Från GROT till aska -vad händer vid värmeverket?
Bakgrund Den totala energianvändningen ökar stadigt och i dag förbrukas det årligen drygt 600 TWh totalt i Sverige, för både produktion av värme och el. Biobränslen i form av olika träbränslen samt returlutar inom massaindustrin ökar också, och i dag svarar de för ca 13 %, d v s 79 TWh av totala energiproduktionen. Detta är ungefär lika mycket energi som årligen produceras via vattenkraft. Som jämförelse kan nämnas att kärnkraften i dag står för 34 % av energitillförseln och användningen av olja för ca 31 %. Om användningen av fossila bränslen skall minska, samtidigt som kärnkraften på sikt skall avvecklas måste användningen av biobränsle öka kraftigt på sikt. Vid all förbränning bildas det aska. Den aska som uppstår vid förbränning av skogsbränsle, d v s GROT, samt skogsindustrins avfall och biprodukter, innehåller huvudsakligen de baskatjoner och mikronäringsämnen som initialt fanns i träden. Detta ligger till grund för rekommendationen att skogsbränsleaska bör återföras till skogsmarken som kompensation för den bortförsel av näring som uttaget medför. Uppskattningsvis tas GROT ut från 32 000 ha årligen i Sverige. Detta motsvarar en produktion på mellan 25 000 och 50 000 ton aska per år beroende på vattenhalt och andel oförbränt material. Behovet av aska i kompensationssyfte är dock större, vilket gör att sammansättningen av andra biobränsleaskor också utvärderats. Totalt visar grova skattningar att ca 300 000 ton askor från förbränning av olika trädbränslen skulle kunna vara aktuella för spridning. Värme- och kraftvärmeverk har en central roll inom såväl efterfrågan och därmed användningen av skogsbränslen, som inom produktionen av en spridningsbar aska. Syftet med detta kompendium är att ge en inblick i hur ett värmeverk fungerar genom att beskriva kedjan från avlastningen av GROT, till uttransporten av aska för t ex härdning. De olika stegen i kedjan beskrivs i generella drag, med viss utgångspunkt av hanteringen vid Borås Energi. Vissa problem och möjligheter för verken, vilka kan vara av betydelse för bränsleleverantörer och för produktion av en spridningsbar askprodukt, diskuteras också. Avlastning, lagring och torkning av GROT Värmeverken har vanligen avtal med att antal leverantörer av GROT. För att det skall vara lönsamt sker inköpen och transporterna av GROT inom en radie av max 8-10 mil från värmeverket. GROT består oftast av bark, grenar, kvistar och barr av gran och tall. Transporterna av buntad, huggen, krossad eller flisad GROT sker med container på lastbil. Det finns flera olika varianter på hur GROT kan hanteras då det når ett värmeverk. Här följer en beskrivning av hur hanteringen kan gå till. Vid ankomst av GROTen till värmeverket vägs lasten in och varje leverans provtas med avseende på vattenhalt, d v s man bestämmer torrsubstanshalten (TS). För att undvika eventuella konflikter med leverantören utförs detta av en oberoende part, Virkesmätningsföreningen (VMF). Om det är överskott av bränsle vid leveranstillfället, tippas bränslet på en plan för att tillfälligt mellanlagras. Annars tippas det i en mottagningsficka (Fig 1), där större stycken sållas bort i ett skivsåll. Därifrån skruvas bränslet vidare till en kross, förbi en magnetavskiljare och vidare till ett större bränslelager under tak. Lagret kan t ex vara dimensionerat för att täcka bränsleförbrukningen under en helg, eftersom det inte sker några leveranser av GROT till värmeverket då.
Vid vissa anläggningar torkas materialet innan det eldas upp. Detta är vanligare under den fuktigare perioden av året, från september till mars. Bränslet transporteras då via en skruv vidare till en tork där det torkas från ca 50 % fukthalt ned till 20-25 % fukthalt. Det finns olika typer av torkar för biobränsle. Här beskrivs principen för en fluidiserande ångtork, vilken används av Borås Energi för torkning av GROT. Torken består av ett cylindriskt tryckkärl med en värmeväxlare i mitten. Inne i tryckkärlet finns 16 celler, till vilka man matar in bränslet. Under tryckkärlet sitter en stor fläkt som cirkulerar ånga genom värmeväxlaren samtidigt som ånga tillförs värmeväxlaren för uppvärmning. Under torkningsprocessen upphettas bränslet till ca 175 C. Med hjälp av den ånga som tillförs, samt den ångbildningsvärme som bildas då vattnet i bränslet kondenserar, rör sig bränslet runt i de 16 cellerna och torkas på så sätt jämt. Överskottet av ånga tas ut på toppen av cylindern. Denna ånga innehåller en del brännbara gaser från organiska föreningar som avgått från bränslet under upphettningen. Dessa gaser förbränns för energiutvinning. Vattenångan kondenseras och vattnet renas innan det släpps ut till det kommunala avloppsnätet. När bränslet torkats ned till ca 20-25 % fukthalt lämnar det torken och matas vidare till pannan för förbränning (Fig. 1). Figur 1. GROT lastas av i mottagningsfickan, för att därefter krossas och via magnetavskiljaren föras vidare till lagret. Under den fuktigare perioden av året torkas GROT innan det förbränns i pannan. Bottenaskan förs ut från botten av pannan medan flygaskan avskiljs vid rökgasreningen (Johnsson, Borås Energi 2004).
Förbränning av GROT I pannanläggningen omvandlas den kemiska energin som är bunden i t ex GROT till värmeenergi, vilken i sin tur kan omvandlas till elektrisk energi eller fjärrvärme. Det finns olika typer av pannor. De vanligaste typerna av pannor för förbränning av oförädlade biobränslen, som GROT, är rosterpannor och CFB-pannor (pannor med Cirkulerande Fluidiserande Bädd). Rosterpannan, vilken till tekniken liknar en vanlig villapanna, kännetecknas av att den har en förbränningsanordning (roster = galler där bränslet förbränns) på vilken bränslet i tur och ordning torkar, antänds och slutförbränns. Den enklaste rostern är plan och förekommer främst på mindre panncentraler. En sned roster eller trapproster, är ett lutande galler där bränslet förbränns medan det glider nedför rostern. En annan variant, Wanderrostern, består av en matta av länkar som för in bränslet i ena änden av pannan och för ut askan från den andra änden. För att få en god förbränning och låga utsläpp av kolmonoxid och andra kolväten är det viktigt att bränslet håller jämn kvalitet. Dessutom måste rätt mängd luft tillsättas för att inte få för höga halter av kväveoxider. Rosterpannor kräver således noggrann övervakning. CFB-pannor, d v s pannor med en cirkulerande fluidiserande bädd, är mer flexibla beträffande bränslets kvalitet. Principen för dessa är att bränslet tillsammans med ett inert (stabilt, ovillig att reagera med omgivande material) material som sand fluidiseras med hjälp av förbränningsluft som blåses genom bränslet underifrån. Förbränningen av bränslet sker när det virvlar omkring med det inerta bäddmaterialet inuti pannan. Beroende på att det heta cirkulerande bäddmaterialet stabiliserar förbränningen och temperaturen inne i pannan har dessa pannor en stor flexibilitet beträffande bränslets kvalitet. Spread stoker är ytterligare en variant på panna och som bl a används av Borås Energi. Denna består av en plan Wanderrost i botten (se ovan), som matar ut askan. Bränslet matas dock inte in via rostern utan blåses in från sidan ovanifrån och brinner därefter då det flyger genom pannan. Denna teknik ger en högre effekt jämfört med en rosterpanna. Rökgasrening Vid förbränning bildas det rökgaser. Dessa innehåller försurande ämnen som saltsyra (HCl), vätefluorid (HF), kväve- och svaveloxider, partiklar (aska), tjära, lättflyktiga metaller som kvicksilver, mm. Därför måste rökgaserna renas. Vanligen leds rökgaserna först genom en cyklon (partiklar avlägsnas från rökgaserna genom centrifugalkraften) för att fånga de större partiklarna. Därefter fångas vanligen finare partiklar med elfilter (elektriskt laddade partiklar fångas upp av ytor med motsatt laddning) eller textila spärrfilter (textilduk). Rökgasernas temperatur sjunker när de passerar alla dessa filter. Eftersom kondensationen av lättflyktiga metaller på askpartiklarna ökar med sjunkande temperatur, är tungmetallinnehållet högre i askan vid det textila spärrfiltret, än i den vid cyklonen. Det är även ganska vanligt att värmeverk använder insprutning av ammoniak eller urea i rökgaserna för att reducera utsläppen av kväveoxider. Kväveoxiderna reagerar med ammoniaken och omvandlas till ofarligt kvävgas och vatten. Även modifiering av lufttillförseln i pannan kan påverka utsläpp av kväveoxider. Släckt kalk Ca(OH) 2 (kalciumhydroxid) kan användas för att binda sura komponenter i rökgaserna och aktivt kol för att fånga upp miljögifter som t ex dioxiner.
Den aska som tas ut från rökgasreningen benämns flygaska, medan den aska som tas ut från pannan kallas bottenaska. Fördelningen mellan botten- och flygaska varierar kraftigt mellan olika anläggningar och mellan panntyper (Tabell 1). Enligt en tumregel blir det 10-20 % bottenaska och 80-90 % flygaska i CFB-pannorna, medan det omvända gäller för rosterpannorna. Denna tumregel kullkastas dock av en inventering av askmängder och deras innehåll som presenterades av Statens Energimyndighet (STEM) under 2003. Denna visar snarare att förhållandet är 50-50 för biobränsleaskor från båda typerna av pannor. Beträffande den panna av Spread stoker -typ som används av Borås Energi, erhålls ca 30 % bottenaska och 70 % flygaska. Tabell 1. Fördelning mellan flyg- och bottenaska i olika typer av pannor. Avvikelser från angivna värden förekommer dock. Panntyp Andel bottenaska (%) Andel flygaska (%) Roster 70-80 20-30 Spread stoker 40-50 50-60 CFB-panna 10-20 80-90 Kvaliteten på flyg- respektive bottenaska varierar mellan olika pannor. Bottenaskan från CFB-pannor sprids inte på skogsmark eftersom den till största del består av bäddmaterial (oftast sand), medan flygaskan har bra egenskaper eftersom den ofta är välförbränd och enhetlig. Det samma gäller för Spread stoker - anläggningar. Hos rosterpannor däremot, är det bottenaskan som lämpar sig bäst för spridning eftersom den är bättre förbränd och har ett lägre innehåll av tungmetaller än flygaskan. I mindre anläggningar blandas dock ofta flygoch bottenaska och blandningen används för askåterföring. Hantering av askan Askan från en panna kan antingen våt- eller torrutmatas. Torrutmatad aska är relativt lätt att förädla vidare, men är svårhanterlig så till vida att den dammar och riskerar att fatta eld. Våtutmatad aska är lättare att hantera. Svårigheter kan dock uppstå om den härdar snabbt. Det kan även vara svårt att få en noggrann vatteninblandning vid utmatningen, med följden att askan inte härdar jämt. Beroende på vilket material som eldats, t ex avfall, torv, skogsbränsle samt vilken askfraktion (flyg- eller bottenaska) som avses, hanteras de utmatade askorna på olika sätt. Bottenaskor kan t ex användas som täckmaterial till tippar, eller som fyllnadsmassor vid vägbyggnationer. Flygaskor från förbränning av avfall har höga halter av giftiga tungmetaller, klassas som miljöfarligt avfall och deponeras därför. Den aska som bildas vid förbränning av skogsbränsle, som t ex GROT, innehåller basiska ämnen, samt de flesta näringsämnen som ursprungligen fanns i GROTen. Det gör den möjlig att återföra som kompensation för de näringsförluster som uttaget av GROT innebär. För att en aska skall vara aktuell att sprida måste den härdas, samt innehålla rekommenderade halter av näringsämnen och underskrida gränsvärden för tungmetaller. Den utmatade askan analyseras därför minst två gånger per år på sitt innehåll av näring och tungmetaller. Detta sker ofta före och efter härdningen. Eldas flera olika bränslen i samma panna krävs noggrannare kontroll av askan. Likaså om det visat sig att t ex flisen har mycket skiftande ursprung (biprodukter från sågverk, flisat rivningsvirke etc.).
Härdningen av den fuktade askan kan antingen ske inne på värmeverkets område eller på en närgränsande yta. Det är viktigt att underlaget är stabilt (t ex en asfaltplatta) och att lakvattnet från plattan kan kontrolleras. Det är även bra om det finns tillgång till tak eller andra möjligheter att täcka den behandlade askan eftersom den i många fall är känslig för återbefuktning. Många värmeverk har avtal med entreprenörer som både sköter frakten av askan från värmeverket till härdningsanläggningen, själva behandlingen/härdningen av askan, samt uttransporten av askan till spridaren i fält. En mer utförlig beskrivning av de metoder som finns för härdning av aska ges i ett separat kompendium. Kontroll Länsstyrelsen ger tillstånd till anläggningar med en effekt över 10 MW. Har de en effekt över 200 MW ges tillståndet av miljödomstolen. Anläggningar med en effekt mellan 0.5 och 10 MW är anmälningspliktiga hos kommunens miljönämnd och de har även tillsynen över dessa mindre anläggningar. I tillståndet finns möjlighet att reglera hur avfallet från verksamheten skall omhändertas. I många fall har vaga villkor för hur askan skall omhändertas formulerats, som t ex att frågan om askåterföring skall utredas. Med hänvisning till miljöbalkens regler om att sträva efter kretslopp och hushållning med resurser finns det dock möjligheter för myndigheterna att föreskriva den metod som bäst kan tänkas uppfylla miljöbalkens syfte. Detta kan avspeglas i tillstånd med mer precisa formuleringar som att askan skall i möjligaste mån spridas på skogsmark. Vidare ställer tillståndet krav på vilket bränsle som får eldas, samt under vilka betingelser. Möjligheten att använda askan ställer krav på att den är så väl utbränd som möjligt, d v s innehåller så lite oförbränt kol som möjligt. För att lyckas med det bör man bl a ha syreöverskott och lagom uppehållstid för bränslet i ugnen. Detta kan också regleras i tillståndet genom krav på mätningar av syre, kolmonoxid och temperatur i rökgaserna. Nyare tillstånd ställer även krav på högsta halt kolmonoxid (CO) i rökgaserna. Länsstyrelsen är även tillstånds- och tillsynsmyndighet för deponier, där aska deponeras. Det kan dels röra sig om stora deponier med en blandning av avfall eller mindre industrideponier. Den aska som deponeras, är förutom deponiavgiften som varierar kraftigt mellan deponier, belagd med en deponiskatt på ca 370 kr/ton (gäller från 1 jan. 2003). Förutom deponi, finns det i dag flera alternativa sätt att omhänderta aska, varav spridning av aska på skogsmark är ett. Anläggningar som återvinner eller bearbetar mer än 10 000 ton avfall per år fodrar tillstånd enligt miljöbalken. Detta gäller även upplag/behandlingsplatser för aska som skall spridas, eftersom aska än så länge klassas som avfall. För flertalet av dessa anläggningar är Länsstyrelsen också tillståndsmyndighet. För anläggningar som behandlar mindre än 10 000 ton avfall skall verksamheten anmälas till kommunen. Vid tillståndsgivningen behandlas hur anläggningen kommer att påverka den närmaste omgivningen i form av läckage till vattendrag. Även buller, dammspridning och transporter till och från platsen tas i beaktning. Värmeverket måste årligen redovisa verksamheten genom en årlig miljörapport till den myndighet som har tillsynen, d v s vanligen Länsstyrelsen eller kommunens miljönämnd. I rapporten finns uppgifter om avfall, vilket för ett värmeverk mest består av aska och utsläpp av rökgaser. Formerna för rapporteringen skiljer sig mycket.
Problem Tillgång på bränsle Det finns vissa problem med att elda GROT/skogsbränslen jämfört med andra bränslen som t ex sorterat hushållsavfall. Värmeverken är beroende av en jämn tillgång på bränsle. Tillgången på GROT varierar dock eftersom leverantörerna kan ha svårighet med att få fram bränsle av bra kvalitet i tid. En orsak till detta är de låga priserna på GROT vilket inte motiverar markägarna att sälja GROT. Många leverantörer förlorar även på att köra ut och leverera GROT till värmeverken. Den ojämna tillgången på GROT har därför inneburit att flera värmeverk, för att ha en garanterad tillgång på bränsle, måste importera dyrare flis från Baltikum. Detta medför och har medfört att värmeverken går över till förbränning av billigare och mer lättåtkomliga bränslen, som t ex sorterat hushållsavfall. Den jämna tillgången på hushållsavfall bidrar även till att det inte kräver samma lagringsutrymme som skogsflis behöver. Kvaliteten på bränslet Barr och annat grönt material som löv/barr kan vara ett problem. Dels har vissa torkar svårt att hantera dessa mycket små fraktioner, dels är bränslevärdet av det mycket lågt eftersom det inte innehåller en lika stor brännbar fraktion som övriga delar av GROT. Andelen stamved kan också ha betydelse. Stamved ger relativt stora volymer bränsle, men av låg vikt. En mix av avbarrad GROT, med ca 40 % inslag av stamved från lövträd anses av Borås Energi vara det optimala bränslet för dem. Vid inköp av krossat eller flisat material kan det vara svårt att ha kontroll på materialets ursprung. Borås Energi har gått över till att bara köpa in hugget material och frångått krossat material. Orsaken är att krossat material ibland kan innehålla spillvirke och rivningsvirke, vilket ger en aska som inte är lämplig för spridning. Aska från förbränning av rivningsvirke innehåller ofta alltför höga halter av tungmetaller och andra miljögifter. Övriga problem Produktion av aska som är lämplig för spridning ställer generellt höga krav på övervakningen av bränslets kvalitet, samt hela flödet genom förbränningsanläggningen till utmatningen och härdningen av askan. Uppstår problem av något slag längs denna kedja, som medför att pannan riskerar att tappa effekt, finns även risk för att en sämre aska produceras. Nedanstående är ett exempel på denna typ av problem. Vid Borås Energi klarar man av att elda enbart GROT förutsatt att torkanläggningen fungerar. Om man får problem med torken måste den fuktiga GROTen sameldas med t ex torv eller olja, för att inte tappa effekt. Detta ställer krav på kontroll av askan så att man inte riskerar att sprida en olämplig aska. Ren torvaska har generellt ett lägre näringsinnehåll och ett något högre tungmetallinnehåll än ren GROT-aska. Askhalten i olja är mellan 0.01 och 0.1%, vilket gör att dess bidrag till den totala mängden producerad aska vid en kortvarig sameldning med GROT, blir mycket liten. Sameldning med små kvantiteter av torv eller olja ger därför vanligen inte någon effekt på kvaliteten hos askan.