Rapsmjöl optimalt utnyttjande i olika förbränningsanläggningar Gunnar Eriksson, Henry Hedman, Marcus Öhman, Dan Boström, Esbjörn Pettersson, Linda Pommer, Erica Lindström, Rainer Backman, Rikard Öhman 1
Vad är rapsmjöl? Biprodukt från RME tillverkning (Biodiesel) Pressåterstod efter varmpressning av rapsfrö Omkring 2/3 (på viktbasis) av den ingående rapsen tas ut som en pressåterstod och har hittills framförallt nyttjats till foder 2
Övergripande mål och nytta för projektet Projektets målsättning är att fastställa förbränningsegenskaperna hos rapsmjöl såväl i mixar som i ren form Bestämma bränslets sammansättning Bestämma bränslespecifika förbränningsegenskaper m a p emissions- och askrelaterat problemperspektiv Utifrån resultaten föreslå intressanta mixar av rapsmjöl i traditionella biobränslen 3
Energipotential/ekonomisk nytta RME fabriker Stenungsund (2007); 250 000 ton rapsmjöl/år d v s ca 1.2 TWh Karlshamn; 60 000 ton/år d v s ca 0.3 TWh Norrköping (planerad); 450 000 ton/år d v s ca 1.6 TWh Svårbedömd framtida marknadspotentialen som bränsle Början av 2007; foderpris 1000 SEK/ton (ca 200 SEK/MWh) Slutet av 2007; 2000 SEK/ton (ca 400 SEK/MWh) 4
Exempel på eventuell praktisk tillämpning Rapsmjöl bör i första hand nyttjas i bränslemixar i storskaliga anläggningar Höga N-halter (ev extern NO-rening) Höga S-halter (ev extern SO 2 -rening) Intressant möjlighet att nyttja rapsmjöl som svaveladditiv vid förbränning av kalium- och klorinnehållande bränslen Vid nyttjande i pulveranläggningar bildas lågsmältande kaliumfosfat varför roster- eller fluidbäddsteknik är att rekommendera 5
Nyhetsvärde Väldligt få publikationer återfinns som behandlar bränsle- och/eller förbränningsegenskaperna hos rapsmjöl/-kaka Rapsmjölets bränsleaska domineras av fosfor och dess kemi i förbränningssammanhang är inte klarlagd. 6
Resultat Bränsleanalyser Kontrollerade förbränningsförsök i bänk-/pilotskala (rent och i mixar med bark) Fluidbädd (5 kw) Roster (undermatad pelletsbrännare 10 kw) Pulverbrännare (150 kw) 7
Allmän bränslekaraktäristik Bränsle Rapsmjöl Fukt (Vikt-%) 9-11 Aska (Vikt-% TS) 7-8 Svavel (Vikt-% TS) 0.7-0.9 Klor (Vikt-% TS) 0.03-0.05 N (Vikt-% TS) 5-6 Hcal (MJ/kg torrt askfritt) 21-22 Bulkdensitet (kg TS/m 3 ) 530 Bark 21-65* 2-6* 0-0.1* 0-0.02* 0.02-0.52* 20-25* 300-550* Salix 25-50* 1-5* 0.005-0.03* 0.01-0.1* 0.21-0.61* 18-20* 200-350* Halm 10-20* 4-10* 0.05-0.2* 0.05-1.5* 0.4-0.7* 18-20* Låg* Spannmål 14* 2-4* 0-0.5* 0.02-2.3* 1.8-2.6* 17-22* 250-390* Torv 38-58* 2-9* 0.1-0.5* 0-0.1 0.9-4.4* 19-27* 300* 8
Mol-% av bränsleaska Bränsleaskans sammansättning 60 50 40 30 20 10 Vetehalm Vete (spannmål) Havre (spannmål) Rapsmjöl 0 K Na Mg Ca Al Fe Si P S Cl 9
Pyrolysförlopp hos rapsmjölspartiklar Flykthalt räknat på torr och askfri basis jämförbar med trä. Storleksfördelningen under 1 mm (80%) är relativt jämt fördelad mellan 0.1-1 mm 10
Gasemissioner 2-4 högre NO-emissioner vid rapsmjölseldning jämfört med barkeldning Höga SO 2 -halter vid rapsmjölseldning (300-1300 mg/nm3 vid 10% O 2 t.g.) Molförhållande: (2K+Ca)/S= 1 i rapsmjöl!!!! P hög affinitet till K och Ca Låga HCl-halter (< 1-2 ppm) 11
dm/dlog(dp) (mg/nm3 at 10% O2) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Partikelemissioner Fluidbäddseldning 300 Bark 10 % Rapsmjöl 90% Bark 30 % Rapsmjöl 70% 250Bark Rapsmjöl dm/dlog(dp) (mg/nm3 at 10% O2) 200 150 100 50 Rostereldning Bark 10 % Rapsmjöl 90% Bark 30 % Rapsmjöl 70% Bark Rapsmjöl 0 0.01 0.1 1 10 100 Aerodynamic Particle Diameter Dp (um) 0 0,01 0,1 1 10 10 Aerodynamic Particle Diameter Dp (um) 12
Partikelemissioner-pulverbrännare 400 350 Rapsmjöl Träpulver dm/dlog(dp) (mg/nm3 at 10% O2) 300 250 200 150 100 50 0 0.01 0.1 1 10 100 Aerodynamic Particle Diameter Dp (um) 13
Bäddagglomereringstendenser Bränsle Bark Rapsmjöl, 10 %, bark 90 % Rapsmjöl, 30 %, bark 70 % Rapsmjöl Vetehalm Salix Grot Rörflen Olivkross Torv Initial defluidiseringstemperatur ( o C) > 1015 965 930 1020 750 900 960 920-970 930 >1020 14
Bäddagglomereringsmekanismer Rapsmjöl - 1 dags eldning Bark - 1 dags eldning K-Ca-Mg-fosfater K-fosfater ( låg smältpunkt ) K-(Ca+Mg)-fosfater ( hög smältpunkt ) K-Ca-silikater K-silikater ( låg smältpunkt ) K-Ca-silikater ( hög smältpunkt ) 15
Slaggningstendenser 90 80 70 60 Slaggbildning K + P K-fosfat K-fosfat + Ca, Mg 50 40 K-Ca-Mg-fosfater 30 20 10 0 obefintlig Vetehalm Rörflen (hög askhalt) Rörflen (låg askhalt) Hampa (hög askhalt) Hemp (låg askhalt) Salix Bark (gran) Bark (tall) Bark (björk) Grot (lagrad) Grot (ej lagrad) Spån Bark (denna studie) 10% Rapsmjöl 90% Bark 16 30% Rapsmjöl 70% Bark Rapsmjöl Andel slagg av ingående bränsleaska (Wt-%)
Beläggningstendenser/högtemperaturkorrosion -sammansättning fina partiklar (< 1 µm) Fluidbäddseldning Rostereldning 70 60 50 Bark 10 % Rapsmjöl 90 % Bark 30% Rapsmjöl 70 % Bark Rapsmjöl 70 60 50 Barkpellets 10% rapsmjöl 30 % rapsmjöl Rapsmjöl Mol-% 40 30 Mol-% 40 30 20 20 10 10 0 Na Mg Si P S Cl K Ca Mn Fe 0 Na P S Cl K 17
Sammansättning fina partiklar (< 1 µm)- pulverbrännare 80 70 60 50 Rapsmjöl Träpulver (g) Mol-% 40 K + P K-fosfat (liq) 30 20 K-fosfat + Ca, Mg 10 0 Na Mg Si P S Cl K Ca Mn Fe 18
Slutsatser Relativt hög askhalt (7-8 % av TS) Bränsleaskan domineras av P, K, Ca, Mg Höga N- (4-5 %) och S-halter (0.7-0.9 %) 2-4 ggr högre NO-halter och höga SO 2 - halter Höga stofthalter, 2-3 ggr högre än vid barkeldning i roster och fluidbädd. 10 ggr högre vid pulvereldning 19
Slutsatser (forts) Moderata slaggnings- och bäddagglomereringstendenser Med stor sannolikhet låga beläggningsbildnings- och korrosionsrisker (klorinducerad korrosion på t ex överhettare) vid fluid- och rostereldningsteknik Sannolikt hög beläggningsbildningsrisk vid pulvereldning! Intressant sameldningsbränsle: Nyttja rapsmjöl som svaveladditiv vid förbränning av kalium- och klorinnehållande bränslen 20
Utvecklingsmöjligheter Fullskaleförsök i fluidbädds- eller rosterpannor med bränsleblandningar av rapsmjöl och problematiska biobränslen (klor- och kaliuminnehållande bränslen) Demonstration av bl a möjligheter till reducering av uppkomsten av askrelaterade driftsproblem. Nyttjande av fasta biprodukter från drivmedelstillverkning som bränsle Hydrolysrest (lignin) och destillationsrest från träbaserad etanoltillverkning Drank från spannmålsbaserad etanoltillverkning 21