bränslematningens betydelse för co-emissionen i fb- och cfb-pannor

bränslematningens betydelse för co-emissionen i fb- och cfb-pannor Erik Ramström och Boo Ljungdahl Forskning och Utveckling TPS 24:13

BRÄNSLEMATNINGENS BETYDELSE FÖR CO-EMISSIONEN I FB- OCH CFB-PANNOR Forskning och Utveckling TPS 24:13 Erik Ramström och Boo Ljungdahl ISSN 141-9264 24 Svensk Fjärrvärme AB Art nr TPS 24:13

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 24:13 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 24:13 Sammanfattning Förhöjda utsläpp av oförbrända gaser, främst CO, kan uppstå dels på grund av en otillräcklig omblandning i eldstaden och dels på grund av att förbränningsförhållandena varierar i tiden. Om gaserna finns men kraftiga tidsvariationer saknas kan man utgå från att problemet orsakas av att omblandningen i eldstaden är otillfredsställande. Om det däremot finns kraftiga variationer i tiden kan orsaken vara ojämn matning av bränslet eller ett felaktigt intrimmat reglersystemet. Detta arbete hade som målsättningen att identifiera och kvantifiera vilka faktorer i försörjningen av bränsle och förbränningsluft som kan förväntas vara mest kritiska för att upprätthålla låga emissioner från fluidbäddpannor, samt att ta fram en metod för hur problemen enkelt och snabbt kan identifieras och kopplas tillbaka till pannans drift. Genom analys av driftdata från ett antal pannor har följande områden identifierats kunna ge problem med CO-spikar: Varierande fyllnadsgrad i bränsleskruvar och silos. Problemet förstärks om luftflödet är framkopplat mot skruvvarvtalet. Hängningar och variationer i nivån i bränslesilos orsakar svängningar i bränslematningen. För snabbt ställda lastregulatorer kan ge svängningar speciellt om luftflödena är framkopplade mot begärd last. Regleringen av bäddtemperaturen, framför allt med styrning av recirkulerad rökgas, har i några fall visats ge upphov till svängningar som kan orsaka COspikar. En ojämn inmatning av bränsle över tvärsnittet hade mindre effekt än väntat. Dock var inte effekten försumbar. En betydande del av problemen härrör från periodiska variationer i bränsleoch lufttillförsel. Detta gör frekvensanalys till ett effektivt verktyg, för att ta reda på upphovet till variationerna. Ingen av de undersökta anläggningarna saknar helt periodiska svängningar. 5

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 Innehållsförteckning 1. Bakgrund...9 1.1. Konstanta förhållanden i tiden... 9 1.2. Hängningar, varierande bränsleflöde i tiden... 1 1.3. Variationer mellan olika inmatningspunkter, stråkbildning... 11 1.4. Reglersystem... 11 1.5. Omblandning och uppehållstidsfördelning... 12 1.6. Sammanfattning... 13 1.7. Målsättning... 13 2. Genomförande...13 2.1. Urvalskriterier... 13 2.1.1. Enkät... 13 2.1.2. Processdata från den normala datainsamlingen... 13 2.2. Fältmätningar... 14 2.2.1. Känslighet för stråkbildning... 14 3. Metod att analysera mätdata...14 3.1. Bedömning av tidsvariationer... 14 3.1.1. Frekvensanalys... 14 3.1.2. Korrelationsanalys... 15 3.1.3. Möjligheter att analys av processdata och reglersystem... 17 3.2. Bedömning av känslighet för stråkbildning i sidled... 17 3.2.1. Mätsonder... 18 4. Resultat...19 4.1. Enkätsvar och analys av processdata för olika verk... 19 4.1.1. Idbäcksverken FB-panna... 19 4.1.1.1. Beskrivning av bränslesystem... 19 4.1.1.2. Processdata... 19 4.1.2. Eskilstuna FB-panna... 22 4.1.2.1. Beskrivning av bränslesystem... 22 4.1.2.2. Processdata... 22 4.1.3. Nymölla FB-panna... 26 4.1.3.1. Beskrivning av bränslesystem... 26 4.1.3.2. Processdata... 27 4.1.4. Skellefteå CFB-panna... 3 4.1.4.1. Beskrivning av bränslesystem... 31 4.1.4.2. Processdata... 31 4.1.5. Brista CFB-panna... 34 4.1.5.1. Beskrivning av bränslesystem... 34 7

4.1.5.2. Processdata... 34 4.1.6. Högdalen CFB-panna... 37 4.1.6.1. Beskrivning av bränslesystem... 37 4.1.6.2. Processdata... 37 4.1.7. Gävle FB-panna... 4 4.1.7.1. Beskrivning av bränslesystem... 41 4.1.7.2. Processdata... 41 4.1.8. Viken CFB-panna... 44 4.1.8.1. Beskrivning av bränslesystem... 44 4.1.8.2. Processdata... 44 4.1.9. Söderenergi FB-panna... 44 4.1.9.1. Beskrivning av bränslesystem... 45 4.1.9.2. Processdata... 45 4.2. Fältmätningar... 48 4.2.1. Urval av pannor... 48 4.2.2. Beskrivning av respektive pannas reglersystem och algoritm... 48 4.2.2.1. Gävle... 48 4.2.2.2. Oslo... 49 4.2.3. Känslighet för snedfördelning av bränsle... 5 4.2.3.1. Gävle... 5 4.2.3.2. Viken... 53 4.2.3.3. Utvärdering av signaler från mätsonder... 53 4.2.4. Frekvensanalyser... 54 4.2.4.1. Viken... 54 4.2.4.2. Försök att identifiera orsak till svängningar i systemet... 56 4.2.4.3. Gävle... 59 4.2.4.4. Försök att identifiera orsak till svängningar i systemet... 6 5. Diskussion... 65 5.1. Utvärdering av processdata från olika verk... 65 5.1.1. Känslighet för snedfördelning av bränsle... 66 5.1.1.1. Gävle... 66 5.1.1.2. Viken... 66 5.1.2. Utvärdering av data från fältmätningar... 67 5.1.3. Utvärdering av metodik... 67 5.1.3.1. Frekvensanalys... 67 5.1.3.2. Känslighet för snedfördelning av bränsle... 68 6. Slutsatser... 68 7. Referenserenser... 7

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 1. Bakgrund För att åstadkomma en god utbränning av rökgaserna samtidigt med låga emissioner av kväveoxider vill man i teorin utforma förbränningsanordningen så att den inleds med en zon med perfekt omblandning. Denna skall följas av en zon med pluggflöde, dvs. ingen omblandning, innan rökgaserna kyls. Förhållandena skall dessutom vara konstanta i tiden. I praktiken är dock detta i det närmaste omöjligt, vilket förklarar de tillkortakommanden som finns med avseende på utsläpp av både CO och kväveoxider. I följande text görs ett försök att belysa konsekvenserna av olika svagheter i bränsleoch reglersystemet: 1.1. Konstanta förhållanden i tiden Detta innebär att ett homogent bränsle måste användas och att dess tillförsel inte får variera kring medelvärdet. Det samma gäller för tillförd förbränningsluft och recirkulerade rökgaser. Ett homogent bränsle är naturligtvis en utopi. Svängningar i de olika flödena finns dessutom alltid initierade mer eller mindre av reglersystemet. Tillförsel av fast bränsle är aldrig kontinuerligt, utan kan förenklat beskrivas som en satsvis matning med mer eller mindre hög frekvens. Detta förorsakar problem med att upprätthålla konstanta förhållanden främst i mindre anläggningar. Ett enkelt sätt att visualisera detta är att tänka sig ett bränsle med formen av en kub. Kubens densitet är 1 kg/m 3 och det effektiva värmevärdet 1 MJ/kg. Sedan förutsätter vi en drift med konstant medellast. Vi kan då beräkna hur många bränslestycken per sekund som måste tillföras för att upprätthålla effekten. Detta visas i nedanstående diagram. Bild 1 Bränslematning, antal bränslestycken per sekund som funktion av bränslets storlek och pannans effekt. (Hög densitet, 1 kg/m 3 ). antal bränslestycken per sekund [-] 1 1 1 1 1 1 1,1,1 ρ p = 1 kg/m 3, H eff = 1 MJ/kg kub 5 mm kub 1 mm kub 25 mm kub 5 mm kub 1 mm 1E-3 1E-3,1,1 1 1 1 1 Effekt [MW] Även om flyktavgången - långsammare och jämnare ju större partikel - delvis jämnar ut förloppet är det mycket tydligt att stora bränslestycken i mindre pannor blir 9

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:12 förödande. Å andra sidan ser vi att är pannans effekt större än ca 1 MW så är matningsfrekvensen större än 1 Hz även för de största bränslepartiklarna. Slutsatsen av detta är att ju mindre panna man har desto mindre storlek för bränslestyckena bör användas. I praktiken är det dock ofta tvärtom. Ett extremfall är ju en villapanna som eldas med helved! I de större pannorna bör inte bränslets styckestorlek orsaka problem med svängningar i luftöverskott och emissioner. Situationen är dock något värre än vad som beskrivits i ovanstående analys eftersom det sällan finns möjlighet att mata bränslestycke för bränslestycke. Det är istället tömning ur skruvar och rasvinklar i stup som är styrande. Detta gör att varje sats bränsle som tillförs eldstaden kommer att bestå av ett antal bränslepartiklar. De vanligaste sätten att transportera bränslet ifrån dagsilon är att använda en stokermatning eller en levande skruv botten. Matningen sker till ett stup eller dylikt där en skruv med högre hastighet, maximalt 3-6 varv/minut, tar vid. Om vi utgår ifrån skruvar som tömmer en längd motsvarande dess diameter per varv (22.5 stigning) kan följande samband ställas upp för en skruv: P H eff 3 ( d d d ) ρ f π 2 y y i = 4 b Skruvarna måste ha en höjd som garanterar att de största bränslestyckena kan bäras med. Vi kan utgå ifrån att diametern måste vara åtminstone 3 cm. Vi får då att hastigheten blir ca.1 varv per sekund och MW (ett halvt varv per minut) för en axellös skruv. Vi utgår vidare ifrån att det finns en utmatningsskruv per 1 MW, dvs. att hastigheten är ca.1 varv per sekund (6 varv per minut). Ett värsta scenario är troligen att skruven tömmer varje ¼ varv. Vi skulle då få en situation av satsvis tillförsel varje 2-3 sekund. Denna storleksordning förväntas inte ge några större återverkningar på förbränningen i pannan även om problemet förstärks vid lägre last eftersom skruven då går långsammare. Om skruvarna är alltför överdimensionerade kan det därför förväntas att märkbara svängningar kring O 2 -haltens medelvärde kan får vid låglast. Sceneriet blir liknande för stokermatning. Även här blir problemet större vid lägre last och ju mindre pannan är. Problem med satsvis inmatning av bränslet sker också i det fall då bränslets förbränningsförlopp i tid är av samma som periodiciteten för inmatningen. För den förväntade periodiciteten på 2-3 sekunder uppstår problem om ett allt för finkornigt och torrt bränsle eldas. Detta tillhör inte vanligheterna i FB/CFB-pannor men borde vara ett problem som måste hanteras då man eldar trä i pulverbrännare. Det kan alltså konstateras att bränslestyckenas storlek eller tömning av bränsleskruvar bara kan förklara problem med en ostabil förbränning vid låg last eller i små pannor eller om ett bränsle med mycket snabbt förbränningsförlopp eldas. 1.2. Hängningar, varierande bränsleflöde i tiden Det är mest troligt att problem som kan härledas till själva bränsleförsörjningen har sitt ursprung i fyllningen av utmatningsskruvarna, dvs. troligen på grund av hängningar i själva silon. Problemet är en gradvis minskad utmatning vilken följs av att hängningen släpper mer eller mindre momentant. Den gradvisa minskningen av bränsletillförseln kan i bästa fall kompenseras av att styrsystemet drar på i takt med att effekt sjunker. I detta fall fås en överdosering när hängningen väl släppt. Här finns en källa till kraftiga CO-spikar. Förloppet illustreras i. Problemet finns även om inte reglersystemet hunnit kompensera utmatningen i någon större utsträckning. Med största sannolikhet har ändå O 2 -regleringen hunnit minska mängden tillförd förbränningsluft. 1

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 Om en bandvåg används är det möjligt att få ett betydligt snabbare svar än om man t.ex. använder producerad värmeeffekt som mått på bränsletillförseln. Regleringen kan dock aldrig bli så snabb att det är möjligt att undvika CO-spikar när väl hängningen har släppt. Med bandvåg kan man jämfört med O 2 -regleringen eliminera tidsfördröjningen av svaret, vilket gör att man teoretiskt har möjlighet att reglera in en i tiden kortare spik. Om detta i praktiken också är en signifikant skillnad kan det vara mycket intressant att titta på möjligheten att använda bandvågar då problematiska bränslen eldas. För mycket inhomogena bränslen har dock inte bandvågen något större värde. Bild 2 Illustration av förlopp vid en hängning av bränsle. Skruvhastighet Verkligt flöde Flöde vid konstant varv CO-topp O2-topp Hängning Hängning släpper 1.3. Variationer mellan olika inmatningspunkter, stråkbildning Som diskuterades i inledningen eftersträvas en zon av perfekt omblandning i eldstaden. Om detta åstadkoms och man sedan också etablerar en pluggflödeszon med tillräcklig uppehållstid för utbränning, är man inte beroende av hur och var bränslet tillförs pannan. I praktiken är dock detta i det närmaste omöjligt att åstadkomma. Av denna anledning blir det viktigt att så väl som möjligt undvika stråkbildningar i eldstaden. Bränslet måste fördelas så jämt som möjligt över eldstadens tvärsnitt eftersom flyktavgången från bränslet är betydligt snabbare än sidotransporten av bränslepartiklarna (visats i tidigare Branschprogram). Hur stor skevhet som kan accepteras beror på hur bra omblandning som skapas senare i eldstaden, med hjälp av kontraktioner och luftstrålar, och är unik för varje utformning av pannan. Om det är kritiskt måste skevheten kvantifieras på något enkelt sätt. Möjliga mätmetoder är t.ex. lokal syrehalt eller temperatur. Man måste dock ha i åtanke att inte bara bränslespridningen, utan också fördelningen av förbränningsluften påverkar blandningen. 1.4. Reglersystem Eftersom det i en förbränningsanläggning finns många styrvariabler och samberoenden är det inte förvånande att man många gånger har svårt att komma ifrån självsvängningar i systemet. Ett mycket förenklat sätt att belysa detta är att tänka sig att mängden tillförd luft svänger som en sinusvåg med en relativt kort period (4 min) och att tillförseln av bränsle med en längre period (2 min). Vi utgår från att båda 11

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:12 flödena svänger med en amplitud mellan 2.5 % och 3.5 %, en ganska obetydlig svängning. Vi utgår från att förbränningen är inställd på 3.8 % syre i torra rökgaser som medelvärde och räknar ut halten syre som funktion av tiden. Vid beräkningen utgår vi från att bildning av CO kan beskrivas bero av O 2 enligt följande exponentiella samband: CO = 5 + 75e ( O2 3.5) /.45 Det beräknade sambandet mellan O 2 och CO som funktion av tiden visas i. Känsligheten för svängningar i reglersystemet ses tydligt. Enda möjligheten att undvika CO-spikar är att öka luftöverskottet något, vilket då antagligen sker till priset av ett ökat utsläpp av NO. Bild 3 O 2 och CO som funktion av tiden vid 2.5% och 3.5% amplitud i svängning av luft- och bränsleflöde. 2 15 O 2,medel = 3.8 % CO medel = 144 ppm 2 O 2 period luft = 2 minuter CO period bränsle = 1 minuter amplitud = 2.5 % 15 2 15 O 2,medel = 3.8 % O 2 period luft = 4 minuter period bränsle = 2 minuter amplitud = 3.5 % CO medel =23 ppm CO 2 15 O 2 [%] 1 1 CO [ppm] O 2 [%] 1 1 CO [ppm] 5 5 5 5 2 4 6 8 1 12 Drifttid [min] 2 4 6 8 1 12 Drifttid [min] Naturligtvis är detta ett mycket förenklat sätta att beskriva hur svängningarna i reglersystemet påverkar pannans emissioner, men som framgår liknar ändå resultatet vad man kan mäta upp i vissa anläggningar. Uppenbart kan ett fel intrimmat reglersystem orsaka kraftigt förhöjda emissioner. 1.5. Omblandning och uppehållstidsfördelning Optimalt vill man skapa sådana strömningsförhållanden i en eldstad att den kan beskrivas av en perfekt omblandad tankreaktor följd av en pluggflödesreaktor. I den verkliga pannan används sekundär- och tertiärluft och eventuellt en kontraktion för att åstadkomma effekten av en tankreaktor medan den övre delen av eldstaden skall utgöra pluggflödesreaktorn. I praktiken motsvarar dock ingen av dessa de ideala förhållandena vilket medför att en fullständig omblandning mellan syre och brännbara beståndsdelar inte uppnås. Generellt kan man dock säga att ju närmare man kommit de ideala förhållandena desto mindre känslig blir pannan för skillnader i var bränslet tillförs och desto lägre syreöverskott kommer att krävas. Däremot kommer fortfarande variationer i bränsleflödet att påverka förhållandena. 12

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 Nu är det inte bara omblandning och uppehållstid som avgör emissionerna, utan även varje enskild gasmolekyls temperaturhistoria. Detta då reaktionshastigheten ökar exponentiellt med temperaturen. 1.6. Sammanfattning Förhöjda utsläpp kan uppstå dels på grund av en otillräcklig omblandning i eldstaden och dels på grund av att förbränningsförhållandena varierar i tiden. Om höga utsläpp finns utan att det finns speciellt kraftiga variationer över tiden kan man utgå från att problemet orsakas av att omblandning och strömningen i eldstaden är otillfredsställande. Om man ser kraftiga variationer i tiden kan detta endera vara orsakat av en mekaniskt ojämn matning av bränslet eller att reglersystemet inte är korrekt intrimmat. En ojämn fördelning av bränslet mellan olika inmatningspunkter ger främst problem om omblandningen i eldstaden är otillräcklig. Naturligtvis beror det på hur stor skevheten är. 1.7. Målsättning Målsättningen med arbetet är: Att identifiera och kvantifiera vilka faktorer i försörjningen av bränsle och förbränningsluft som kan förväntas vara mest kritiska för att upprätthålla låga emissioner från FB- och CFB-pannor. Att undersöka på vilket sätt problemen enkelt och snabbt kan identifieras och på vilket sätt denna information ska/kan kopplas tillbaka till pannans drift. 2. Genomförande 2.1. Urvalskriterier Den experimentella delen utfördes i verk som i ett tidigt skede valdes ut av deltagarna i årets projekt. Urvalet baserades på tidigare kända erfarenheter, enkätsvar och inskickad processdata. Målsättningen var att välja två pannor med uttalade problem, men som i övrigt skiljer sig så mycket som möjligt. 2.1.1. Enkät I en enkät fick alla representanter från de olika verken bidra med en beskrivning av den aktuella pannans bränslesystem, och vilka problem som finns kopplade till detta. Syftet med enkäten var primärt att bidra till att hitta två lämpliga verk där mera detaljerade fältmätningar kunde utföras. 2.1.2. Processdata från den normala datainsamlingen Respektive verk ombads att skicka in lättillgänglig processdata kopplad till bränsleoch luftsystem samt rökgasernas sammansättning. Datamängden analyserades i ett försök att se om det på detta sätt går att identifiera några regelbundna svängningar i pannan. 13

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:12 2.2. Fältmätningar Två pannor valdes ut i vilka följande försök utfördes: Kartläggning av känslighet för, och möjliga motåtgärder mot, stråkbildning Bedömning av tidsvariationer i bränsletillförseln och dess orsaker Mätningar syftande till att se om reglersystemet själv initierar signifikanta svängningar i förbränningsförhållandena. Tillsammans syftar mätningarna till att slå fast den eller de viktigaste orsakerna till frekvent förekommande perioder med förhöjd CO, populärt kallat CO-spikar. 2.2.1. Känslighet för stråkbildning Ett sätt att få ett kvalitativt svar på hur känslig en panna är för snedfördelningar är att medvetet initiera en skev bränsleförsörjning under i övrigt så konstanta och kontrollerade förhållanden som möjligt. Effekten kan sedan utläsas antingen som en ökning av frekvens och amplitud av CO-spikar eller som ett ökat nödvändigt luftöverskott. Baserat på denna undersökning bör det vara möjligt att bedöma om det är nödvändigt med förbättrad kontroll över bränslefördelningen, till exempel med bandvågar och individuell styrning av tillförseln till de olika inmatningspunkterna. Det är också intressant att hitta billiga och robusta mätmetoder som snabbt kan identifiera dylika skevheter. I studien utvärderas därför om lokala termoelement, olika optiska metoder och lokal mätning av rökgasens sammansättning kan vara gångbara alternativ. Även i detta fall måste det vara möjligt att styra bränsletillförseln individuellt till de olika inmatningspunkterna. Enkla och stabila sätt att återkoppla via reglersystemet måste också belysas. 3. Metod att analysera mätdata 3.1. Bedömning av tidsvariationer Variationer i tiden kan vara svåra att identifiera, varför en vanlig visuell avsyning är ett väl så viktigt verktyg. Alternativ kan vara olika metoder att mäta fyllnadsgraden i transportörer, t.ex. med optiska nivågivare, eller att mäta strömförbrukning för transportutrustningen. Det är också möjligt att analysera utsignaler från befintliga mätsystem, t.ex. från bandvågar. 3.1.1. Frekvensanalys Frekvensanalyserna i detta arbete har utförts med hjälp av Fouriertransformering (FFT), med de algoritmer som finns i beräkningsprogrammen MATLAB och ORIGIN. Syftet med frekvensanalysen är att försöka klargöra vilka frekvenser en viss given signal består av, dvs. hur signalen i fråga varierar. I princip går det hela ut på att approximera signalen med en summa av sinusvågor. F = i a sin2πf t i i F räknas ut för varje frekvens f i, och parametrarna a i itereras fram så att F överensstämmer med den analyserade signalen så bra som möjligt. Det som sedan 14

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 2 presenteras som frekvensspektrum, är a i, på y-axeln, plottat mot frekvensvektorn innehållande alla f i, på x-axeln. För att exemplifiera det hela tittar vi på signalen: ( 2π *.1t ) + 8sin(2π *.1 ) 3sin t I denna signal skall alltså variationer finnas av frekvenserna.1hz och.1hz. Bild 4 Exempelsignalen Bild 5 Exempelsignalens frekvensspektra. Om man gjorde analysen för ett oändligt antal frekvenser i det frekvensintervall man är intresserad av, skulle höjden på topparna spektrat, h, och h 2 förhålla sig till varandra enligt: 2 h 1 A 1 = h2 A 2 där A 1 är amplituden för frekvens 1 och A 2 är amplituden för frekvens 2. I vårt fall skulle detta innebära att förhållandet mellan höjden på topparna skulle vara 9/64, dvs. ungefär.15, medan det i det ovan presenterade spektrat är ungefär.25. Orsaken till att topparnas höjd varierar med antalet frekvenssteg som evalueras beror på att man med ett ändligt antal frekvenser högst sannolikt kommer att missa den exakta frekvens som i verkligheten föreligger. Av denna anledning är det ofta oförståndigt att göra någon alltför långtgående tolkning av topparnas höjd i spektrumen, utan nöja sig med att konstatera att det föreligger svängningar av en viss frekvens och sedan vid behov fortsätta undersökningen med hjälp av andra metoder. 3.1.2. Korrelationsanalys Korrelationsanalysen går enkelt beskrivet ut på, att undersöka huruvida två signaler samvarierar. Värdet på korrelationskoefficienten är ett mått på sannolikheten för att två signaler samvarierar. Korrelationskoefficienten får värden som ligger mellan 1 och 1. Som exempel visas i en korrelation mellan två signaler där en puls induceras i den första och som sedan fortplantar sig till den andra signalen med en tidsfördröjning med 1 respektive 5 tidssteg. För att simulera ett mera verkligt förhållande har ett bakgrundsbrus (störning) har lagts till båda signalerna. 15

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:12 I visas en korskorrelation mellan de båda signalerna. Här framgår två tydliga toppar med en förskjutning av 1 respektive 5 tidssteg. Koefficienten är nära 1 i båda fallen, trots att den första toppen har en mycket kraftigare amplitud än den första (se ). Detta beror på att korrelationskoefficienten endast är ett mått på sannolikheten för att två signaler samvarierar och inte på hur känslig en signal är för variationer i en annan signal. Med ett färre antal punkter hade bakgrundbruset i korskorrelationen blivit högre och då hade även framför allt det svagare svaret kunnat döljas av bakgrundsbruset och fått en lägre korrelation. Bild 6 En signal med en impuls och dess svar. SIGNAL SVAR 1.2 1.8.6.4.2 -.2 2 4 6 8 1 12 Bild 7 Korskorrelation mellan signalen och dess svar. KORRELATION 1.2 1.8.6.4.2 -.2 2 4 6 8 1 -.4 -.6 16

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 3.1.3. Möjligheter att analys av processdata och reglersystem Om mätsignalerna är tillräckligt tydliga, dvs. inte belagda med alltför mycket brus, bör det vara fullt möjligt att kunna identifiera dominerande frekvenser i responssignalerna O 2 eller CO, och återkoppla dessa till olika delar i bränsle- och luftsystemet. För att exemplifiera detta använder vi samma signaler som visades i bakgrunden (se avsnitt 1). Här utgick vi ifrån ett bränsleflöde som svängde med 2 minuters periodicitet (ca.83hz) och ett luftflöde som svängde med 4 minuters periodicitet (ca.417 Hz). Om en frekvensanalys utförs på O 2 och CO signalen redovisade i erhålls ett svar enligt. I O 2 signalens frekvensspektra framgår två tydliga toppar korresponderande till 4 respektive 2 minuters periodicitet. I CO signalens frekvensspektra återfinns samma dominerande periodicitet, men det finns därutöver ett flertal toppar som är multiplar av den lägsta frekvensen. Att analysen av O 2 signalen är tydligare (färre toppar) än CO signalen förklaras enklast av att O 2 är ett linjärt förhållande av blandningen luft/bränsle medan CO beskrivs av ett expotentiellt samband. Slutsatsen av denna analys är, att om det inte finns alltför mycket brus, så bör en frekvensanalys av responssignalerna O2 och CO ge en god vägledning för att kunna spåra tillbaka i vilket delsystem som eventuella störningar har uppkommit. Bild 8 O 2 Frekvensanalys (obs amplitud) av O 2 och CO signal redovisade i. CO,1 2,5 1/12 Hz 1/24 Hz 1/12 Hz 1/24 Hz,,1,,1 3.2. Bedömning av känslighet för stråkbildning i sidled Känslighet för stråkbildning i sidled utvärderades genom att undersöka hur mycket emissionen av CO påverkades då bränslet medvetet fördelades ojämnt mellan pannans olika bränsleinmatningar. Som ett led i detta arbete undersöktes också olika mätmetoder att snabbt identifiera uppkomna stråk, se nedan. 17

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:12 3.2.1. Mätsonder För att undersöka vilka mätmetoder som är lämpliga att använda för att detektera stråkbildning i sidled i eldstaden, tillverkades två identiska mätsonder enligt. I sonden är tre olika sensorer monterade, ett termoelement, en fotoresistor och en lambdasond. Termoelementet är monterat på samma sätt som i en ordinär sugpyrometer. Spetsen av elementet ligger allra längst fram i sonden, närmast insuget från eldstaden. Luft sugs sedan med hjälp av en ejektor längs med hela termoelementets längd. Efter termoelementet passerar luften sedan en lambdasond, vars signal är ett mått på luftens syrekoncentration. Sonden är uppvärmd med sin egen interna 12V värme, eftersom luftflödet vid denna punkt inte har tillräckligt hög temperatur för att lambdasonden skall kunna fungera ordentligt utan uppvärmning. Slutligen är också en fotoresistor monterad allra längst ut i änden av sonden. Denna fungerar på så vis, att dess resistans ändras beroende på hur ljust det är där den befinner sig. Ju ljusare det är, desto mindre resistans. Över detta motstånd har vi lagt 24V spänning, och mäter kretsens ström. Vid första mättillfället, i Gävle, satt fotoresistorn bakom en liten plexiglasruta. Förhoppningen var naturligtvis att rutan skulle släppa igenom ljuset till resistorn. Detta föll inte särdeles väl ut. Rutan sotade igen tämligen momentant efter det att sonden fördes in i eldstaden. Av det skälet modifierades konstruktionen något tills det att mätningar skulle utföras i Oslo. Det är den modifierade konstruktionen som visas i. I stället för rutan, gjordes hål längst fram på sonden, genom vilket ljus skulle släppas in. Genom hålet går hela tiden ett litet luftflöde för att säkerställa att det inte sätter igen. Bild 9 Principskiss av mätsond. 18

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 4. Resultat I detta avsnitt redovisas enkätsvar och utvärdering av insänd processdata från de olika medlemsverken. Därefter redovisas utvärderade mätresultat från de två pannor där mera omfattande mätningar utfördes. En fortlöpande diskussion förs, vilken sedan sammanfattas i det separata diskussionsavsnittet (5). 4.1. Enkätsvar och analys av processdata för olika verk Då projektet startades så beslutades att detaljerade mätningar av budgetskäl endast kunde utföras i två pannor. Vidare skulle dessa väljas med utgångspunkt från att de uppvisade, eller upplevdes ha, så kraftiga svängningar i utsläpp som möjligt. För att få ett så bra urval som möjligt så skickades en enkät ut till de olika medlemsverken där också relevant processdata begärdes in. I följande avsnitt redovisas enkätsvar och utvärderad processdata. Baserat på denna information, samt tidigare erfarenheter, valdes sedan Gävle FB och Viken (Oslo) CFB som objekt för en mera detaljerad fältmätning. 4.1.1. Idbäcksverken FB-panna Vid Idbäcksverkens FB-panna hittades periodiska variationer för såväl emissioner (CO och O 2 ) som luftflöden, med en periodicitet på omkring 45 minuter. Troligt är att störningarna initieras i bränsleinmatningen och att O 2 -regleringen inte är tillräckligt snabb för att kunna motverka dessa. 4.1.1.1. Beskrivning av bränslesystem Bränsleblandning sker på gården med hjälp av hjullastare varefter bränsle tippas i matningsfickan. Härifrån transporteras det på band via magnetavskiljare och skivsåll till två dagsilor. Efter varje silo följer var sin identisk inmatningslinje. Den ena försörjer två stup på frontväggen och den andra två stup på bakväggen. Fortsättningsvis beskrivs en av dessa linjer. I botten på dagsilon matas bränsle ned på en skraptransportör av hydrauliska stokers. Bränsleflödet styrs av momentskruvar i dagsilon. Skraptransportören skjuter fram bränsle till det första stupet där ungefär hälften av bränslet rasar ned, resten fortsätter till det andra stupet. Hur stor andel som faller i det första stupet avgörs av ett skjutspjäll i botten på transportören. I respektive stup sitter en cellmatare som i sin tur släpper bränslet ner till en skruv som matar bränslet in i pannan. Skruven arbetar i lutning 3 från horisontalplanet. Såväl skruv som mantel kyls med luft. 4.1.1.2. Processdata Data samlades in 22-1-21 mellan klockan 1: och 2:. Samplingshastigheten var 1 värde var 2:e sekund. Medelvärden för perioden visas i. I visas hur last, total mängd luft, O 2 och CO varierar under mätperioden. Redan genom att betrakta dessa diagram kan man komma till slutsatsen att driften är instabil, primärt påkallat av att lasten tycks ha en egensvängning, vilken O 2 -regulatorn inte fullt ut hinner parera, resulterande i att även luftöverskottet svänger i tiden. Det sistnämnda får till följd att då O 2 sjunker under ca 2 % uppkommer en tydlig CO spik. 19

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:12 Tabell 1 Medelvärden under mätperiod (Idbäcken). medel min Max Last [MW] 69.6 65. 73.1 Total luft [km 3 /s] 13.6 94.5 112.7 Rec. Rökgas [km 3 /s] 5.4 2.4 9.5 O 2 [%] 2.2 1.7 2.9 CO [ppm] 175 4 1 (bottnat) Bild 1 Processdata från Idbäcksverket, Nyköping. 75 Effekt Luft 12 115 Totalluft O 2 3, 115 11 Last [MW] 7 11 15 1 95 Total luft [km 3 /s] Total luft [km 3 /s] 15 1 95 2,5 2, O2 [%] 65 9 : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] 9 1,5 : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] 3, O2 CO 2 75 Effekt RG rec. 1 Last [MW] 2,5 2, 1,5 15 1 5 1, : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] Bränsleskruv [kg/s] Last [MW] 8 6 7 4 2 65 : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] Recirkulerad rökgas [km 3 /s] En frekvensanalys av O 2 - och CO-signalen visar på en tydlig topp vid en periodicitet om ca 45 minuter (se ). I O 2 -signalen kan dessutom två något mindre toppar med 37 respektive 76 minuters periodicitet utläsas. Den dominerande frekvensen i O 2 - och CO-signalen (45 minuters periodicitet) återfinns också tydligt i signalen från sekundärluftflödet. För upptagen last dominerar lägre frekvenser (ca 76 minuters periodicitet) medan en högre frekvens dominerar för mängden primärluft ca (37 minuter periodicitet), se. 2

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 Uppenbart finns det en tydlig koppling mellan variationerna i sekundärluftflödet och uppkomsten av CO. Den låga frekvens med vilken den varierar tyder dock på att det finns något mera bakomliggande problem. Innan någon vidare analys utförs måste det först fastslås att den redovisade lasten är den upptagna, och att denna därför inte direkt återspeglar variationer i mängden bränsle som tillförs. Det kan ju mycket väl vara så att det finns kraftigare svängningar i bränslet som istället tas upp av att energikvalitén påverkas, t.ex. pannans domtryck. Det är dock troligt att det finns en direkt koppling mellan begärd mängd bränsle och mängd primärluft i reglersystemet. Primärluftsignalen kan därför användas som ett mått på begärd bränslemängd. Med detta i minne kan följande analys göras. Ett möjligt scenario är att lastregulatorn initierar en svängning i last och att O 2 - regulatorn är alltför långsam för att kunna möta denna. Periodiciteten för dessa svängningar i begärt bränsleflöde skulle då vara ca 45 minuter och 37 minuter. En ökning av bränsleflödet medför i ett första skede att mera syre förbrukas. Detta får till följd att förbränningen blir mera ofullständig - högre CO - innan reglersystemet har hunnit kompensera med en ökad lufttillförsel. En annan möjlig förklaring, med tanke på den låga frekvensen, är att det är fyllnadsgraden i pannas dagsilo som orsakar variationen. Silon fylls mycket snabbare än den töms, och med mera bränsle i silon ökar också bränsleskruvarnas fyllnadsgrad. Detta kan innebära att bränsleflödet vid fyllning av silon ökar snabbare än vad reglersystemet för luften och effekten hinner med. Fyllning med en periodicitet omkring 4 minuter är inte orimlig. Man skulle förstås också kunna tänka sig att mera bränsle, tidigare ackumulerat i bädden, momentant bränns ut när mera primärluft påkallas av reglersystemet. Detta är dock mindre troligt då mängden bränsle i bädden är förhållandevis liten och huvuddelen av förbränningen består av förbränning av bränslets flyktiga beståndsdelar (>8 %) som avges snabbt. Bild 11 Frekvensspektra (Idbäcksverket) för CO och O 2. CO O 2 5 CO,5 1/273 Hz O 2 1/273 Hz 1/4551 Hz 1/2156 Hz, 21

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:12 Bild 12 Frekvensspektra (Idbäcksverket) för upptagen last, primär- och sekundärluft. Last och primärluft Sekundärluft,2 1/6827 Hz Last (upptagen) Primärluft rec. rökgas,2 sekundärluft 1/273 Hz 1/4551 Hz 1/273Hz 1/2144 Hz 1/4551 Hz 1/2156 Hz,, 4.1.2. Eskilstuna FB-panna Generellt är utsläppen av CO låga från FB-pannan i Eskilstuna. Antalet CO-spikar är få och är som högst 335 ppm under mätperioden. En analys av variationer för CO och O 2 visar variationer med periodiciteter i två områden, dels mellan 5 och 25 minuter och dels mellan 1.5-2 timmar. Variationen med högre frekvens kan kopplas till svängningar i bränsleinmatningen, vilka i sin tur också drar med sig tertiärluftflödet, eftersom detta är kopplat till O 2 -regleringen. Variationen med lägre frekvens kan kopplas till variationer i bäddtemperaturen, som i sin tur är kopplad till regleringen av recirkulerade rökgaser. Orsaken till svängningarnas uppkomst kan man bara spekulera i. Det skulle t.ex. kunna uppstå genom att bränsleskruvarna blir mer fyllda i samband med påfyllning i dagsilon. Mera bränsle till bädden ger temporätt en lägre temperatur. Regleringen av recirkulerade rökgaser hinner inte möta en sådan svängning eftersom den under en längre tid bottnat (max utstyrd mängd recirkulerade rökgaser utan att bäddtemperaturen nått ned till börvärde), och därför dras med en minneseffekt. 4.1.2.1. Beskrivning av bränslesystem Bränslematningssystemet är dubblerat med 8 % pannlast på vardera linje. Varje linje består av en silo med roterande spridarplåt i inlastningen. Detta gör att man kan undvika en topp mitt i silon. En siloutmatarskruv matar bränslet till silons centrum. Härefter följer en horisontell skraptransportör som matar fram bränslet till två doserskruvar. Ambitionen är att alltid hålla dessa väl fyllda. Matningssystemet upplevs som väl stort vid låglast. Till exempel är skruven i botten på silon något överdimensionerad. Om den sista doserskruven går halvfull märks det tydligt på emissionerna. 4.1.2.2. Processdata Data insamlades 22-1-2 under 1 timmar. Flöden och bäddtemperatur samplades var 3:e sekund medan last och emissioner samplades var 1:e sekund. Medelvärden för perioden redovisas i. 22

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 Processdata som funktion av tid visas i -. Generellt så framgår det att inga alarmerande höga utsläpp av CO egentligen har förekommit. Bäddtemperaturen är generellt hög och egentliga CO-spikar erhålls bara vid de fåtal tillfällen då temperaturen har sjunkit alltför mycket. Anledningen till dessa tillfällen är med stor sannolikhet att börvärdet för bäddtemperaturen är ställd lägre än vad recirkulationen av rökgas kan reglera ned. Detta får till följd att recirkulationen av rökgaser är maximalt utstyrd. När sedan temperaturen sjunker, t.ex. på grund av en variation i tillförsel av bränslekvalité eller att mera bränsle tillförs, finns det en minneseffekt ( wind-up pga. regulatorns integrerande del) innan reglering börjar ske. En sådan minneseffekt gör att regleringen, när den väl sker, överreagerar. Tabell 2 Medelvärden under mätperiod (Eskilstuna FB). medel min Max Last (ånga) [kg/s] 35.6 27.8 43.6 Total mängd [m 3 n /s] 34.2 29.9 37.7 luft -sekundärluft [m 3 n /s] 16.5 14.3 17.7 -tertiärluft [m 3 n /s] 6.9 5.1 8.9 Rec. rökgaser [km 3 /s] 8.3 5.9 8.6 Bäddtemperatur [ C] 917 893 934 O 2 [%] 3.4 12.2 5. CO [ppm] 157 35 335 23

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:12 Ångdlöde[kg/s] 45 4 35 3 Ånga LINJE 1 LINJE 2 1 25 : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] 9 8 7 6 Utstyrning skruv [%] Total luftmängd [m n 3 /s] 4 38 36 34 32 3 28 O2 Total 26 : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] 5 4 3 2 1 O2 [%] Bild 13 Last och utstyrning av bränsleskruvar. Bild 14 Total mängd luft och O 2. CO [ppm] 5 4 3 2 1 CO O 2 5 4 3 : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] 2 1 O2 [%] Bäddtemperatur [C] Bäddtemp RG rec. 9, 94 8,5 92 8, 7,5 9 7, 88 6,5 6, 86 5,5 : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] Rökgasrecirkulation [m 3 n /s] Bild 15 CO och O 2. Bild 16 Bäddtemperatur och rökgasrecirkulation. Frekvensspektra för O 2 och CO (se ) visar en dominerande lågfrekvent topp med en periodicitet omkring 85-115 minuter. Därutöver finns ytterligare en rad toppar med högre frekvens. Dessa ligger i ett intervall mellan 5 och 25 minuter. Om man jämför frekvensspektra för CO och för de styrande variablerna kan man se att den lägre frekvensen troligen har sitt ursprung i att bäddtemperaturen varierar. Detta är förbränningstekniskt rimligt eftersom utbränningen av CO blir långsammare ju lägre temperaturen är. Orsaken till temperaturfallet är troligen någon störning i bränsletillförseln. När bäddtemperaturen sjunker under börvärde börjar både mängden recirkulerade rökgaser och luftpådraget att påverkas (se ). De högfrekventa topparna i O 2 - och CO-signalen återfinns i såväl utstyrning av bränsleskruvar som i tertiärluftflöde (se ). 24

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 O 2 CO,1 O 2,1 1/512 Hz CO 1/6827 Hz 1/177 Hz 1/89 Hz 1/1517 Hz 1/41 Hz 1/33 Hz 1/41Hz,, Bild 17 Frekvensspektra (Eskilstuna FB) för O 2 och CO. Recirkulerad rökgas och sekundärluft Bäddtemperatur,2 Recirkulerad rökgas Sekundärluft,5 bäddtemperatur 1/512 Hz 1/384 Hz 1/3413 Hz 1/187 Hz,, Bild 18 Frekvensspektra (Eskilstuna FB) för recirkulerad rökgas, sekundärluft och bäddtemperatur. 25

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:12 Utstyrning bränsleskruvar Tertiärluft,5 Utstryrning bränsleskruv 1 Utstryrning bränsleskruv 2,1 Tertiärluft 1/1396 Hz 1/256 Hz 1/94 Hz 1/539 Hz 1/42 Hz 1/878Hz,, Bild 19 Frekvensspektra (Eskilstuna FB) för utstyrning av bränsleskruvar och tertiärluft. 4.1.3. Nymölla FB-panna I Nymölla förfaller den viktigaste periodiciteten för utsläppen av CO vara lågfrekvent och nära kopplad till svängningar i tillförseln av den totala luftmängden. Sannolikt är det svängningar i de olika delflödena av förbränningsluft som interfererar. Pannan har en alltför snabbt ställd reglering av bäddtemperaturen, dvs. tillförsel av recirkulerade rökgaser. Denna svänger med en mycket kraftigt amplitud och en tydlig periodicitet. Sannolikt är det denna alltför snabbt ställda reglering som initierar svängningar även i luftflödena. Mycket skulle därför vara vunnet om denna reglering, eller regleralgoritm, kunde förbättras. Det kan också konstateras att det finns relativt mycket slumpartade CO-spikar, vilka troligtvis kan kopplas till variationer i bränslekvalitet eller hängningar i bränsleinmatningssystemet. 4.1.3.1. Beskrivning av bränslesystem Inmatning sker från pannans ena sidovägg. Från den inre barkfickan matas bränsle in i två separata linjer via en doserskruv (en för varje linje) fram till en cellmatare placerad ovanpå ett avslutande fallschakt. Fallschaktet avslutas med ett blåsbord (primärluft) för att sprida bränslepartiklarna över bäddytan. Effektreglering sker på så vis att en regulator eftersträvar att hålla ett konstant tryck i ångackumulatorn. Detta sker genom en direkt styrning av doserskruvarnas varvtal. De huvudsakliga variationerna i effektbehov härrör från de satsvisa massakokarna. Pannans last varieras mellan 25 och 6 ton/h. Bränsleluften (blåsborden) sprider oftast bränslet rätt över bädden, så att det stannar närmare motstående vägg. Primärluftens tryck varierar med lasten. Vid hög last blir trycket högre på grund av att tryckfallet över primärluftdysorna ökar. Detta får till följd att även mängden luft till blåsborden ökar, vilket i sin tur innebär att kastparabeln för bränslepartiklarna blir längre. Samma effekt erhålls om ett fuktigare eller grövre bränsle eldas, eftersom det då krävs ett högre primärluftflöde. I pannan destrueras också UF-koncentrat, ett uppkoncentrerat blekeriavloppsvatten med högt innehåll av syreförbrukande ämnen. Torrhalten är endast 12-14 % och det tillför alltså inte speciellt mycket energi, utan försämrar snarare 26

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 förbränningsförhållandena. Vid låg last ger detta förhöjda CO-värden. Detta motverkas genom att öka luftöverskottet, med ökade NO x -emissioner som följd. 4.1.3.2. Processdata Data insamlades 22-9-27 under 8 timmar. All data samplades var 3:e sekund. Medelvärden för perioden redovisas i. Processdata som funktion av tid visas i -. Det bör noteras att ungefär efter 2 timmar så finns det ett kortare avbrott i bränsletillförseln. Det finns en mycket tydlig svängning i bäddtemperaturen som är kopplad till recirkulationen av rökgas (se ). Periodiciteten är omkring 4 minuter. Orsaken är troligen ett för stort värde på regulatorns förstärkning. Så fort som temperaturen kommer över ca 875 C påkallas mer eller mindre maximal recirkulation av rökgaser. Detta gör att bädden snabbt kyls, och det tar en periodtid att komma upp till en högre temperatur igen. För låg temperatur i bädden leder till ökade CO emissioner, varför dessa temperaturvariationer är av signifikant betydelse. Det finns också relativt snabba svängningar i mängden tillförd luft. Detta trots att utstyrningen för tillfört bränsle är förhållandevis stabil. Orsaken kan vara att bränsletillförseln ändå är instabil på grund av variationer i fyllnadsgrad eller hängningar. En frekvensanalys av O 2 och CO signalen (se ) visar framför allt tydliga lågfrekventa toppar. För CO har de dominerande frekvenserna periodtider på 55 respektive 82 minuter. Dessa frekvenser kan spåras till pådraget av total förbränningsluft (). Det finns också en mycket tydlig svängning med en periodicitet i samma härad för recirkulerad rökgas och bäddtemperatur (se ). Frekvenstoppen för den recirkulerade mängden rökgas är mycket tydlig. Det troliga scenariot är att det är regleringen av luftflödena som är huvudproblemet. De svängningar som finns i respektive delflöde (primär-, sekundär- och tertiärluft) gör att det skapas en ogynnsam interferens, vilken med nödvändighet sker med en lägre frekvens än respektive delflöde. Temperatursvängningarna är i sig inte tillräckligt stora för att förväntas skapa så stora problem, eftersom lägsta temperaturen ändå är så hög som 84 C. Däremot kan det mycket väl vara så att det är den för snabbt trimmade regleringen av rökgasrecirkulationen som skapar en kedjereaktion. En mera stabil reglering av de recirkulerade rökgaserna skulle med stor sannolikhet också lugna ner regleringen av förbränningsluften. Det finns också några mer högfrekventa svängningar i CO, med en periodicitet omkring 3 minuter. Dessa är dock svaga och dominerar alltså inte CO-emissionens variationer. Svängningen kan återfinnas i mängden tillförd sekundärluft och är alltså sannolikt kopplad till O 2 -regleringen. Ur kan man se att det också finns högfrekventa CO-spikar, men dessa kan alltså inte tydligt återfinnas i frekvensspektra. Detta kan tolkas som att orsaken snarast är slumpartade variationer i bränslekvalitet eller hängningar i bränsletillförseln. Slutsatsen är alltså att förbränningsförhållandena skulle kunna stabiliseras åtskilligt genom att åtgärda den regulator eller den regleralgoritm som justerar flödet av recirkulerade rökgaser. Trots att den frekvens som recirkulationsflödet varierar med, inte exakt kan återfinnas i CO s spektrum, verkar det sannolikt att stabila förhållanden i bädden skulle förbättra möjligheterna att minska emissionerna. Tabell 3 Medelvärden under mätperiod (Nymölla FB). medel min Max 27

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:12 Last (ånga) [ton/h] 25 6 Olja till stödbrännare [ton/h] 2.24 1.24 4.6 Total mängd luft [m 3 n /h] 55763 44719 65815 -sekundärluft fram [m 3 n /h] 373 1687 81 -sekundärluft bak [m 3 n /h] 9476 4684 1257 -tertiärluft vänster [m 3 n /h] 3495 1383 6596 -tertiärluft höger [m 3 n /h] 462 152 198 Rec. rökgaser [m 3 n /h] 316 1818 Bäddtemperatur (medel av [ C] 868 851 888 6st) Temperatur övre eldstad [ C] 68 568 712 O 2 [%] 2.2.8 1. CO [ppm] 288 2 175 Total luft [m 3 n /h] 7 6 5 4 3 2 1 Totalluft Sekfram, Tertvänster Sekbak, TertHöger 5 : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] 2 15 1 Sekundär- och tertärluft[m 3 n /h] Hastighet bränsleskruv [%] 35 3 25 2 15 1 5 Skruv1hast Skruv2hast : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] Olja 5 4 3 2 1 Stödolja [ton/h] Bild 2 Luftflöden. Bild 21 Pådrag bränsleskruvar och mängd stödolja. 6 O2 CO 2 9 TBmedel RGrec 12 O 2 [%] 5 4 3 2 1 15 1 5 CO [ppm] Bäddtemperatur medel [ C] 88 86 84 82 1 8 6 4 2 Rökgasrecirkulation[m 3 n /h] : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] 8 : 2: 4: 6: 8: 1: Tid [hh:mm] Bild 22 O 2 och CO. Bild 23 Bäddtemperatur (medel) och rökgasrecirkulation. 28

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 O 2 CO,3 O 2 1 CO 1/722 Hz 1/3276 Hz 1/496Hz 1/4915 Hz, Bild 24 Frekvensspektra (Nymölla FB) för O 2 och CO. Temperatur i bädd och övre eldstad Rökgasrecirkulation,5 1/273 Hz 1/2234Hz 2 1/2458 Hz 1/2137 Hz RG.rec temp bädd temp övre eldstad, Bild 25 Frekvensspektra (Nymölla FB) för bäddtemperatur, temperatur i övre eldstad och mängd recirkulerade rökgaser. 29

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:12 Utstyrning bränsleskruvar Total förbränningsluft,1 skruv 1 skruv 2 25 1/3277 Hz Total luft 1/246 Hz 1/189 Hz 1/192 Hz 1/351 Hz 1/162 Hz, Bild 26 Frekvensspektra (Nymölla FB) för utstyrning av bränsleskruvar och total förbränningsluft. Primärluft Sekundär- och tertiärluft 1 Primärluft 1 Total Sek Total tert 1/2137 Hz 1/2458 Hz Bild 27 Frekvensspektra (Nymölla FB) för primär- sekundär och tertiärluft. 4.1.4. Skellefteå CFB-panna Mätdata insamlades under en ganska kort tid, 2 timmar, vilket försvårar en utvärdering. Man kan dock utläsa tydliga variationer i O 2 -halt som funktion av tid. Dessa variationer framkommer inte lika tydligt i frekvensspektra, vilket till viss del kan tillskrivas den lilla datamängden, men också av att slumpartade variationer i bränslekvalité eller tillförse förekommer. CO-halten är generellt låg, men det förekommer spikar upp till 1 ppm. Frekvensspektra visar på en tydlig periodicitet vid 7-1 minuter respektive ca 3 minuter. Det är svårt att koppla dessa svängningar till något. En större datamängd krävs. Man kan dock misstänka att svängningarna kan vara kopplade till regleringen av de så kallade rövarskruvarna, som styr fördelningen mellan bränslestupen på front- och bakvägg. 3

Svensk Fjärrvärme AB FoU TPS 24:13 4.1.4.1. Beskrivning av bränslesystem Pannan är försedd med två dagsilor. Dessa är början på två helt separata inmatningslinjer. I botten på varje silo sitter en utmatningsskruv som matar till ett 1 m långt fallschakt. Schaktet mynnar vid en skraptransportör som är varvtalsstyrd mot domtrycket. Efter en viss sträcka tas ett delflöde bort ifrån skraptransportören med hjälp av en skruv (så kallad rövarskruv). Skruven matar in i ett kort fallschakt som mynnar i en cellmatare. Härefter kommer ytterligare ett schakt vid vars utlopp en skruv för bränslet direkt in till pannan. Den del av bränslet som fortsätter med skraptransportören förbi rövarskruven, kommer också att gå genom i tur och ordning fallschakt, cellmatare, schakt och skruv. Bränslet matas alltså in 4 vägar i pannan. De olika flödena kvoteras inbördes. 4.1.4.2. Processdata Data insamlades 22-9-29 under 2 timmar. All data samplades var 3:e sekund. Medelvärden för perioden redovisas i.processdata som funktion av tid visas i -. Lasten var tämligen jämn under perioden, vilket återspeglas i både utstyrningen till bränsleskruven och mängd primärluft (se ). Samtidigt framgår det att luftöverskottet (O 2 ) varierar tämligen kraftigt och att ett flertal CO-spikar förekommer under perioden (se ). Det är också värt att notera hur rökgasrecirkulationen, vilken styrs av regulatorn för bäddtemperaturen, varierar i tiden (se ). Bäddtemperaturens börvärde har antagligen varit satt till 85 C, och det ser ut som att regleringen har ett dödband på några grader. Sedan är regleringen satt så snabb att den snarast kan beskrivas som en on/offreglering. Bäddtemperaturen hålls tämligen konstant, den varierar inte med mer än ± 5 C, men regleringen borde kunna skötas mera mjukt genom att anpassa reglerparametrarna. Tabell 4 Medelvärden under mätperiod (Skellefteå CFB). medel min Max Utsignal bränsle [%] 47.8 46.2 49.9 Primärluft [m 3 n /h] 13.2 13.2 13.2 Sekundärluft [m 3 n /h] 8.2 7.1 9.7 Rec. rökgaser [m 3 n /h] 1.4 2.3 Bäddtemperatur (medel av 4st) [ C] 848 837 859 O 2 [%] 4.5 2.5 7.7 CO [ppm] 81 7 192 31