Protokoll Workshop Bäddmaterial i FB-pannor

Protokoll Workshop Bäddmaterial i FB-pannor Plats : ÅF-SIFU lokaler, Olof Palmes gata 31, Stockholm Tid: Tisdagen den 13 januari 2004 Arrangör: Värmeforsk Deltagare: Se deltagarlista på sista sidan Motiv till workshopen Det finns flera hundra FB-pannor i drift runt om i världen. De allra flesta av dem har inga sintringsrelaterade problem med bäddmaterialet, medan ett fåtal, t ex. i Norden cirka 10 15 pannor, har eller har haft stora problem med sintring, oftast beroende på krävande bränslen. Konsekvenserna för dessa anläggningsägare blir ofta stora då sintring kan leda till otillgänglighet och kostsamma produktionsbortfall. Problemen är inte alltid lätta att lösa eftersom bränslekvalitet och driftsätt varierar från panna till panna men också i samma panna. Lösningen blir därmed i många fall unik och ibland tillfällig. Därför finns ett behov av att sammanställa kunskapsläget och föreslå och prioritera fortsatta FoU-aktiviteter. Deltagarna i workshopen utgjordes av konsulter och forskare samt representanter för energibolag och panntillverkare. Målen med workshopen var: - att få ett samlat grepp om kunskapsläget inom området bäddmaterial i FB-pannor, - att identifiera forskningsbehov inom området och - att definiera prioriterade områden där mer forskning behövs, samt naturligtvis att personer inom olika organisationer och med olika arbetsuppgifter men med ungefär samma mål och problem skulle få tillfälle att träffas och diskutera. Moderator: Bengt-Åke Andersson Presentationer Karin Wikman, ÅF- Energi & Miljö, inledde med att presentera ett pågående projekt om effekten av fluidiseringshastighet och kornstorlek på agglomereringsrisk vid biobränsleeldning i fluidbäddar. Studier har inletts i syfte att undersöka om bortsållning av mindre partiklar samt optimering av fluidiseringshastigheten kan motverka sintringstendensen. Flera seminariedeltagare menade att projektet var ointressant eftersom inga partiklar < 0,2 mm finns i bädden. De försvinner ut med rökgaserna. Anders Nordin, Umeå Universitet, gjorde en genomgång av historik av svensk och internationell forskning kring mekanismer för bäddagglomerering i FB-pannor. Ca och K anges som de mest silikatbildande elementen. Sammanfattningsvis föreslås två grupper av sintringsmekanismer för kvartssand: direct adhesion vilket är ett samlingsnamn för mekanismer där klibbiga pariklar fastnar direkt på varandra samt initial coating formation vilken handlar om en tvåstegsmekanism. Först bildas klibbiga skikt på partiklarna. De kan ske på olika sätt beroende på egenskaperna hos bränsleaskan, bäddmaterialet, aerosoler och gasformiga ämnen. Därefter 1

slås partiklarna ihop med varandra. De experimentella forsöken utesluter Direct adhesion mekanismen. Enkelt uttryckt växer det till ett skikt utåt och ett skikt inåt på bäddpartiklarna. Det yttre skiktet liknar bränslet i sammansättningen och verkar skyddande. Det inre skiktet däremot är mer reaktivt och består av föreningar med K och Na. Det är det inre kletande skiktet som utgör problemet. Agglomeringsmekanismen är lika för förgasning och förbränning. Marcus Öhman, Umeå Universitet, berättade om termokemiska drivkrafter för olika bäddmaterial att bilda en riskabel beläggning som kan leda till bäddagglomerering. Datorsimuleringar med bark som bränsle visade att kvarts och kalifältspat ur agglomereringssynpunkt är de mest problematiska medan Hyttsand och Olivinsand verkar mindre problematiska. Dessa resultat stämmer väl med experimentella försök. Ett senare steg blir att göra beräkningar för andra bränslen och verifiera beräkningsresultaten med bänk-/fullskaleförsök Marianne Gyllenhammar, S.E.P. visade att det finns ett direkt samband mellan mängden alkali per kg aska och sintringstemperatur oavsett askhalt i bränslet. Genom tillsatts av kaolin t.ex. i form av avsvärtningsslam kan man höja sintringstemperaturen och därmed minska risken för sintring. Tillsatts av natrium i form av natriumsulfat sänker sintringstemperaturen. Läs mer om SEPs arbete i Värmeforsks rapport 840. Frank Zintl, TPS berättade om TPS projekt inom området. TPS har genom degeltest och försök i en 10 kw FB visat att alternativa bäddmaterial som GR Granule, masugnsslagg, Hyttsand, stålslagg (Hyttsten) och Olivin är mindre sintringsbenägna än kvartssand för de använda bränslena Plywood och Lucern. Försök har också gjorts att tvätta bort kladdiga avlagringar som bildats på bäddmaterialet för att kunna återanvända det. Det fungerar inte eftersom bara det skyddande skiktet försvann och inte det kladdiga inre skiktet. Om även det inre skiktet ska kunna tvättas bort blir syraåtgången mycket hög vilket gör metoden olönsam. Bengt-Åke Andersson presenterade kortfattat erfarenheter från Eskilstuna och VikenEnergi istället för Ulf Björklund som fick förhinder och inte kunde delta i workshopen. I VikenEnergi har man fått minskad sandomsättning medan man i Eskilstunas CFB-panna har fått minskade problem med sintring samt lägre CO-emission då man använde Olivinsand. Det senare har man utnyttjat genom att sänka luftöverskottet och därmed uppnått lägre NO x. Lars-Erik Åmand, Chalmers berättade att deras försök med Olivinsand vid slamförbränning i Chalmers 12 MW panna stoppades efter 5 dagar i drift pga. höga halter CO (5000 ppm) och kolväte (200 ppm). När bädden byttes tillbaka till den ordinarie kvartssanden minskade CO halten till 8 ppm och kolväten < 1 ppm, vilket är normala värden i den pannan. Kan sanden påverka krackning av cykliska beståndsdelar var hans fråga. Liknande höga halter av CO och kolväten har inte iakttagits i andra försök med Olivin i labskala eller i pannor. Ytterligare tester ska göras på Chalmers för att utreda det inträffade. Lars-Erik påpekade också att försök i labskala kan vara för korta för att registrera fenomen som uppstår i kontinuerligt körda pannor. Jaani Silvennoinen, Kvaerner Power berättade om Kvaerners erfarenheter inom området. Han menade att förutom askrelaterade bäddagglomerering är fluidiseringsrelaterade agglomerering ett vanligt förekommande fenomen. Vidare menade han att vid förbränningsstart blir bäddmaterial rundare vilket inte nödvändigtvis betyder fluidiseringsproblem. Jaani jämförde 2

agglomereringsegenskaper för två vanliga kvartbaserade bäddmaterial med Kvaerners AggloStop som utgörs av det hårda materialet diabas. Metoden är patenterad. Kvaerner har löst sintringsproblem i tre kommersiella anläggningar i Finland genom att byta ut normal kvartsand mot AggloStop. Priset är 3 ggr högre än för kvartssand, 200 /ton. Anders Eklund, ÅF- Energi & Miljö berättade om Värmeforsks projekt om användning av Hyttsand. Resultaten visar att Hyttsand har betydligt bättre egenskaper än kvartssand ur agglomereringssynvinkel vid förbränning av olivkärnor, rörflen och bark. Hyttsand är dock 8 ggr dyrare än naturlig sand. Inga höga halter av CO eller NO märktes under mätningarna. Just nu pågår förberedelserna till ett fullskaleförsök i Säverstaverket i Bollnäs i en 12 MW FB-panna. Juha Sarkki, Foster Wheeler berättade om SmartBoiler konceptet och vikten av att göra bränslekarakterisering, bränsleplanering och systematiskt kontroll av förbränningsförlopp samt att redan från början välja bäddmaterial som kan förhindra agglomereringsproblem. Smart Boiler konceptet bygger på att undvika sintring genom förbränning/förgasning i FB bädd vid ca 650/700 C och slutförbränning i fribord vid 1000 C. 850 C och 2 sek måste dock uppfyllas vid sam-/avfallsförbränning. Även vid betydligt lägre temperaturer än sintringstemperaturen finns risk för lokal överhettning som kan orsaka allvarliga problem. FoU behov och förslag En diagnosmetod för bedömning av bäddens kvalitet behöver utvecklas, helst on-line metoder. Det behövs för att kunna förutse tendenser till bäddsintring. En lämpliga metod kan vara att mäta tryckfluktuationer. Tryckfallsmätning är för grovt. Det används idag för att mäta hur mycket bädd man har. En annan metod skulle kunna vara att kontinuerligt mäta medelkornsförändringen i ett bottenaskflöde. I Högdalen tar man idag ut ett askprov per dygn och bestämmer kornstorleken för att uppskatta risken för bäddsintring. Metoden är för grov och något tydligt samband mellan kornstorlek och bäddsintring har inte upptäckts. För att gardera sig mot bäddsintring byts bädden ofta. Bäddförbrukningen är 15 ton/dygn mot garanterat 3 ton/dygn. Inom branschen finns ett behov av en katalog med parametrar som bäddmaterial, bränsle, panntyp, driftförhållanden, additiv m m. så att anläggningsägare kan bedöma vilket bäddmaterial som är bra att använda under givna driftförhållanden med en viss typ av bränsle. Det behövs fortsatta tester av alternativa bäddmaterial i lab- och pilotskala. De mest lovande materialen bör väljas ut för provning i pannor. Det krävs att pannägare ställer upp i denna fas då fullskaleförsök innebär ekonomiska risker p.g.a. driftsstopp. Förutom agglomereringsfenomen bör inverkan på emissioner undersökas. Blandningar av olika bäddmaterial för att få synergieffekter är intressant. Det är viktigt att beakta eventuell förekomst av spårämnen i bäddmaterial. Exempelvis innehåller Olivinsand Cr och Ni som hamnar i bottenaskan. Gjuterisand är ett intressant alternativt bäddmaterial. Den är mycket lik vanlig FB-sand vad avser kemisk sammansättning och partikelstorleksfördelning. Den återvinns till 95 % i gjuterierna. Resterande 5 %, dvs. 225 00 ton per år i Sverge, skulle kunna användas i FB- 3

pannor. Gjuterisanden har jämn kvalitet, lågt pris och innehåller bentonit samt kaolin som redan idag används som additiv i FB-pannor. Det finns planer på att använda gjuterisand i Norrköping men man skulle föredra att den först testas i mindre skala. Effekter av bäddpartiklarnas storleksfördelning på sintringsegenskaper bör undersökas. Ett Värmeforskprojekt är startat inom detta område. För att kunna lösa dessa agglomereringsproblem efterlyses bredare forskningssamarbete. De flesta pannor har inga problem men antalet problempannor kan dock öka i framtiden i takt medatt nya bränslen kommer in på marknaden. Nya mer krävande bränslen gör att intresset för andra bäddmaterial ökar. Det finns dock en marknadströghet. Först när behovet blir tillräckligt stort kommer man att investera i utrustning för att krossa och sikta nya bäddmaterial, t ex. Hyttsten/Hyttsand. Juridiska oklarheter om huruvida bäddmaterial från t.ex. metallindustrin är avfall eller produkt. Det kan variera från fall till fall. Om det klassas som avfall kan man i alla fall använda det i avfallspannor. Mekanismer för bäddsintring och agglomerering Forskning om alternativa bäddmaterial bör fokuseras så att man kan prediktera sintring och agglomerering av bäddmaterial. Även bränsle- och askanalys är viktig. För att kunna förutsäga risk för sintring i en pannan borde man utveckla ett early warning system där hänsyn tas till parametrar som bränsle, aska, bäddmaterial, panntyp, emissioner m m. I stora drag känner man till mekanismen för bäddsintring vad gäller kvartsbaserade bäddmaterial men inte för alternativa bäddmaterial. Forsatt forskning behövs, bl a. om effekter av additiv, t ex. svavel. Normal bäddomsättning styrs inte endast av sintringsrisken utan även av följande aspekter: 1. sanden bryts sönder till mindre partiklar, 2. stort material måste matas ut ur bädden för att upprätthålla god fluidisering, 3. risk för bäddagglomerering p.g.a. alkalianrikning, vilket kan variera i olika bäddmaterial. Olika bränslen behöver olika mycket bäddomsättning: Kol/torv: behöver knappt någon bäddomsättning. Biobränsle: här styrs ofta sintringsrisken p.g.a. ackumulering av alkali Avfall: Även om man försöker sikta och recirkulera bädden är ofta bäddförlusten större än behovet p.g.a. alkalianrikning och stor andel aska. Övriga problemställningar Eroderande egenskaper Mjukare material men segare? Är rundare korn bättre? Slås porösare material sönder fortare? Bra utformning vissa anslagsvinklar bör undvikas (lagom avstånd mellan tub och vägg). 4

Lägre gashastighet i pannans bakre drag (erosion kontra värmeöverföring). Bra kemisk miljö. Vad är effekten av högre svavelhalt? Na, K, Zn och Pb bör bilda sulfater istället för klorider. Reducerande förhållanden bör undvikas. Beror kemisk korrosion på att skyddslagret slits bort? Små partiklar Pluggar cyklonen eller drar bort alkali m m. ur systemet? Beständighet mot nötning Området behöver inte prioriteras men det finns ett antal frågeställningar: Rundare, segare korn, ej sprött? Sannolikt är masugnslagg segare. Omvandlar kvarts sin kristallstruktur? Har nötningen någon betydelse? Bara om sintringsproblem är lösta? Avskiljningen i cyklonen är nog viktigare Snabbt ett lager runt kornen. Skyddar eller aktiverar det kornen? Tillgänglighet/malbarhet/kostnad Det finns en allmän strävan efter att spara naturmateria. Hyttsanden är 8 ggr dyrare än fältspatsrik kvartsand (160 Euro/ton). Den måste dock siktas. Troligen är endast en liten del av hyttsanden i rätt storlekområde för pannor. Hyttsand, GR Granule och diabas kan återföras efter siktning. Diabas kostar ca 200 Euro/ton i Finland. Diabas är en vanlig bergart som används för mineralullstillverkning. Vad gäller Olivinsand finns det stora fyndigheter bl. a. i Norge. Men Olivinsand innehåller höga halter Ni och Cr varför pannsanden inte kan användas för utfyllnad var som helst. Slutsats: studier av alternativa bäddmaterial bör fortsätta. Höga halter av kalcium och antimon Antimon från flamskyddsmedel sätter sig i både bottenaskor och flygaskor. Vid förbränning av restprodukter lakas antimon ut ur bottensanden ju mer den lagras. Antimonhalten kan öka till halter högre än vad man brukar få om man deponerar farligt avfall. Det är dock liten utlakning från flygaskor trots att flygaska innehåller ca 150 mg antimon /kg aska medan bottenaska innehåller ca 50 mg antimon/kg aska. Slutsats: hög prioritet på att minska utlakning av antimon vid lagring och användning av pannsand. 5

Diskussion och slutsatser: Bengt-Åke Andersson sammanfattade diskussionerna från workshopen. Sammanfattningsvis finns det behov av att reda ut mekanismerna för bäddagglomerering för konventionella och alternativa bäddmaterial samt att skapa en katalog med parametrar som bäddmaterial, bränsle, panntyp, driftsförhållanden, tillsatser av additiv m m. för att anläggningsägare ska kunna undvika riskerna för bäddsintring och agglomerering. Ett annat behov är utveckling av diagnosverktyg för bäddkvalitet, helst on-line metoder. Det finns i stora drag två metoder att minska bäddagglomerering: att minska Si mängden i bäddmaterialet eller att kontrollera K/Si-förhållandet. Det är fortfarande oklart om det är mineralerna som binder alkali eller om det är S som bildar lättflyktiga föreningar. En viktig fråga är skalningseffekt. Att lyckas med en viss kombination av bränsle, driftförhållanden, bäddmaterial m m. i labskala betyder inte att det är grönt att köra i stor skala. Därför är det angeläget med ett brett samarbete mellan forskare, anläggningsägare och panntillverkare för att kunna förstå och lösa problemen. Rapporten för Värmeforsks Hyttsandsprojekt, som ska komma ut i slutet av juni i år, kan vara väldigt intressant då försök ska genomföras i två BFB pannor på vardera 12 MW. Det kom önskemål om att också utnyttja Chalmers 12 MW CFB forskningspanna för bäddmaterialförsök. Fördelen är inte bara att man kan göra välkontrollerade försök utan också möjligheten till avancerade emissionsmätningar i fullskalestorlek. Raziyeh Khodayari, Värmeforsk 6

Deltagarlista Andersson,Bengt-Åke Berg,Magnus Borgström,Gullvi Edelborg,Mathias Edman,Henry Eklund,Anders Gyllenhammar,Marianne Hansson,Sören Heikne,Bengt Khodayari,Raziyeh Lindman,Eva-Katrin Zintl,Frank Makkonen,Pasi Nohlgren,Ingrid Nordin,Anders Nyström,Peter Pettersson,Roger Ribbing,Claes Ringqvist,Niklas Sarkki,Juha Silvennoinen,Jaani Smaragdis,Fotis Strömberg,Birgitta Wikman,Karin Åmand,Lars-Erik Öhman,Markus Kvaerner Power ÅF-Energi & Miljö Värmeforsk ETC ÅF-Energi & Miljö S.E.P. Carl Bro Sydkraft Östvärme Värmeforsk TPS VTT ETC Umeå Universitet Gjuteriföreningen Sundsvall Energi Värmeforsk Foster Wheeler Kvaerner Power TPS ÅF-Energi & Miljö Chalmers Umeå Universitet 7