genom styrning av nedre och övre delen av eldstad Henrik Brodén och Nader Padban Forskning och Utveckling TPS 24:1

CO-OPTIMERING GENOM STYRNING AV NEDRE OCH ÖVRE DELEN AV ELDSTAD Forskning och Utveckling TPS 24:1 Henrik Brodén och Nader Padban ISSN 141-9264 24 Svensk Fjärrvärme AB Art nr TPS 24:1

I rapportserien publicerar projektledaren resultaten från sitt projekt. Publiceringen innebär inte att Svensk Fjärrvärme AB tagit ställning till slutsatserna och resultaten.

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Förord TPS Branschforskningsprogram för Energiverk driver tillämpad forskning inriktad mot fjärrvärmebranschen. Programverksamheten leds av en styrgrupp bestående av representanter för alla deltagande energiverk, Svensk Fjärrvärme AB och Statens energimyndighet. Arbetssättet inom forskningsprogrammet finns väl beskrivet i rapporten för den tidigare perioden 93/96 (Värmeforskrapport nr. 66). I programmet 2/3 deltog följande energiverk och företag: AB Borlänge Energi Falun Energi & Vatten AB AB Enköpings Värmeverk Graninge Kalmar Energi AB AB Fortum Värme samägt med Stockholms stad Graninge Värme AB Eskilstuna Energi & Miljö AB Gävle Kraftvärme AB Göteborg Energi AB Jämtkraft AB Lunds Energi AB Mjölby Svartådalens Energi AB Mälarenergi AB Hallsta Fjärrvärme Skellefteå Kraft AB Stora Enso Nymölla AB Sundsvall Energi AB Svensk Fjärrvärme Sydkraft ÖstVärme AB Söderenergi AB Tekniska Verken i Linköping AB Tranås Energi AB Trollhättan Energi AB Umeå Energi AB Vattenfall Drefviken Värme AB Vattenfall Utveckling AB Vattenfall Värme Uppsala AB Viken Fjernvarme AB VMR AB Växjö Energi AB Programmet har till ca 6 % finansierats av deltagande företagen och TPS. Staten bidrar, genom energimyndigheten, med upp till 4 % i denna typ av delkollektiva forskningsprogram. Under programmet 2/3 genomfördes projekt inom fyra huvudområden Rostteknik, FB/CFB-teknik, Brännarteknik och Oberoende FoU. Det senare området omfattar projekt som är generellt tillämpliga oavsett förbränningsteknik. Ansvarig programledare under verksamheten 2/3 har varit Niklas Berge. Ansvariga projektledare inom respektive teknikområde har varit Jenny Larfeldt (Rostteknik), Boo Ljungdahl och Erik Ramström (FB/CFB-teknik), Christian Fredriksson (Brännarteknik) och Birgitta Strömberg (Oberoende FoU). 3

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Sammanfattning Mätningarna, gjorda på panna 6 Umeå Energi AB, har gjorts i syfte att studera fastbränslebäddens antändnings- förbränningsmekanism samt undersöka om faktorer rörande bäddens utbredning och rosttäckning påverkar CO-emissionerna ut från pannan. Mätningarna gjordes med lambdasond, IR-temperatursond och sugpyrometer strax ovan bränslebädden. Data från dessa mätinstrument, tillsammans med processdata som roststavstemperaturer, gaskoncentrationer och styrparametrar, har utvärderats. Resultaten visar att roststavstemperaturen redan i första zonen är 3-4 C, 3-6 C i zon 2, för att i zon 3 variera stort i intervallet 1-5 C. När torvandelen ökar sker en tydlig temperatursänkning i zon 1. IR-mätningarna indikerar temperaturer på bäddens ovansida som är i samma storleksordning som roststavstemperaturerna utom då sonden ser glödförbränning. Roststavstemperaturer och i viss utsträckning IRtemperaturererna visar på högre temperaturer på rostens högra sida. Eftersom temperaturerna är så pass höga på rostens undersida även nära bränsleinmatningen är slutsatsen att antändning och förbränning underifrån måste vara av stor betydelse om inte den helt dominerande mekanismen. CO-koncentrationen ut från pannan har två variationsmönster. Dels förekommer kortvariga spikar av CO >>2 ppm, dels långsamma fluktuationer runt medelvärdet 9 ppm. De kortvariga spikarna orsakas av situationer med extremt låg O 2 -halt. De långsamma svängningarna är oberoende av förändringar i O 2 -halt. Lambdasondsmätningarna ovan bädd antyder att genomblåsningar eller bristande rosttäckning skulle kunna vara orsaken till de långsamma CO- variationerna. Nivån på NO x -emissionerna skiljer som väntat väsentligt mellan situationer med hög respektive låg torvandel i bränslet. Mätningarna visar också att det tycks finnas bränslespecifika skillnader i NO x -bildningstendens vid ändring av O 2 -halt, luftkvot och CO-koncentration. Bättre kännedom om enskilda styrparametrars inverkan på NO x -bildningen skulle kunna användas för att förfina driftfönstret med sänkta NO x - emissioner som följd. 5

Summary The measurements, made on Boiler 6 Umeå Energi AB, have been made with the objective to study the fuel bed ignition and combustion mechanisms and to investigate factors regarding fuel bed propagation and the grate coverage influence on CO emissions from the boiler. Measurements were made with Lambda probe, IRtemperature probe and suction pyrometer in vicinity of the fuel bed. Data from these instruments together with process data such as grate rod temperatures, gas concentrations and process control parameters have been evaluated. The results show that grate rod temperature in the first zone is 3-4 C, 3-6 C in zone 2 and varying greatly between 1-5 C in zone 3. When the fraction of peat increases there is a clear increase in temperature in zone 1. IR-measurements indicate fuel bed top side temperatures of the same order as the grate rod temperatures except when the IR-probe sees char combustion. Grate rod temperatures and to a certain extent IR-temperatures indicate a higher temperature on the right-hand side of the grate. Since the temperatures are so high below the grate, the conclusion is that ignition and combustion from beneath must of great importance if not the dominating combustion mechanism. The CO concentration out from the boiler has two variations in its pattern. Firstly there are CO peaks (>>2 ppm) of short duration. Secondly there are slow fluctuations around an average of around 9 ppm. The short peaks are characterised by situations of extremely low O 2 concentration. The slow fluctuations are independent of changes in O 2 concentration. Lambda probe measurements above the fuel bed imply that holes in the fuel bed and insufficient grate coverage may cause the slow CO fluctuations. As expected the level of the NO x emission differs significantly between situations with high and low peat fraction in the fuel. The measurements also imply that there seems to be fuel specific differences in NO x formation tendency when O 2, air ratio (secondary to primary air in percent) and CO concentration vary. Better knowledge about individual process control parameters influence on the NO x formation could be used to refine the operating window beneficial for reduced NO x emissions.

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Innehållsförteckning 1. Bakgrund...9 2. Målsättning...9 3. Genomförande...9 3.1. Anläggning... 9 3.2. IR-sond... 1 3.3. Lambdasond... 12 3.4. Sugpyrometer... 12 4. Resultat...12 4.1. CO... 12 4.2. SO 2 och NO x... 12 4.3. Temperaturer på roststavar... 13 4.4. IR-mätningar... 15 4.5. Gastemperaturmätningar med sugpryrometer... 21 4.6. Lambda-sondmätningar... 22 5. Diskussion...23 6. Slutsatser...27 6.1. Roststavstemperatur... 27 6.2. IR-mätningar... 27 6.3. Lambdasond... 28 6.4. CO... 28 6.5. NO x... 28 7. Rekommendationer...29 8. Referenser...29 7

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 1. Bakgrund Några av svårigheterna när man skall föreslå styrstrategi för en rostpanna för kontroll av slutförbränning och last är att man ofta saknar information om förbränningsfronter och temperaturfördelningar i bränslebädden. En av slutsatserna från Branschforskningsprogrammet 21/2 var därför att det fortsatta arbetet bör inkludera mätningar i området kring rost med IR-givare och lambdasond. Från ett urval av tre olika pannor (Mjölby, Trollhättan och Umeå) som bedömdes ha goda förutsättningar för mätning valdes Umeåpannan. 2. Målsättning Huvudsyftet med mätningarna har varit att ta fram ett bättre informationsunderlag om syre- och temperaturfördelningen ovanför rosten. Målsättningen med studien har varit: Fastställa samband mellan bränslekvalitet och temperatur på roststavar. Mäta temperaturen ovan bädden för att erhålla en topografisk bild av bädden. Mäta syrehalten i olika delar av pannan med lambdasond ovanför bränslebädden för att lokalisera eventuella stråkbildningar. Med hjälp av syre- och temperaturdata försöka förklara om glödfronten utvecklas underifrån eller ovanifrån eller om det är en kombination av dessa två mekanismer. 3. Genomförande 3.1. Anläggning Panna 6 i Umeå är en topplastpanna med en effekt om ca 3 MW. Pannan eldas med en blandning av skogsbränsle och torv. Rostbelastningen är 829 kw/m 2 och volymbelastningen 146 kw/m 3. Rosten är försedd med två banor med längd av 8,5 m och en total bredd på 3,8 m. Total rostyta är ca 32 m 2. Rostlutningen är ca 8. Rosten är delad i längsled av en vattenkyld mittendelare. Slaglängden på rosten är -13 mm (steglös). Rosten är utrustad med termoelement i roststavarna för temperaturmätning, ett vardera i zonerna 1 till 3 vänster och höger (6 st). Bränslet kommer in via bränslestupet och glider ned i ugnen på den rörliga inmatningsvagnen (pushern). Bränslebäddens tjocklek varieras med hjälp av en hydrauliskt styrd nivåregulator. Primärluften fördelas i 2x5 luftkamrar. Fördelningen av primärluften sker med zonspjäll i kanalerna. Primärluften förvärms till en temperatur av 1-17 C. Sekundärluft tillförs i dysrader i två nivåer på ugnens bakvägg. Sekundärluften styrs av primärluftmängd och O 2 -halt. Pannan är även utrustad med ett Rotamix-system i två nivåer med ammoniakdosering. Pannan är även utrustad med ett rökgasrecirkulationssystem som möjliggör återföring av upp till 15 % av rökgasflödet. 9

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Figur 1. Pannan sedd från sidan med mätpositionerna för lambda-sond, IR-givare och sugpyrometer indikerade. 3.2. IR-sond IR-sonden består av en flerpunktsmätande pyrometer bakom en lins som är placerad i ändan på en kyld sond. Pyrometern mäter temperaturen i 16 mätpunkter med en samplingsfrekvens på 1 Hz. Genom att mäta den infraröda strålningen i ett specifikt våglängdsband är det möjligt att mäta svartkroppstrålningen från bränslebädden specifikt utan störning av gasstrålningen från koldioxid och vatten. På så sätt kan pyrometern se igenom gasflammorna och mäta svartkroppstrålningen från t ex en rostbädd. IR-sondens mätområde är 35-1 C. Sonden ger mätsignal under 35 C men brusnivån är allt för hög för att betrakta mätningarna som signifikanta. Linsen som använts har ett synfält på 3 i rostens längdriktning och 4 i breddriktningen. Figur 1 visar positionen där IR-sonden fördes in i eldstaden. Figur 2 till Figur 5 visar det projicerade synfältet på rosten från respektive mätvinkel. I verkligheten är ytorna något mindre eftersom bäddens tjocklek förminskar den projicerade ytan. Figur 2. Projicerat synfält vid mätning i rostens normalriktning. Pilen anger bränslebäddens rörelseriktning. 1

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Figur 3. Projicerat synfält vid mätning 3 C mot bränsleinmatningen. Pilen anger bränslebäddens rörelseriktning. Figur 4. Projicerat synfält vid mätning 3 C mot bränsleutmatningen. Pilen anger bränslebäddens rörelseriktning. Figur 5. Projicerat synfält vid mätning 5 C mot bränsleinmatningen. Pilen anger bränslebäddens rörelseriktning. 11

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 3.3. Lambdasond En lambdasensor mäter syrehalten lokalt i eldstaden. Fördelen med en lamdasensor är att den har kort svarstid (sekundnivå) och är så pass robust att sonden, om den kyls, kan användas för att mäta syrehalten inne i eldstaden. Sensorn reagerar på syre men störs inte av höga halter av CO och kolväten. Själva mätkroppen består av zirkoniumoxid som ger upphov till en spänning om mätkroppens in och utsida utsätts för olika syrepartialtryck. Mätkroppens insida genomspolas av luft med normal syrehalt vilket utgör referens för mätningen. En mer detaljerad beskrivning av lambdasondens uppbyggnad och mätprincip ges i [1]. 3.4. Sugpyrometer När man skall mäta gastemperaturen i eldstad omgiven av kylda väggar som är väsentligen kallare än gasen uppstår ett icke oväsentligt mätfel om inte mätkroppen avskärmas från strålningsutbytet med de omgivande väggarna. Med en sugpyrometer undviker man detta problem genom att sätta ett termoelement innanför en avskärmning. På en sugpyrometer är termoelementet med dess avskärmning placerat längst ut på en kyld sond. Genom att suga in förbränningsgaser med hög hastighet genom sonden omströmmas termoelementet hela tiden av heta gaser. Effekten av strålningsutbytet med pannväggarna minskar och sugpyrometern mäter därför en mer sann gastemperatur. 4. Resultat Mätningarna med IR-givare, sugpyrometer och lambdasond gjordes den 4, 5 och 6 mars 23. Utöver data från IR-givare, sugpyrometer och lambdasond omfattar analysen processdata under perioden 4 till 7 mars. Under mätningarna vidtogs inga speciella förbränningstekniska styråtgärder utan pannan eldades efter normalt värmebehov. Lasten på pannan var jämn. Lasten, räknat som timmedelvärde, låg mellan 3 och 34 MW under 95 % av tiden. Under försöksperioden har inblandningen av stycketorv varierat. Den exakta torvandelen är inte känd. Som ett kvalitativt mått på torvinblandningen kommer i stället SO 2 -halten i rökgaserna att användas. 4.1. CO Medelhalten av CO under mätperioden var 9 ppm (Normaliserat till 5 % O 2 ). COvariationerna var små. Även räknat på minutvärden var halten sällan över 2 ppm. Spikar av CO (CO >>2 ppm) förekom endast i samband med enstaka korta perioder med O 2 -halter under,5 %. När O 2 -halten är över,5 % överstiger COkoncentrationen 2 ppm endast vid några enstaka tillfällen. Vid normal drift (O 2 -halt 3-6 %) varierar CO-halten endast med några tiotal ppm runt medelvärdet. 4.2. SO 2 och NO x Trenderna för SO 2 och NO x visas i Figur 6. Figuren visar hur SO 2 -halten varierar kraftigt. NO x -halten följer SO 2 -halten vilket visas i Figur 7. Eftersom svavel- och kväveinnehållet i torv är väsentligen högre än för biobränsle kan SO 2 -koncentrationen (och viss utsträckning även NO x -koncentrationen) användas för att kvalitativt indikera hur torvandelen i bränsleblandningen varierar. 12

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 6 5 4 [mg/nm3] 3 SO2 NOx 2 1 23-3-4 : 23-3-4 12: 23-3-5 : 23-3-5 12: 23-3-6 : 23-3-6 12: 23-3-7 : Figur 6. Normaliserad (5% O 2 ) SO 2 och NO som funktion av tid. 6 5 4 SO2 [mg/nm3] 3 2 1 5 1 15 2 25 3 NOx [mg/nm3] Figur 7. SO 2 som funktion av NO normaliserat till 5% O 2. 4.3. Temperaturer på roststavar Figur 8 visar temperatursignalen från de sex termoelement som visar roststavarnas temperatur i de sex rostzonerna. De högsta temperaturerna uppmäts i zon 2. Temperaturerna i zon 1 är 1-2 C lägre än i zon 2. Temperaturerna i zon 3 varierar kraftigt över tiden. Stundtals uppvisar zon 3 temperaturer upp mot 5-55 C men uppmätta temperaturer på 1-2 C är också vanliga. 13

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Figur 9 visar roststavtemperaturerna i zon 1 som funktion av SO 2 -halt. Det ser från figuren ut som om temperaturen sjunker vid stigande torvinblandning. Figur 1 visar roststavtemperaturerna som funktion av SO 2 -halt för zon 2. Även för zon 2 ser det ut att ske en viss trendmässig temperaturminskning vid högre torvinblandning men framför allt ökar spridningen på temperaturen. Figur 11 visar roststavtemperaturerna i zon 3 som funktion av SO 2 -halt. Spridningen är stor och det svårt att avgöra om ökad torvinblandning påverkar temperaturen i zon 3. 7 6 5 4 3 z1van z1hog z2vav z2hog z3van z3hog 2 1 3-3-5 : 3-3-5 12: 3-3-6 : 3-3-6 12: 3-3-7 : 3-3-7 12: Figur 8. Roststavtemperatur som funktion av tid. 45 4 35 3 Temperatur [C] 25 2 z1van z1hog 15 1 5 1 2 3 4 5 6 SO2 [mg/nm3] Figur 9. Roststavtemperaturer i zon 1 som funktion av normaliserad SO 2 -halt (5% O 2 ). 14

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 7 6 5 Temperatur [C] 4 3 z2vav z2hog 2 1 1 2 3 4 5 6 SO2 [mg/nm3] Figur 1. Roststavtemperaturer i zon 2 som funktion av normaliserad SO 2 -halt (5% O 2 ). 6 5 4 Temperatur [C] 3 z3van z3hog 2 1 1 2 3 4 5 6 SO2 [mg/nm3] Figur 11. Roststavtemperaturer i zon 3 som funktion av normaliserad SO 2 -halt (5% O 2 ). 4.4. IR-mätningar Tre IR-mätningar genomfördes (4, 5 och 6 mars). De första två dagarna mättes i tre riktningar (3 vänster d.v.s. mot bränsleinmatningen, i rostens normalriktning och 3 höger d.v.s. något mot askutmatningen). Den sjätte mars mättes i en fjärde riktning (5 höger d.v.s. långt ner mot askutmatningen). Mätningarna den 6 mars genomfördes mellan klockan 12:29-13:27. Figur 12 till Figur 15 visar bränslebäddens yttemperatur successivt ned längs rosten. Närmast bränsleinmatningen, Figur 12, är de uppmätta temperaturerna låga. Medeltemperaturerna i punktmätningarna varierar mellan 29 och 37 C. 15

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Temperaturmätningen är knappast signifikant. Temperaturskillnaderna fördelar sig symmetriskt över pannans längdsnitt. I rostens normalriktning, Figur 13, är temperaturen något högre. Medeltemperaturerna i punktmätningarna varierar mellan 36 och 43 C. Temperaturen är något högre på höger sida. Ner mot askutmatningen, Figur 14, varierar medeltemperaturerna mellan 33 och 43 C. Även här finns en högre temperatur på höger sida. I mätningen som ser längst ned mot askutmatningen, Figur 15, varierar medeltemperaturen i punktmätningarna mellan 48 och 67 C. Stegförändringen i kurvan vid drygt 2 samplingar beror troligen på att sonden vridits utan att det noterats. Endast data för de 21 första samplingarna har därför använts. Under IR-mätningarna den 6 mars varierade O 2 -halten mellan 1,4 och 4,9 %. Torvandelen var antagligen hög eftersom SO 2 -analysatorn bottnade under hela mätningen (SO 2 >5 mg/nm 3 ). Roststavstemperaturerna var generellt sett högre på högra sidan. Höga roststavstemperaturer uppmättes i zon 3 (22 till 41 C). Mätningarna den 5 mars genomfördes mellan klockan 12:26 och 14:. Närmast bränsleinmatningen, Figur 16, varierar medeltemperaturen i punktmätningarna mellan 38 och 54 C. Det går inte att se någon tydlig symmetrisk snedfördelning mot någon sida. I rostens normalriktning, Figur 17, varierar medeltemperaturen mellan 32 och 43 C. Temperaturen är högre på rostens högra del. Ner mot askutmatningen, Figur 18, varierar medeltemperaturen i punktmätningarna mellan 66 och 87 C. Temperaturen är något högre på vänster sida. Under mätningarna varierade O 2 -halten mellan 4,5 och 6,3 %. SO 2 -koncentrationen svängde mycket upp och ned under mätningen vilket indikerar en ojämn inblandning av torv. Roststavstemperaturerna var generellt sett högre på högra sidan. Temperaturen på roststavarna i zon 3 var låg (11-14 C). Mätningarna den 4 mars genomfördes mellan klockan 17:35 och 18:. Närmast bränsleinmatningen, Figur 19, varierar medeltemperaturen i punktmätningarna mellan 2 och 27 C. De indikerade temperaturerna är inte signifikanta. I rostens normalriktning, Figur 2, varierar medeltemperaturen mellan 24 och 3 C. Inte heller dessa temperaturindikationer kan betecknas som signifikanta. Ner mot askutmatningen, Figur 21, varierar medeltemperaturen i punktmätningarna mellan 38 och 55 C. Temperaturerna på rostens högra sida är något högre än på vänster sida. Under mätningarna varierade O 2 -halten mellan 3,1 och 3,4 %. SO 2 -koncentrationen låg stabilt på drygt 4 mg/nm 3. Data på roststavstemperaturer saknas. 16

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Temperatur [C] 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 Tid [s] E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E1 E11 E12 E13 E14 E15 E16 Figur 12. IR-temperaturmätning 3 vänster (snett mot bränsleinmatningen) 23-3-6. 9 8 Temperatur [C] 7 6 5 4 3 2 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E1 E11 E12 E13 E14 E15 E16 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tid [s] Figur 13. IR-temperaturmätning 8 (rostens normalriktning) 23-3-6. 17

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 9 8 Temperatur [C] 7 6 5 4 3 2 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E1 E11 E12 E13 E14 E15 E16 1 1 2 3 4 5 6 7 8 Tid [s] Figur 14. IR-temperaturmätning 3 höger (snett mot askutmatningen) 23-3-6. 9 8 Temperatur [C] 7 6 5 4 3 2 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E1 E11 E12 E13 E14 E15 E16 1 5 1 15 2 25 3 35 4 45 Tid [s] Figur 15. IR-temperaturmätning 5 höger (mot askutmatningen) 23-3-6. 18

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 9 8 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E1 E11 E12 E13 E14 E15 E16 7 Temperatur [C] 6 5 4 3 2 1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 Tid [s] Figur 16. IR-temperaturmätning 3 vänster (snett mot bränsleinmatningen) 23-3-5. 9 8 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E1 E11 E12 E13 E14 E15 E16 7 Temperatur [C] 6 5 4 3 2 1 5 1 15 2 25 3 35 4 Tid [s] Figur 17. IR-temperaturmätning 8 (rostens normalriktning) 23-3-5. 19

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 9 8 Temperatur [C] 7 6 5 4 3 2 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E1 E11 E12 E13 E14 E15 E16 1 2 4 6 8 1 Tid [s] Figur 18. IR-mätning 3 höger (snett mot askutmatningen) 23-3-5. 9 8 Temperatur [C] 7 6 5 4 3 2 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E1 E11 E12 E13 E14 E15 E16 1 5 1 15 2 25 3 35 4 Tid [s] Figur 19. IR-temperaturmätning 3 vänster (snett mot bränsleinmatningen) 23-3-4. 2

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 9 8 Temperatur [C] 7 6 5 4 3 2 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E1 E11 E12 E13 E14 E15 E16 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tid [s] Figur 2. IR-temperaturmätning 8 (rostens normalriktning) 23-3-4. 9 8 Temperatur [C] 7 6 5 4 3 2 E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E1 E11 E12 E13 E14 E15 E16 1 5 1 15 2 25 3 35 Tid [s] Figur 21. IR-temperaturmätning 3 höger (snett mot askutmatningen) 23-3-4. 4.5. Gastemperaturmätningar med sugpryrometer Figur 22 (tvärs rostriktningen) och Figur 23 (längs rostriktningen) visar temperaturmätningar mätta med sugpyrometer på gas ovanför rosten. Temperaturen registrerades i ett antal positioner där sugpyrometern hölls still. Två mätningar är gjorda i varje position, en på in-vägen och en på ut-vägen. Avstånden är uppmätta från yttre kanten av pannans kort- respektive långsida. Centrum av rosten uppskattas vara på ett avstånd av 2225 mm från ytterkanten i Figur 22. Från den tvärgående mätningen, Figur 22, ses att temperaturen varierar mellan ca 6 och 9 C ± 1 C. Av Figur 23 framgår att temperaturen varierar från 6 till drygt 8 C ± 1 C i rostens längdriktning. Gastemperaturen är lägst närmast askutmatningen. 21

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Medel-335 1 Tmedel-in Stdav.Tmedel-in Tmedel-ut Stdav.Tmedel-ut Temperatur ( C) 8 6 4 2 5 1 15 2 25 3 Avstånd till yttrevägg (mm) Figur 22. Gastemperatur 23-3-5 (uppmätt med sugpyrometer) som funktion av avstånd från ytterväggen (tvärs rosten). Medel långsida-336 Temperatur ( C) 1 8 6 4 2 T-in T-ut Stdav-in Stdav-ut 5 1 15 2 25 Avstånd till yttrevägg Figur 23. Gastemperatur 23-3-6 uppmätt med sugpyrometer som funktion av avstånd från ytterväggen (rostens längdrikting). 4.6. Lambda-sondmätningar Vid de flesta traverseringar över rosten uppmätte lambdasonden ingen syrehalt. En traversering, då sonden verkligen indikerande O 2, gjord 23-3-5 visas i Figur 24. Syrehalten är högre en bit in över rosten än ute vid kanterna men variationen i temperatur inte är speciellt stor. O 2 -halten ut från pannan var 5-6 % och COkoncentrationen steg långsamt under mätningen från 5 till 15 ppm. Vidare uppmättes kraftigt fallande roststavstemperatur på vänstra delen av zon 2. Figur 25 visar syrehalten och temperaturen över bädden vid flera mätningar 23-3- 6. Lambdasonden visar ingen O 2 -halt och temperaturen har varierat mellan 4 och 7 C. O 2 -halten ut från pannan låg runt 3 % och CO-koncentrationen låg stabilt runt 5 ppm utom under en kort stund strax efter 11: då CO-koncentrationen toppade tillfälligt över 4 ppm i samband med att O 2 -halten gick under,5 %. Under alla mätningarna 6 mars var roststavstemperaturen på zon 2 hög och stabil (5-6 C). 22

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Syrehalten och temperaturen över bädden 335 mellan 9: och 1: 15 Avstånd till pannvägg 5 12 2 5 1 5 O2 % temp/1 9: 9:15 9:3 9:45 Tid Figur 24. Syrehalt och temperatur över bädden 23-3-5 kl. 9:-1:. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Syrehalten och temperaturen över bädden 336 temp/1 O2 (%) 9:3 9:45 1: 1:15 1:3 1:45 11: 11:15 11:3 11:45 Figur 25. Syrehalt och temperatur över bädden 23-3-6 kl. 9:3-11:45. 5. Diskussion Det faktum att roststavtemperaturen tydligt sjunker i zon 1 när torvandelen går upp är förbryllande. Stycketorven som eldats har haft en fukthalt på 3-4 % det vill säga troligen betydligt torrare än skogsbränslet. Torven borde därför ha ett betydligt bättre värmevärde än skogsbränslet om askhalten inte är väldigt hög. Eftersom panneffekten varierat väldigt lite under mätningarna borde en ökning av torvandelen ha resulterat i en minskning av bränslematning och därmed primärluftmängd. Från operatörernas loggböcker går det dock inte att se något samband mellan primärluftmängd, last och torvandel. Att temperaturen i zon 2 får en större spriding vid hög torvandel jämfört med vid en lägre torvinblandning kan troligen förklaras med att bränslebädden i sin helhet troligen torkar och brinner ut fortare vid en hög torvandel. Troligen brinner en del av bränslet ut redan på zon 2 vid hög torvandel. Temperaturerna på roststavarna antyder också att 23

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 det är större spridning på temperaturen på pannans högra sida jämfört med vänster sida. Detta kan vara en indikation på en sned rostbelastning. Eftersom det tycks ske ett visst temperaturskift i roststavtemperatur vid torvinblandningar motsvarande en SO 2 -halt > 3 mg/nm 3 är frågan om det går att se förändringar i andra parametrar vid förbränningen vid hög torvandel. NO x -bildning är en lämplig parameter eftersom NO x -bildningens påverkan av parametrar som O 2 -halt, luftkvot och CO-koncentration är väl kända från många andra pannor. Figur 26 visar NO x -koncentration som funktion av syrehalt för timmedelvärden då SO 2 - koncentrationen varit över respektive under 3 mg/nm 3. Av figuren framgår inte bara att högre torvandel ger högre NO x, men även att NO x -nivån är mera känslig för variationer i O 2 -halt vid eldning med högre torvandel än vid situationer med mera skogsbränsleandel. Tittar man sedan på NO x -koncentration som funktion av luftkvot (Luftkvot här definierad som sekundärluftflöde delat med primärluftflöde uttryckt i procent), Figur 27, framgår ett likartat mönster som i Figur 26. Vid låg torvinblandning blir NO x -bildning inte lika känslig för variationer i luftkvot som vid hög torvinblandning. Bland datamängden för SO 2 -halter över 3 mg/nm 3 finns två kraftigt avvikande punkter, som om de tas bort antyder att NO x -bildning påverkas kraftigt av luftkvot vid hög torvinblandning. Plottar man NO x som funktion CO, Figur 28, framgår det att vid SO 2 -koncentrationer under 3 mg/nm 3 finns ingen påverkan på NO x -koncentrationen i det intervall som CO-koncentrationen varierat (3-16 ppm). I den motsvarande datamängden för SO 2 -koncentrationer över 3 mg/nm 3 finns en viss negativ korrelation mellan NO x och CO. Slutligen visar Figur 29 att den indikerade eldstadstemperaturen inte väsentligen skiljer sig mellan situationer med hög respektive låg torvinblandning. Högre eldstadstemperatur ger högre NO x men det går inte från mätningarna att se något samband mellan torvinblandning och eldstadstemperatur. 3 25 2 NOx [mg/nm3] 15 SO2 <3 mg/nm3 SO2>3 mg/nm3 Linjär (SO2 <3 mg/nm3) Linjär (SO2>3 mg/nm3) 1 5 1 2 3 4 5 6 7 O2 [%] Figur 26. Normaliserad NO x -koncentration (5% O 2 ) som funktion av syrehalt. 24

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 3 25 2 NOx [mg/nm3] 15 SO2<3 mg/nm3 SO2 >3 mg/nm3 Linjär (SO2 >3 mg/nm3) Linjär (SO2<3 mg/nm3) 1 5 2 4 6 8 1 12 14 16 18 Luftkvot [%] Figur 27. Normaliserad NO x -koncentration (5% O 2 ) som funktion av luftkvot. 3 25 2 NOx [mg/nm3] 15 SO2<3 mg/nm3 SO2>3 mg/nm3 Linjär (SO2<3 mg/nm3) Linjär (SO2>3 mg/nm3) 1 5 2 4 6 8 1 12 14 16 18 CO [ppm] Figur 28. Normaliserad NO x -koncentration (5% O 2 ) som funktion av CO-koncentration. 25

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 3 25 2 NOx [mg/nm3] 15 SO2<3 mg/nm3 SO2>3 mg/nm3 Linjär (SO2<3 mg/nm3) Linjär (SO2>3 mg/nm3) 1 5 76 78 8 82 84 86 88 Eldstadstemperatur [C] Figur 29. Normaliserad NO x -koncentration (5% O 2 ) som funktion av eldstadstemperatur. Att NO x -bildningen vid hög torvandel förefaller känsligare för variationer i O 2, luftkvot och viss utsträckning CO än vid låg torvandel kan ha flera förklaringar. Dels kan ammoniakdoseringssystemet fungera mer eller mindre väl i olika driftsituationer, dels skulle kvävekemin kunna vara något annorlunda för skogsbränslet och torven. SNCR-systemet arbetar från tre doseringskurvor beroende på bränsle (rent skogsbränsle, ren torv och en blandning av de två). Dessa variationer i känslighet kan vara en effekt av dessa doseringskurvor. I biobränsle utgörs huvuddelen av bränslekvävet av aminogrupper som sitter på proteinerna. När bränslet brinner frigörs kvävet främst i form av ammoniak under pyrolysen. Kvävet i torv ser i viss utsträckning något annorlunda ut. Vid omvandlingen av växtmaterial till torv sker en ökning av kvävehalten som beror på mikroorganismers aktivitet. Samtidigt bryts aminosyrorna successivt ned och omvandlas till mer komplexa kväveföreningar med cykliska och aromatiska strukturer. I torv kan man därför hitta kväve i form av aminogrupper såväl som pyridin och puriner [2]. Det är väl känt från koleldning, där pyridiner, puriner och pyroler är den dominerande kväveformen i bränslet, att HCN delvis tar över ammoniakens roll i NO x -bildningsmekanismen vid förbränning av bränslets pyrolysprodukter. Vid IR-mätningarna 23-3-6, Figur 12 till Figur 15, låg glödförbränningen långt ned mot askutmatningen. Det stämmer också överens med den höga roststavstemperaturen i zon 3. Vid mätningarna 23-3-5, Figur 16 till Figur 18, indikerar IR-mätningen att glödförbränningen låg betydligt högre upp på rosten. Roststavstemperaturerna i zon 3 vid detta tillfälle var också låga vilket även detta indikerar tidig slutförbränning. Vid IR-mätningarna 23-3-4, Figur 19 till Figur 21 uppmättes aldrig några riktigt höga temperaturer. Detta indikerar att glödförbränningen troligen låg långt ned på rosten men eftersom det saknas roststavstemperaturer för denna mätserie går det med säkerhet inte att säga var slutförbränningsfronten låg. 26

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 De enskilda IR-mätningarna visar att temperaturen i en enskild punkt trendmässigt kan variera med flera hundra grader under en tidsperiod av 1-2 minuter. Detta kan vara effekter av vältningar och ras men även variationer i bränslesammansättning kan påverka. I flera av IR-mätningarna ligger merparten eller åtminstone delar av de indikerade temperaturerna under den nivå som får anses signifikant för mätmetoden (35-4 ). Intressant att notera är att roststavstemperaturen i zon 2, vilken placeringsmässigt sammanfaller med var huvuddelen av IR-mätningarna är gjorda, i de flesta fall indikerar likartade temperaturnivåer som IR-mätningarna på bränslebäddens ovansida. Eftersom roststavarna kyls av primärluft kan detta tolkas som att bränslebädden är hetare på undersidan än på ovansidan. Om så är fallet kommer bädden både att brinna från ovan i motström med primärluften och i medström underifrån. Försök att mäta förbränningsfrontens utbredningshastighet i medström och motström, [2], visar att förbränningsfrontens utbredningshastighet i medström är i storleksordning 1 ggr högre än i motström. Är en bränslebädd exempelvis 5 C både på ovansidan och undersidan kommer förbränningsförloppet helt att styras av flamutbredningen underifrån om inte den vertikal omblandningen (vältning) i bränslebädden är väldigt stor. Variationerna i CO-koncentrationen orsakas av åtminstone två oberoende mekanismer. För det första går det tydligt att se att CO-spikarna (>>2 ppm) inträffar när O 2 -halten är extremt låg (<,5 %). O 2 -halten förklarar dock inte de långsamma variationer i CO som uppmäts vid normal drift. Ursprunget till de långsamma variationerna är troligen störningar i bränslebädden vilka orsakar genomblåsningar, kalla stråk och partikeluppkast. Den första lambdasondsmätningen (5 mars), som uppvisade mätbar syrehalt, sammanföll med en långsam stegring av COkoncentrationen medan CO var mycket stabil vid mätningarna 6 mars (utom i samband med en kort men extrem O 2 -svacka). Resultatet av lambdasondsmätningarna skulle därför kunna tolkas som ett stöd för hypotesen om att en väsentlig del av primärluftens syre förbrukas redan i bränslebädden även högt upp på rosten. 6. Slutsatser Roststavstemperaturmätningar i kombination med IR-mätningar på bränslebäddens ovansida är ett kraftfullt verktyg för att analysera var och hur bränslebädden brinner på en rost. I kombination med lambdasondsmätningarna har målsättningen med försöken i stort uppnåtts. 6.1. Roststavstemperatur Roststavstemperaturen i zon 1 sjunker vid ökad torvinblandning i bränslet. Förklaringen skulle kunna vara en effekt av lastregleringssystemet men mätdata och uppgifter från loggböcker stödjer inte denna hypotes. Ökad torvandel leder till att roststavstemperaturerna i zon 2 och 3 sprider mycket. Detta kan tolkas som att torven brinner snabbare och/eller ger sämre rosttäckning än skogsbränsle. 6.2. IR-mätningar Mätningar av temperaturen på bränslebäddens ovansida med IR-pyrometer visar att utbränningszonen flyttar sig avsevärt mellan de olika mätningarna trots att lasten på pannan inte ändrats speciellt mycket. 27

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Såväl IR-mätningar som roststavstemperaturer indikerar att förbränningsintensiteten oftast är större på rostens högra sida än den vänstra. Jämförelser mellan roststavstemperaturer och IR-mätningar av bäddens ovansida indikerar att bränslebädden i de flesta fall är väl så varm på undersidan som på ovansidan. Om så är fallet betyder det att förbränningsfrontens utbredning underifrån är väsentligt snabbare än utbredningshastigheten ovanifrån eftersom förbränningen underifrån sker i medström med primärluften. Det finns följaktligen mer syre tillgängligt i den undre delen av bädden än i den övre. 6.3. Lambdasond Lambdasondsmätningarna visar att det i de flesta fall inte går att detektera någon O 2 strax ovan bränslebädden. Då O 2 har detekterats har detta skett i samband med situationer med ojämn rosttäckning. Den av lambdasonden uppmätta temperaturen, vilken används för att beräkna syrets partialtryck ur Nernst ekvation, tycks inte vara betydelsefull för förekomst av O 2. Det finns exempel på situationer med låga temperaturer då inget syre detekterats och andra då syre detekterats i kombination med höga temperaturer. Detta indikerar att syre i primärluften till stor del förbrukas redan inne i bränslebädden. Detta stärker resultatet av temperaturmätningarna och hypotesen om att glödfrontsutbredning underifrån är den dominerande mekanismen för utbränningsförloppet hos en bränslebädd på rörlig rost. 6.4. CO CO-variationerna under mätperioden var små. Överluftsystemet tar effektivt bort COspikar utom vid extrema driftsituationer med O 2 -halter under,5 %. Vid mera normal drift förklarar dock inte variationer i O 2 -halt CO-variationerna. Resultatet av lambdasondsmätningarna skulle kunna tolkas som att vid god rosttäckning förbrukas syret i primärluften nära nog fullständigt vid passagen genom bädden. Ingen eller låg O 2 uppmäts då i gasfasen strax ovan bädden. I denna situation har överluftssystemet inga svårigheter att ge stabil och låg CO ut från pannan. Uppstår genomblåsningar eller dålig rosttäckning skapas kalla stråk och partikeluppkast vilket överluften visserligen förmår reducera men inte fullständigt eliminera. Mängden mätdata är dock litet varför allt för långt dragna slutsatser bör undvikas. 6.5. NO x Nivån på NO x -emissionen skiljer sig, som förväntat, väsentligt mellan situationer med hög respektive låg torvandel i bränslet. Mätningarna visar också att det tycks finnas bränslespecifika skillnader i NO x -bildningstendens vid ändring av O 2 -halt, luftkvot och CO-koncentration. Vid eldning med hög torvandel blir NO x -bildningen känsligare för variationer i O 2 -halt än vid låg torvandel. Bildningen av NO x påverkas både av variationer i CO-koncentration och av luftkvot. Vid låg torvandel påverkas NO x -bildningen mycket lite av ökning av luftkvoten medan upprätthållande av hög luftkvot är betydelsefullt för att reducera NO x - bildningen vid hög torvandel. Vid låg torvandel påverkas NO x -bildningen väldigt lite av variationer i CO medan ökad CO sänker NO x -nivån vid hög torvandel. Generellt kan dock sägas att CO varierade på en låg nivå under försöken. 28

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:1 Det kan också konstateras att eldstadstemperaturen höjer NO x -nivån men att det inte går att se någon påverkan på eldstadstemperatur från variationer i torvandel. 7. Rekommendationer Den ökade spridningen och i viss utsträckning sänkning i roststavstemperatur på zon 1 och 2, som kan observeras vid ökad torvinblandning visar att bränslebäddens beteende ändras vid bränsleförändringar. Försök med inriktning på att mäta rosttemperaturer nära bränsleinmatningen vid stegförändringar av bränslemix kan ge värdefull information om hur styrsystemet skall svara på bränsleförändringar. De långsamma CO-variationernas koppling till bristande rosttäckning borde studeras ytterligare med hjälp av längre lambdasondsmätningar (mätserier om 3-6 minuter). Den snedhet i temperatur som iakttagits i form av högre temperaturer på pannans högra sida borde undersökas närmare. Beror det på ojämn luftfördelning, bränslefördelning eller något annat? Fortsatt arbete med att koppla effekter av roströrelser och bränslevariationer till bäddtemperaturförändringar motiverar fortsatt arbete med IR-sonder för bäddtemperaturmätningar. Designade faktorförsök med avseende på O 2 -halt, luftkvot och CO-koncentration vid hög och låg torvinblandning kan troligen ge värdefull information om hur NO x - bildningen kan minskas. Det kan innebära förslag på hur driftfönstret kan förbättras och hur ammoniakdoseringssystemets funktion kan förbättras. 8. Referenser [1] Larfeldt J. och Ramström E., Förbränningsstörningar på rost; TPS-2/28, 22 [2] Bengtsson M., Kväveföreningar i kol, torv och oljor. Litteraturstudie, Värmeforskrapport 325, 1988 [3] Oskarsson J. och Zethræus B., Etablering och utbredning av flamfront i biobränsle bädd på roster Etapp 1, Vxu-BET/2-3, Växjö universitet, 22 29

Rapportförteckning TPS Samtliga rapporter kan laddas ned från Svensk Fjärrvärmes hemsida; www.fjarrvarme.org Nr Titel Författare Publicerad FORSKNING OCH UTVECKLING TPS 1 Current Methods to Detoxify Fly Ash from Waste Incineration Christine Hallgren, Birgitta Strömberg aug-4 2 Doseringssystem för träpulverbrännare Jacek Gromulski aug-4 3 Alternativa bäddmaterial i FB/CFB-pannor Frank Zintl, Boo Ljungdahl aug-4 4 Temperaturmätningar som indikation på förbränningsströningar vid rosteldning av biobränsle Håkan Fjäder, Lars Holmström aug-4 5 Jämförande provning av pulverbrännare Niklas Berge, Lena Nyqvist, Magnus Paulander aug-4 6 Sammanställning av fasdiagram Kritiska temperaturer för förbränningsanläggningar Frank Zintl aug-4 7 Rening av flygaska Birgitta Strömberg aug-4 8 Förbränningsstörningar på rost Jenny Larfeldt, Erik Ramström 9 Oxidationskatalysatorer för rening av oförbrända rökgaser Ulf Gamer, Nader Padban 1 Henrik Brodén Nader Padban 11 Påslag och högtemperaturkorrosion ett välkänt samband? Jenny Larfeldt Frank Zintl aug-4 aug-4 aug-4 aug-4 12 Emissioner av CO, NMVOC och BTX från förbränning Birgitta Strömberg aug-4 13 Bränslematningens betydelse för CO-emissionen i FB- och CFBpannor Erik Ramström Boo Ljungdahl aug-4 14 Breddning av bränslebasen för pellets och pulverbrännare Christian Fredriksson Nader Padban Frank Zintl aug-4 24-8-26