Påverkan av partikelfraktionsfördelning på utbränningshastigheten hos träpellets

UMEÅ UNIVERSITET 27-3-15 Institutionen för Tillämpad fysik och elektronik Påverkan av partikelfraktionsfördelning på utbränningshastigheten hos träpellets Samuel Israelsson Examensarbete C-nivå 1p Högskoleingenjörsprogrammet i Energiteknik ETPC Report 7-4 Handledare: Marcus Öhman ETPC Umeå universitet Christoffer Boman ETPC Umeå universitet

Påverkan av partikelfraktionsfördelning på utbränningshastigheten hos träpellets Influence of fuel particle size distributions on the combustion characteristics of stem wood pellets Samuel Israelsson ISSN 1653-551 ETPC Report 7-4 1

FÖRORD Detta examensarbete utfördes under ht -6 vid Umeå Universitet, Energiteknik och termisk processkemi (ETPC). Examensarbetet är utfört på C-nivå och omfattar 1 poäng. Jag vill rikta ett tack till mina handledare Marcus Öhman och Christoffer Boman för deras hjälp med upplägget av förbränningsförsöken och rapporten. Jag vill även tacka Rainer Backman (ETPC) och Rolf Gref (Skogsteknik, SLU Umeå) för all hjälp med fördjupade kunskaper kring förbränningsförlopp respektive pelleteringsteknik. Umeå februari 27 2

SAMMANFATTNING Syftet med examensarbetet var att bestämma hur partikelfraktionsfördelning hos spånet före pelletering påverkar förbränningsförloppet av enskilda träpellets. Ett flertal väldefinierade pellets av stamved från tall med olika fraktionsfördelning av spån mald med traditionell hammarkvarn togs fram genom pelletering i en pilot-pelletspress. Fyra kategorier av partikelstolekar användes vid pelleteringen nämligen <1 mm, 1-1.9 mm, 1.9-4 mm och 4-8 mm. Utifrån dessa fraktioner tillverkades olika pelletskvalitéer där Finpellets bestod endast av spån mindre än 1 mm, Blandpellets bestod av en blandning av alla fyra kategorier, Mellanpellets bestod av spån mellan 1-1.9 mm och Grovpellets bestod av en blandning med 33% 1-1.9 mm och 67% 1.9-4 mm. Utöver dessa valdes en referenspellets som går att köpa ute i handeln, i detta fall Skellefteå Krafts träpellets SoLett. Därefter bestämdes pelletsens enskilda densitet och ett antal enstaka pellets med samma densitet valdes ut för studien, vilket var möjligt på alla utom SoLett. Eftersom skillnaden endast var ca 4% ansågs det dock ändå möjligt att använda den som referens. Analys av förbränningsförloppet hos enskilda pellets från respektive fraktionsstorlek utfördes i en eluppvärmd laboratorieugn där temperatur och syrehalt varierades. För att ytterligare undersöka om den ursprungliga partikelfraktionsfördelningen har betydelse producerades koks för särskild analys. Koksens vikt, längd, diameter och densitet bestämdes samt att det även genomfördes poranalys på koksen. Resultaten visade inte på någon skillnad i förloppet under pyrolysen men däremot fanns skillnader under koksförbränningen. En iakttagelse var att koksförbränningen för Blandpelletsen tog 6-8.5% längre tid än för Fin-, Mellan- och Grovpellets. Detta innebär även att den totala utförbränningstiden hos blandpelletsen var längre än för de övriga studerade pelletsarna. De bakomliggande faktorerna till de uppkomna skillnaderna i förbränningsförloppet hos de studerade träpelletsarna diskuteras i rapporten. 3

ABSTRACT The objective of this work was to determine the effect of raw material particle-size distribution on the combustion characteristics of stem wood pellets. Several well defined pellet qualities were produced from the same raw material (stem wood of pine) which had different particle-size distribution and were produced with hammer mill equipment. The pellets where produced in a laboratory pellet-press. The particle-size distribution used was distributed in four categories; <1 mm, 1-1.9 mm, 1.9-4 mm and 4-8 mm. "Fin pellets" where made from saw-dust less than 1 mm in size. "Bland pellets" where made from a mixture of all four categories. "Mellan pellets" where made from saw-dust between 1-1.9 mm in size. "Grovpellets" where made from a mixture of 67% saw-dust 1.9-4 mm and 33% 1-1.9 mm. In addition to these fuel-pellets, a reference pellet available on the market, SoLett from Skellefteå kraft, was used. The density of specific pellets was measured and a number of pellets with the same density where selected for the study. This was, however, not possible for the SoLett-pellets which had lover density then the others. The combustion characteristics of the individual pellets were determined in a laboratory scale oven at different temperature and oxygen level. To further determine the effect of raw material particle-size distribution char was produced and the char yield, shrinkage, density as well as the micro pore volume of the produced char were determined. The results showed no differences during pyrolysis. A small difference was, however, determined during the char combustion phase where the Blandpellets had a 6-8.5% longer char combustion time compared to Fin-, Mellan- and Grovpellets. A consequence of this was also a longer total combustion time for the mixed pellets. The underlying reasons for the differences in the combustion characteristics determined between the different studied pellet qualities are discussed in the report. 4

INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1. INLEDNING... 6 1.1 BAKGRUND... 6 1.2 SYFTE... 7 2. METOD... 8 2.1 NYTTJAT BRÄNSLE... 8 2.2 UGN... 9 2.3 FÖRBRÄNNINGSFÖRSÖK... 1 2.3.1 Inledande försök på Fin- och Grovpellets... 1 2.3.2 Utökade försök på Bland-, Mellan- och SoLett-pellets... 1 2.3.3 Pyrolysförsök... 1 2.4 ANALYS AV PRODUCERAD KOKS... 11 3. RESULTAT... 12 3.1 INLEDANDE FÖRSÖK PÅ FIN- OCH GROVPELLETS... 12 3.2 UTÖKADE FÖRSÖK PÅ BLAND-, MELLAN- OCH SOLETT-PELLETS... 13 3.3 KOKSUTBYTE, KRYMPNING, DENSITET OCH TOTAL MIKROPORAREA... 15 4. DISKUSSION... 16 4.1 FÖRSLAG PÅ VIDARE STUDIER... 17 5. SLUTSATS... 18 REFERENSER... 19 BILAGA 1... 2 BILAGA 2... 23 5

1. INLEDNING 1.1 BAKGRUND Vi i västvärlden har byggt vårt välfärdssamhälle som om oljetillgångarna skulle finnas för evigt, utan att egentligen ta ansvar för vilka miljöpåverkningar detta fossila energislag ger. Ett faktum idag är att miljön påverkas negativt och att oljetillgångarna faktiskt kommer att ta slut. Ett tecken på den minskade oljetillgången är det höga priset och att många länder satsar mer på alternativa former till fossila oljeprodukter. Bensinbolagen profilerar sig numer som energibolag och säljer alternativa produkter till bensin och eldningsolja som E85 och pellets. Detta leder till att vi behöver satsa på förnyelsebara och mer miljövänliga energisystem, där vi t ex använder oss av lokala energislag på ett så effektivt sätt som möjligt. Ur miljösynpunkt är ett av de mest intressanta och realistiska valen biobränslen, inte minst i arbetet med att minska utsläppen av klimatpåverkande ämnen till atmosfären. Ett av de miljövänligaste sätten att producera energi från biobränsle är genom kraftvärmeverk med rökgaskondensering där det produceras både el och fjärrvärme [1]. Dessa anläggningar är flexibla och kan anpassas efter utbudet av olika sorters biobränslen. Större anläggningar har även avancerad kontroll på hela processen så att förbränningen sker på ett effektivt sätt. Även utsläppen renas och kontrolleras så att så lite skadliga föreningar som möjligt kommer ut i atmosfären. Många i Sverige bor dock utanför områden där fjärrvärme levereras, så för att kunna använda biobränsle på dessa platser måste man använda mindre anläggningar. Dessa är känsligare än större anläggningar, t ex för variationer i bränslet, och därför krävs det att förbränningen sker på ett så kontrollerat sätt som möjligt och att bränslet håller en jämn och bra kvalité med samma förbränningsegenskaper oavsett leverans. Skulle bränslets kvalité variera så har ägaren av villabrännaren (1kW anläggning) varken kunskap eller utrustning att kontrollera och anpassa förbränningen efter bränslets varierande egenskaper [2]. Därför föredras det att dessa anläggningar eldas med automatik och med en jämn kvalité på bränslet. Det bränsle som finns i dag som ligger närmast att uppfylla dessa önskemål är träpellets. Träpellets tillverkas idag enligt svensk standard (SS 18 71 2) där man har satt gränsvärden på dimension, densitet, hållfasthet, askhalt, fukthalt, effektivt värmevärde, svavelhalt, klorhalt och asksmältförlopp. Dessa parametrar påverkar förbränningsförloppets olika faser vilket illustreras i figur 1. De tre typiska faserna i ett förbränningsförlopp är torkning, förbränning av flyktiga ämnen (pyrolys) samt koksförbränning. Figuren gäller träpellets som studerats i detta arbete, men är liknande för alla fasta bränslen. Figur 1. Från vänster till höger: Torkning, Pyrolys och Koksförbränning Det finns studier som är gjorda på träpellets med syftet att förbättra dess egenskaper, exempelvis en studie om hur pelletsens densitet, fuktupptagningsförmåga och tryckhållfasthet 6

påverkas av variationer av spånets fukthalt, temperatur och tryckvariationer vid pelletering [3]. En liknande studie kring pelletering [4] undersökte hur råvarans fukt och extraktivämnen, presstryck och presstemperatur påverkade pelletsens densitet samt fuktabsorptionsförmåga och tryckhållfasthet. Eldningstester med olika pelletskvalitéer har även genomförts i en studie [5] där man undersökte hur pellets från olika pelletsfabriker med varierande diameter påverkar utsläppen från pelletsbrännare och pelletskaminer. Något som dock ej studerats tidigare och som svensk standard inte tar hänsyn till är om träspånets storlek och fördelning (partikelfraktionsfördelning) innan pelletering har någon inverkan på förbränningsförloppet. Denna partikelfraktionsfördelning av träspånet kan variera från olika tillverkare idag på grund av val av kvarnar, råmaterial och tillverkningsprocess [6]. 1.2 SYFTE Syftet med examensarbetet var därför att bestämma hur partikelfraktionsfördelning hos träspånet före pelletering påverkar förbränningsförloppet hos enskilda träpellets. 7

2. METOD 2.1 NYTTJAT BRÄNSLE Råmaterialet till pelletsen var tall skördat i Härnösandstrakten. Stamveden från dessa maldes i en hammarkvarn (SCA's pelletsfabrik i Härnösand) och torkades till en fukthalt på ca 1%. Tallspånet siktades och separerades i fyra fraktionsintervaller, se tabell 1. Från dessa tillverkades träpellets vid SLU Röbäcksdalen i Umeå i en pilotpress (SPC 3) med en produktionskapacitet på 2-3 kg/h. Presslängd i matrisen var 55 mm och matrisens temperatur varierade mellan 7-8 C. Pelletsen ur denna matris höll en temperatur på 96-14 C. Ingen ånga tillfördes i tillverkningsprocessen. Tabell 1. Data på testad pellets hämtat från pågående arbete [7], ± indikerar standardavvikelse (std) Partikelstolek (mm) Fukthalt I mixen (%) Bulk densitet (kg/m 3 ) <1 1-1.9 1.9-4 4-8 Benämning av mix Blandning (%) Fin D2 1 9.5 713 ± Bland D7 34 42 2 4 1.2 719 ± 6 Mellan D3 1 9.5 7 ± Grov D6 33 67 1.2 711 ± 7 Utöver dessa valdes en referenspellets som går att köpa ute i handeln, i detta fall Skellefteå Krafts träpellets SoLett. De olika enskilda pelletserna av olika kvalitéer slipades sedan till en cylinder med en vikt på.5 g. Därefter mättes diametern och längden med skjutmått och pelletsens enskilda densitet bestämdes (se tabell 2). Från dessa fem sorter valdes sedan ett antal pellets ut med samma densitet, vilket var möjligt på alla utom SoLett. Eftersom skillnaden endast var ca 4% ansågs det dock ändå möjligt att använda den som referens. Tabell 2. Nyttjad pellets, 1 baserat på 16 pellets, 2 baserat på 8 pellets, ± indikerar std Pellets Vikt (g) Längd (mm) Diameter (mm) Densitet (kg/m 3 ) Fin 1.5 ±.1 7.56 ±.9 8.17 ±.5 1262 ± 9 Bland 2.5 ±.1 7.63 ±.7 8.1 ±. 1273 ± 11 Mellan 2.5 ±.1 7.7 ±.14 8.1 ±.8 1261 ± 15 Grov 1.5 ±.1 7.63 ±.7 8.11 ±.4 1269 ± 15 SoLett 2.5 ±.1 7.79 ±.6 8.21 ±.4 1212 ± 1 8

2.2 UGN Ugnen är eluppvärmd och temperaturen är varierbar mellan 5-1 C. Ugnens volym är på ca 3.5 l och har innermåttet 13.4*13.5*2.1 cm (B*H*D). Ugnstemperaturen styrs m h a en regulator (Euroterm) med tillhörande termoelement av typ N. Termoelementet är placerat ca 3 cm bakom korgen vid förbränning. Provbiten (träpellets i detta fall) placeras i en provhållare som är tillverkad av finmaskigt nät i rostfritt stål. Ugnen hissas upp av en tryckluftcylinder samtidigt som luckan öppnas så att provhållaren hamnar mitt i ugnen. När provhållaren befinner sig mitt i ugnen så tätar tätningspluggen öppningen och provhållaren hänger endast i analysvågen (Mettler Toledo PB53-s/FACT ±.1 g). Hela förloppet sker helt automatiskt. Data från vågen loggas och kan plottas t ex i ett vikt-tid diagram. Figur 2. Uppställning av ugn. Figur 3. Förstoring av laddningsstället. Atmosfären i ugnen och laddningsstället kan varieras oberoende av varandra med hjälp av separata flödesmätare. I ugnen tillförs gasblandningen via rostret som är fyllt med metallspån vilket medför att gasblandningen blir uppvärmd till ugnens temperatur innan det kommer in i förbränningsutrymmet. Rostret består av en stålplatta med ett sort antal små hål som gasblandningen passerar genom, vilket ger god gasomblandning i ugnen. Gasflödet kan varieras med luftflödesmätare mellan 3-15 l/min. Syrehalten varieras med olika blandningar av kvävgas och tryckluft (torkad och filtrerad). Ugnen håller ett lätt övertryck, så även laddningsstället när laddningsluckan är stängd, vilket medför att endast gas från flödesmätarna kommer i kontakt med provet under förbränningsförsöken. Hela förbränningsförloppet filmas genom ett inspektionsglas i ugnen och utifrån detta kan tork-, pyrolys- och koksförbränningstider bestämmas. Torktiden definieras i detta fall som tiden från det att ugnen är helt upphissad och pelletsen har den position den kommer att befinna sig i under hela förbränningsförloppet fram till det att den första lågan blir synlig. Pelletsen kommer i denna ugn att torka till viss del innan den definierade torktiden börjat, vilket innebär att ett visst systematiskt fel uppstår vad gäller torktiden. Pyrolystiden i detta fall räknas från det att lågan blir synlig tills den helt slocknat. Koksförbränningstiden definieras från det att lågan slocknat tills glöden slocknat. Inledande tester med 8 mm träpellets (standardpellets) utfördes för att bestämma vilket luftflöde som skulle användas under de "skarpa" förbränningsförsöken. Utifrån detta test valdes luftflödet till det maximala flödet som går att använda utan att temperaturvariationerna i ugnen översteg ±1, vilket i detta fall visade sig vara 15 Nl/min. Ett så högt luftflödet som möjligt är önskvärt för att maximera turbulensen intill pelletsens yta. 9

2.3 FÖRBRÄNNINGSFÖRSÖK 2.3.1 Inledande försök på Fin- och Grovpellets Inledande försök utfördes på Fin- och Grovpellets för att ge en indikation om betydelsen av fraktionsstoleken vid förbränningsförloppet (se försöksplanen till vänster i figur 4). Punkten med 1 C antas likna det förhållande som råder på ett roster i en pelletsbrännare av standardtyp och 8 C valdes för att simulera långsammare förbränningen vid lägre temperatur vilket även leder till att små variationer under förbränningsförloppet är lättare att upptäcka. Syrehalten varierades mellan 1 respektive 21 %. Fyra replikat experiment av varje pelletssort utfördes vid varje försöksinställning. 2.3.2 Utökade försök på Bland-, Mellan- och SoLett-pellets Efter sammanställning av de inledande försöken beslöts att Bland-, Mellan- och SoLett-pellets skulle eldas enligt försöksplanen till höger i figur 4 med fyra replikat av varje pellets. Två inställningar uteslöts således eftersom de inte ansågs tillföra någon ytterligare information om huruvida partikelfraktionsstorleken påverkar förbränningsförloppet. Figur 4. Försöksplan där X indikerar genomfört försök 2.3.3 Pyrolysförsök Eftersom vissa skillnader kunde konstateras under koksförbränningen så karaktäriserades koksen från Fin-, Bland-, Grov- och SoLett-pellets mer noggrant. Pyrolysförsökens inställningar och slipningsprocessen av pellets var samma som vid förbränningsförsöken vid 8 C och 1 C (se figur 4 höger och tabell 3). Tabell 3. Pellets för pyrolysförsök baserat på 8 pellets, ± indikerar std Pellets Vikt (g) Längd (mm) Diameter (mm) Densitet (kg/m 3 ) Fin.5 ±.1 7.66 ±.7 8.1 ±. 1266 ± 13 Bland.5 ±.1 7.65 ±.8 8.1 ±. 1267 ± 11 Grov.499 ±.1 7.6 ±.5 8.11 ±.4 1269 ± 8 SoLett.5 ±.1 7.84 ±.11 8.2 ±.5 129 ± 11 Koksen framställdes genom att avbryta eldningen när pyrolysfasen slutat (lågan slocknat). Koksåterstoden lyftes därefter upp till laddningsstället där en atmosfär av kvävgas kylde koksen så att ej någon koksförbränning startade. När koksen kylts färdigt flyttades den till ett exikatorskåp för torkning. 1

2.4 ANALYS AV PRODUCERAD KOKS Utifrån de inledande pyrolysförsöken utfördes mätningar av koksens vikt, längd och diameter. Vid dessa försök visade det sig att koksen lätt föll isär vilket innebar att längd och diameter inte kunde mätas med skjutmått utan att koksen föll sönder. Därför valdes att fotografera koksen genom en lupp på millimeterpapper. Efter 32 timmar i exikatorskåp vägdes koksen och varje koksbit fotograferades därefter på fram (figur 5) och baksidan (figur 6) d v s koksen roterades 18 mellan det att korten togs. Längd och diameter uppskattades med en noggrannhet som bedömdes till ±.25 mm. Från dessa data bestämdes sedan pelletsens koksutbyte (m/m ), krympning/expansion i längd (l/l ) och diameter (d/d ) efter pyrolys. Även den producerade koksens densitet uppskattades. På koksprov från Grov-, Fin-, Bland- och SoLett-pellets från försöken vid 8 C och 1% O 2 utfördes dessutom poranalyser av Kemisk Teknolgi vid KTH för att bestämma totala porarean enligt BET-standardmetod. Figur 5. Koks framsida Figur 6. Koks baksida 11

3. RESULTAT 3.1 INLEDANDE FÖRSÖK PÅ FIN- OCH GROVPELLETS Resultat från det inledande försöket redovisas i figur 7. Här framgår att under pyrolysen har den ursprungliga partikelfraktionsstorleken på spånet ingen inverkan. Däremot har temperaturen och syrehalten en viss inverkan på pyrolysen för både Fin- och Grovpellets. Det framgår även att under koksförbränningen har spånets ursprungliga partikelfraktionsfördelning ingen inverkan. Däremot är koksförbränningen beroende av både syrehalt och temperatur. Torktiden är beroende endast av temperaturen vilket är svårt att se i figuren men syns i ursprungsdata. 45 4 35 3 Tid (s) 25 2 Totaltid Torktid Pyrolys Koksförbränning 15 1 5 Grov, 1 C, 21%O2 Fin, 1 C, 21%O2 Grov, 1 C, 1%O2 Fin, 1 C, 1%O2 Grov, 8 C, 21%O2 Fin, 8 C, 21%O2 Grov, 8 C, 1%O2 Fin, 8 C, 1%O2 Figur 7. Inledande jämförelse av tork-, pyrolys-, koksförbrännings- och total utförbränningstid vid varierande syrehalt och temperatur för Fin- och Grovpellets. 12

3.2 UTÖKADE FÖRSÖK PÅ BLAND-, MELLAN- OCH SOLETT-PELLETS I figur 8 framgår att Fin-, Bland-, Mellan- och Grovpellets endast skiljer sig åt under koksförbränningen och då är det Blandpelletsens koksförbränning som tar 8.5% längre tid. Därmed blir också total utförbränningstid längre för blandpelletsen i relation till övriga. Förbränningsförloppet hos referensträpelletsen liknar i stort de övriga pelletsarnas förbränningsförlopp. Referenspelletsen har dock en kortare koksförbränningstid och därmed också en kortare total utförbränningstid i jämförelse med de övriga pelletsarna. Då refrenspelletsen ej har samma råvara som de övriga pelletsarna är det dock vanskligt att diskutera/dra slutsatser varför koksförbränningstiden är kortare. 18 16 14 12 Tid (s) 1 8 Totaltid Toktid Pyrolys Koksförbränning 6 4 2 Fin Bland Mellan Grov SoLett Figur 8. Pyrolys-, koksförbrännings- och total utföbränningstid vid 1 C, 21% O 2, 15Nl/min I bilaga 1 redovisas bilder från koksförbränningen från Fin-, Bland-, Mellan-, Grov- och SoLett-pellets, både vid 8 C och 1 C. Vid 1 C syns tydligt att Blandpelletsen krymper mera än de övriga innan den slocknar. Bilaga 2 redovisar viktkurvor från förbränningsförsöken vid 8 C och 1 C. En jämförelse mellan lutningarna på kurvorna hos Fin-, Bland-, Mellan-, Grov- och SoLett-pellets vid 1 C visar att viktkurvorna under pyrolys liknar varandra. Under koksförbränningen finns små skillnader vilket beror på att koksförbränningen tar längre tid för Blandpelletsen och koksförbränningen för referenspelletsen är kortare än för Fin-, Mellan och Grovpellets. 13

Figur 9 visar samma mönster som i figur 8 och i detta fall tar Blandpelletsens koksförbränning 6% längre tid i jämförelse mot Fin-, Mellan- och Grovpellets. Därmed blir också total utförbränningstid längre för Blandpelletsen. 45 4 35 3 Tid (s) 25 2 Totaltid Toktid Pyrolys Koksförbränning 15 1 5 Fin Bland Mellan Grov SoLett Figur 9. Pyrolys-, koksförbrännings- och total utföbränningstid vid 8 C,1%O 2, 15Nl/min. Bilaga 1 redovisar bilder från koksförbränningen från Fin-, Bland-, Mellan-, Grov- och SoLett-pellets både vid 8 C och 1 C. Vid 8 C syns ingen tydlig skillnad som vid 1 C. Bilaga 2 redovisar viktkurvor från förbränningsförsöken vid 8 C och 1 C. Jämförelse mellan lutningarna på kurvorna hos Fin-, Bland-, Mellan-, Grov- och SoLettpellets vid 8 C visar att viktkurvorna under pyrolys liknar varandra. Under koksförbränningen finns små skillnader vilket beror på att koksförbränningen tar längre tid för Blandpelletsen och koksförbränningen för referenspelletsen är kortare än för Fin-, Mellanoch Grovpellets. 14

3.3 KOKSUTBYTE, KRYMPNING, DENSITET OCH TOTAL MIKROPORAREA Tabell 4 och 5 redovisar krympningen i längd och diameter samt koksutbyte och densitet vid 1 C och 21% O 2 respektive 8 C och 1% O 2. Vid 1 C syns en liten tendens att Blandpelletsen krymper mer i längdled och har även en uppskattningsvis högre densitet och koksutbyte än Fin- och Grovpellets. Även referenspelletsen som också består av en blandning av olika partikelstorlekar krymper mer i längdled än pelletsen producerad av en fin och grov fraktion. Liknande tendenser för Blandpelletsen går ej att skönja vid 8 C. Det enda är att pellets från finfraktion gav liknande tendensen vid 8 C som Blandpellets gav vid 1 C. Detta är däremot mindre synligt, speciellt gällande längdminskning. Poranalyserna visar ej på några större skillnader i mikroporarea mellan de analyserade koksproverna, vilket redovisas i tabell 5. Tabell 4. Kokskrympning i längd (l/l ) och diameter (d/d ). Koksutbyte (m/m ), och koksdensitet. Koksen producerad vid 1 C och 21% O 2. 2 baserat på 3 pellets, ± std Koks l/l (%) d/d (%) m/m (%) Densitet (kg/m 3 ) Fin 2 97 ± 1 86 ± 1 11.4 ±.1 196 Bland 2 95 ± 1 89 ± 1 11.6 ±.1 2 Grov 2 11 ± 1 87 ± 1 11. ±.1 182 SoLett 2 94 ± 1 88 ± 1 11.2 ±.1 193 Tabell 5. Kokskrympning i längd (l/l ) och diameter (d/d ). Koksutbyte (m/m ), och koksdensitet. Koksen producerad vid 8 C och 1% O 2. 1 baserat på 4 pellets, 2 baserat på 3 pellets, ± std Koks l/l (%) d/d (%) m/m (%) Densitet (kg/m 3 ) BET-porarea (m 2 /g) Fin 2 94 ± 1 85 ± 1 14. ±.1 26 297 Bland 1 96 ± 1 88 ± 1 13.8 ±.1 238 282 Grov 2 96 ± 1 87 ± 1 13.4 ±.1 231 245 SoLett 1 9 ± 1 87 ± 1 13.4 ±.1 234 212 15

4. DISKUSSION Det verkar föreligga en viss skillnad i förbränningsförloppet hos pellets tillverkad av spån i de olika fraktionsfördelningar som studerats i detta arbete. Skillnaden visade sig under koksförbränningen där Blandpellets tog 8.5% längre tid än motsvarande för Fin-, Mellan- och Grovpellets vid 1 C och 21% O 2, samt 6% längre tid vid 8 C och 1% O 2. Vid 1 C, där skillnaden är som störst i tid, syns också en skillnad på bilderna tagna av koksförbränningen (bilaga 1). Bilderna visar att Blandpelletsens koks krymper mera innan den slocknar, vilket kan tolkas som att reaktionen (oxidering av koks) nästan uteslutande sker på ytan, d v s koksen förbränns utifrån och in. Detta till skillnad från bilderna av koksförbränningen av Fin-, Mellan-, Grov- och SoLett-pellets, där reaktionen med syret även verkar ske inne i koksen, d v s hela koksen förbränns samtidigt. Detta ser man genom att bilderna två sekunder innan koksförbränningen är över klart visar större koks för dessa pellets jämfört med koksen för Blandpelletsens i samma tidpunkt. De raka kurvorna i slutfasen av viktkurvorna i diagrammen i bilaga 2 styrker resonemanget om att koksförbränningen för Fin-, Mellan-, Grov- och SoLett-pellets sker både på utsidan som på insidan. Om reaktionen endast skulle ha skett på utsidan skulle viktkurvan ha böjt av och visat en kraftig viktminskning under de två sista sekunderna. I tabell 4 syns en liten tendens att Blandpelletsens koks vid längdmätning efter pyrolys är kortare. Orsaken till detta är att koksen har färre synliga sprickor jämfört med övriga. Dessa sprickor påverkar endast koksens längd, medan diametern inte påverkas. Dessa sprickor kan dock vara den avgörande orsaken till huruvida koksförbränningen sker endast på ytan eller även inuti själva koksmaterialet. Vid 8 C och 1% O 2 är det mindre skillnad i koksförbränningstid och inga tydliga resultat från bilder och längdmätning av koks kan säkerställas. Den mindre skillnaden i tid medför troligtvis även mindre skillnader mellan bilder och längder vilket då blir svåra att upptäcka. Orsaker till den mindre skillnaden kan vara att temperaturen är lägre och syrehalten är under hälften av vad den är i försöken vid 1 C. Mikroporareans små variationer mellan Fin-, Bland-, Grov- och SoLett-pellets går ej att koppla till något annat resultat vilket kan antyda att dessa mikroporer som studerats med den aktuella metoden är för små för att ha inverkan på koksförbränningen. Eftersom det i denna studie visade sig att betydelsen av variationerna i partikelfraktionsfördelning hos spånet före pelletering är små och endast sker under koksförbränningen, är denna effekt på förbränningsförloppet totalt sett sannolikt försumbar i jämförelse med påverkan av t ex skillnader i konstruktionslösningar (t ex rosterutformning) hos olika pelletsbrännare. Resonemanget att förbränningsförloppets skillnader är sannolikt försumbara styrks ytterligare av koksutbytet i tabell 4 och 5. Ur dessa tabeller ser man att koksens massa vid 1 C endast är ca 11% av den ursprungliga massan och vid 8 C ca 14% av den ursprungliga massan. Detta betyder att under koksförbränningen avgår en klart mindre mängd energi i jämförelse med energiavgången under pyrolysen. 16

Detta kan betyda att det finns besparingar att göra vid pelletstillverkningen eftersom man då inte behöver mala spånet i lika stor utsträckning vilket i sin tur leder till besparingar i el och slitagekostnader på malningsutrustningen. Detta utifrån att förbränningsförloppet från pellets tillverkade av grova fraktioner ej skiljer sig åt från pellets tillverkade av fina fraktioner. 4.1 FÖRSLAG PÅ VIDARE STUDIER Några möjliga intressant frågeställningar att arbete vidare med kan vara: * Om pelletspressar mal spånet under tillverkning av träpellets? Om och i så fall hur förändras träspånets partikelfraktionsfördelning i en pelletspress. *Möjligheten att designa träpellets med innehållande partikelfraktionsfördelning som passar specifika önskemål från t ex pulvereldade värmeverk där partikelfraktioner av en viss storlek är önskvärda. *Vid slipningen av träpellets till en cylinder visade sig det att små bitar från den ena kanten lätt lossnade och ledde till många kasseringar. Denna sida, som lätt föll sönder, är den som kommer först ur pelletsmatrisen medan den andra sidan (ändan) av pelletsen höll ihop utan problem. Eftersom klagomål på att pellets har problem att hålla ihop och mindre bitar (finfraktion) skapas från detta, kan det vara intressant att undersöka orsaken till detta och om det går att undvika genom justeringar i pelleteringmetoden. 17

5. SLUTSATS Det finns en tydlig men förhållandevis liten skillnad i förbränningsförloppet mellan pellets som är tillverkad av olika fraktionsstorlekar. Ingen skillnad kunde ses under pyrolysen utan endast under koksförbränningen. Pellets med en blandad storleksfraktion (Blandpelletsen) tar signifikant längre tid vid såväl 1 C och 21% O 2 (+8.5%) som vid 8 C och 1% O 2 (+6.%) i jämförelse med alla övriga studerade pelletskvaliteerna. Detta innebär även att den totala utförbränningstiden hos Blandpelletsen är längre än den övriga pelletsen. Denna skillnad i koksutbränningsförlopp är dock sannolikt av underordnad betydelse i praktisk användning i jämförelse med t ex utformning av förbränningsutrustningen. 18

REFERENSER [1] Miljöanpassad effektiv uppvärmning och elanvändning. Statens Energimyndighet, 1998. ISBN 91-89184-7-6 [2] Bachs, A. -Miljön och småskalig pelletseldning Rökgasemissioner från småskalig pelletseldning, 1997, Närings- och teknikutvecklingsverket [3] Rhén, C., Gref, R., Sjöström, M., Wästerlund, I., -Effects of raw material moisture content, densification pressure and temperature on some properties of Norway spruce pellets, Fuel Processing Technology 87 (25) 11 16 [4] Bergström, D. Pelletering av Tallspån grundläggande studier, 25, SLU Studentuppsatser nr 8 [5] Bachs, A., Dahlström, J., Persson, H., Tullin, C., -Eldningstester med olika pelletskvalitéer. 1999, Energimyndigheten, ISSN 143-1892 [6] Jirjis, R., Öhman, M., Vintrebäck, J., Pelletskvalitet påverkan av råvaruegenskaper och tillverkningsprocess, Institutionen för bioenergi, Uppsala, 26, Rapport 14, ISSN 1651-72 [7] Bergström, D. Skogsteknik SLU Umeå, Influence of raw material particle-size distribution on fuel-pellet characteristics, Pågående studie 19

BILAGA 1. Fin (D2) Sek 3sek 6sek 9sek 96.5sek 98.5sek 1.5sek Bland (D7) Sek 3sek 6sek 9sek 14.5sek 16.5sek 18.5sek Mellan (D3) Sek 3sek 6sek 9sek 97sek 99sek 11sek Grov (D6) Sek 3sek 6sek 9sek 96sek 98sek 1sek SoLett Sek 3sek 6sek 86sek 88sek 9sek Figur 1. Bilder från koksförbränning av Fin-, Bland-, Mellan-, Grov- och SoLett-pellets vid 1 C, 21% O 2 och 15Nl/min. De tre sista bilderna är tagna med 2 sekunders mellanrum. Tiden anger medeltid av de fyra replikaten och bilderna är tagna från en pellets som väl representerar medelvärdet av de fyra replikaten. 2

Fin (D2) Sek 3sek 6sek 9sek 12sek 15sek 18sek 21Sek 24sek 27sek 3sek 321sek 323sek 325sek Bland (D7) Sek 3sek 6sek 9sek 12sek 15sek 18sek 21Sek 24sek 27sek 3sek 33sek 349.5sek 351.5sek 353.5Sek Mellan (D3) Sek 3sek 6sek 9sek 12sek 15sek 18sek 21Sek 24sek 27sek 3sek 328sek 33sek 332sek 21

Grov (D6) Sek 3sek 6sek 9sek 12sek 15sek 18sek 21Sek 24sek 27sek 3sek 325.5sek 327.5sek 329.5sek SoLett Sek 3sek 6sek 9sek 12sek 15sek 18sek 21Sek 24sek 27sek 284.5sek 286.5sek 288.5sek Figur 2. Bilder från koksförbränning av Fin-, Bland-, Mellan-, Grov- och SoLett-pellets vid 8 C, 1% O 2 och 15Nl/min. De tre sista bilderna är tagna med 2 sekunders mellanrum. Tiden anger medeltid av de fyra replikaten och bilderna är tagna från en pellets som väl representerar medelvärdet av de fyra replikaten. 22

BILAGA 2. Viktkurvor från förbränningsförsök. Viktkurorna visas från det försök som liggen närmast medlet både när det gäller Tork-, Pyrolys-, koksförbränningstider och lutningar på kurvorna. Första pilen från vänster i diagrammen visar när pyrolysen slutar och den andra indikerar när koksförbränningen är slut.,6,5,4 Vikt (g),3,2,1 6 12 18 24 3 36 42 48 54 6 66 72 78 84 9 96 Tid (s) Figur 1. Finpellets (D2). 1 C, 21%O 2, 15Nl/min 12 18 114 12 126 132 138 144 15 23

,6,5,4 Vikt (g),3,2,1 6 12 18 24 3 36 42 48 54 6 66 72 78 84 9 96 Tid (s) Figur 2. Blandpellets (D7), 1 C, 21%O 2, 15Nl/min 12 18 114 12 126 132 138 144 15,6,5,4 Vikt (g),3,2,1 6 12 18 24 3 36 42 48 54 6 66 72 78 84 9 96 Tid (s) Figur 3. Mellanpellets (D3), 1 C, 21%O 2, 15Nl/min 12 18 114 12 126 132 138 144 15 24

,6,5,4 Vikt (g),3,2,1 6 12 18 24 3 36 42 48 54 6 66 72 78 84 9 96 Tid (s) Figur 4. Grovpellets (D6), 1 C, 21%O 2, 15Nl/min 12 18 114 12 126 132 138 144 15,6,5,4 Vikt (g),3,2,1 6 12 18 24 3 36 42 48 54 6 66 72 78 84 9 96 Tid (s) Figur 5. SoLett-pellets, 1 C, 21%O 2, 15Nl/min 12 18 114 12 126 132 138 144 15 25

,6,5,4 Vikt (g),3,2,1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 Tid (s) Figur 6. Finpellets (D2), 8 C, 1%O 2, 15Nl/min,6 24 26 28 3 32 34 36 38 4 42,5,4 Vikt (g),3,2,1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 Tid (s) Figur 7. Blandpellets (D7) 8 C, 1%O 2, 15l/min 24 26 28 3 32 34 36 38 4 42 26

,6,5,4 Vikt (g),3,2,1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 Tid (s) Figur 8. Mellanpellets (D3), 8 C, 1%O 2, 15Nl/min,6 24 26 28 3 32 34 36 38 4 42,5,4 Vikt (g),3,2,1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 Tid (s) Figur 9. Grovpellets (D6), 8 C, 1%O 2, 15Nl/min 24 26 28 3 32 34 36 38 4 42 27

,6,5,4 Vikt (g),3,2,1 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 Tid (s) Figur 1. SoLett-pellets, 8 C, 1%O 2, 15Nl/min 24 26 28 3 32 34 36 38 4 42 28