Bäddagglomereringsrisk vid förbränning av odlade bränslen (hampa, rörflen och halm) i kommersiella bäddmaterial

2006-06-17 Institutionen för Tillämpad Fysik och Elektronik Examensarbete D 20 poäng Civ.Ing. Energiteknik Bäddagglomereringsrisk vid förbränning av odlade bränslen (hampa, rörflen och halm) i kommersiella bäddmaterial Thomas Erhardsson Handledare: Anna Öhrström, ÅF-Process Sigrid De Geyter, Marcus Öhman, ETPC, Umeå Universitet

Abstract Bed agglomeration and sintering are problems associated with fluidized bed technology and must be solved to improve profitability of the process. A high rate of renewal of bed material is a method that many Swedish fluidized bed combustion plants use to ensure problem-free operation. This behaviour is associated with additional costs and not sustainable on a longterm basis. The market of forest products is growing resulting in more expensive biomass fuels. Within the combustion industry research of alternative fuels is growing strong, for example cultivated fuels. Combustion and gasification research of cultivated fuels are limited. The purpose of this report is to increase knowledge of silicon rich cultivated fuels and study tendencies of agglomeration for wheat straw, reed canary grass and industrial hemp in combination with commercial bed materials. Tendencies of agglomeration between the different bed materials were also one of the main objects of this report. Controlled fluidized bed agglomeration tests were conducted with a 5 kw, bench-scale, bubbling fluidized bed. The tendencies of agglomeration have been studied with the three cultivated fuels in combination with various minerals present in Swedish natural sand (quarts, plagioclase and potassium feldspar) and an alternative bed material (olivine). The method is developed too perform highly controlled agglomeration tests, witch enables the study of fuel and bed material interactions. During the experiments bed samples and formed agglomerates has been collected for examination with a scanning electron microscope (SEM) with X-ray microanalysis (EDS). The tests show that no difference in tendency of agglomeration can be distinguished between the studied bed materials. Wheat straw had the highest tendency of agglomeration of the studied fuels followed by reed canary grass and industrial hemp. The defluidization event of hemp was extracted and resulted in difficulties in determination of the initial defluidization temperature. Reed canary grass had similar defluidization characteristics. The analyzed bed samples didn t have extensive tendencies to form layers on bed particles. Great quantities of individual ash particles were present in the used beds from the experiments. The elemental compositions of these were similar to the specified fuel characteristics. The silicon structure of the fuels fixates the problem associated ash elements. This makes the ash particles sticky at high temperatures and result in adhesion of bed particles. This is presumed to be the main reason of agglomeration in the performed experiments. According to conclusions the bed materials has no significant influence on the agglomeration process for the studied fuels. ii

Sammanfattning Bäddagglomerering och sintring är problem som förknippas med fluidbäddstekniken och måste lösas för att förbättra lönsamheten i processen. Hög bäddomsättning är en metod som många svenska fluidbäddsanläggningar använder sig av för att undvika bäddagglomerering. Detta förfarande är mycket kostsamt för anläggningsägaren och i längden ekonomiskt ohållbart. Den hårdnande marknaden för skogsprodukter gör att man inom förbränningsindustrin söker alternativa bränslen som till exempel odlade bränslen. Underlag som karaktäriserar dessa relativt nya biobränslen med hög kiselhalt är begränsade och denna studie har till uppgift att kvantifiera bäddagglomereringstendenser för halm, rörflen och hampa i kombination med kommersiella bäddmaterial. Skillnader i agglomereringstendens mellan de olika bäddmaterialen har särskillt studerats. Bäddagglomereringsförsök med en 5 kw bubblande fluidbäddsreaktor har utförts för de tre bränslena i kombination med de olika mineraler som återfinns i natursand ( kvarts, plagioklas och kalifältspat) och ett alternativt bäddmaterial (olivin). Bäddagglomereringsförsöken är utvecklade för att hålla många parametrar konstanta, så att bränsle och bäddmaterialsinteraktioner kan studeras. Under försökens gång har bäddprover tagits och från de begagnade bäddarna har agglomerat samlats för analys med svepelektronmikroskop och energidispertiv röntgenanalys. Försöken har visat att inga skillnader i bäddagglomereringstendens kan urskiljas mellan de studerade bäddmaterialen. Av de studerade bränslena hade halm högst agglomereringstendens följt av rörflen och hampa. Defluidiseringsförloppen för hampa var utdragna och medförde svårigheter vi bestämning av initial defluidiseringtemperatur, även rörflen hade utdraget förlopp. Det bäddmaterial som analyserats visade inte några omfattande tendenser till lagertillväxt på bäddkorn. Bränsleaska återfanns till störst del som enskilda askpartiklar i bädden. De enskilda askpartiklarna som florerade i försöksbäddarna hade en asksammansättning som till stor del kan liknas vid den specificerade bränsleaskan. Kiselstrukturen för bränslena gör att de problem förknippade askelementen binds till de enskilda askpartiklarna i bädden, som medför att de blir kletiga och binder bäddmaterial till sig. Detta antas vara den huvudskaliga orsaken till defluidisering för de utförda försöken och medför att bäddmaterialet ej har betydelse för agglomereringsprocessen för de studerade bränslena. iii

Förord Jag vill härmed tacka mina handledare vid ETPC, Marcus Öhman och Sigrid De Geyter för all assistans och vägledning som jag fått. Jag vill även tacka Anna Öhrström från ÅF- process, för givande diskussion och för visat förtroende att presentera arbetet på referensgruppmötet i April. Stort tack till övrig personal på ETPC som alltid varit behjälpliga vid akuta frågor. Speciellt tack till Ulf Nordström som jag ej skulle klarat detta arbete utan. Thomas iv

Innehållsförteckning 1 INLEDNING... 1 1.1 Bakgrund... 1 1.2 Mål och syfte... 2 2 TEORI... 3 2.1 Bäddagglomerering... 3 2.1.1 Bakgrund till problematiken... 3 2.1.2 Bakomliggande kemiska mekanismer som rapporterats... 4 2.2 Bäddmaterial... 5 2.3 Agrara bränslen... 6 2.3.1 Halm... 6 2.3.2 Rörflen... 6 2.3.3 Hampa... 7 3 METOD OCH UTFÖRANDE... 8 3.1 Bäddmaterial och bränslen... 8 3.1.1 Bäddmaterial... 9 3.1.2 Bränslen... 11 3.2 Bäddagglomereringsförsök i bänkskala... 12 3.3 SEM/EDS-analys av bäddmaterial... 16 4 RESULTAT... 18 4.1 Kontrollerade bäddagglomereringsförsök... 18 4.1.1 Sammanfattande resultat från bäddagglomereringsförsök... 19 4.2 SEM/EDS-analyser på bäddmaterial och agglomerat... 20 4.2.1 Överblick av SEM-resultat... 20 4.2.2 Elementsammansättning hos askpartiklar och agglomerathalsar... 22 5 DISKUSSION... 25 5.1 Bränsle egenskaper vid bäddagglomereringsförsök... 25 5.2 SEM/EDS-analyser... 25 5.3 Agglomereringsmekanismer för de nyttjade bränslena... 26 5.4 Summering av diskussion... 26 6 SLUTSATSER... 27 7 REFERENSER... 28 BILAGOR A Defluidiseringsförlopp från agglomereringsförsöken v

1 Inledning 1.1 Bakgrund Växthuseffekten och begränsade resurser av fossila bränslen har lett till ett ökat intresse för biobränslen. De är förnybara och bidrar ej till växthuseffekten då netto bidraget av koldioxidutsläppen anses kunna bindas upp av nästa generations biomassa. Det är viktigt att förbränningsmiljön är effektiv så att man kan komma så nära en fullständig förbränning som möjligt. Teoretisk förbränning av metan ska bara generera i koldioxid och vatten, men ett biobränsle är komplext och i verkligheten så bildas det många andra föreningar som är icke önskvärda. Receptet för en effektiv förbränning är att det finns tillräckligt med syre, hög temperatur (>850 C), lång uppehållstid (några sekunder) och turbulens för att få en bra syre- och bränslemix. Ett bra sätt att uppnå detta är att använda sig av en fluidiserande bädd, en teknik som lämpar sig bra för både förgasning och förbränning. I en fluidbädd sker förbränningen av bränslet i en sandbädd som genomblåses av luft. Temperaturen och luftgenomströmningen gör att sanden uppför sig som en kokande vätska. Det innebär en bra luft- och bränsleblandning, vilket i sig medför att en relativt låg temperatur kan vidhållas (800-950 C) och bränsleflexibiliteten för anläggningen är stor. De flesta biobränslen innehåller ofta mycket kalcium och kalium. Alkalimetaller har en tendens att ackumuleras i sandbädden, vilket kan medföra problem för fluidbäddspannor. Agglomerering är problem som bland annat kan förknippas med alkali. Bäddkorn sintrar ihop till klumpar som orsakar en sänkning av fluidiseringskapaciteten. När en stor del bäddmaterial klumpat ihop, kan ej en tryckskillnad vidhållas och bädden faller ihop. Bädden kan då inte kylas och temperaturen kan stiga okontrollerbart. Man får ett oplanerat stopp i sin anläggning och måste i värsta fall spetta ut bäddmaterialet (Zintl 1997). Ett annat problem med alkali är att de bildar föreningar som förångas vid låga temperaturer och kan då kondensera på överhettartuber och kylytor i pannans konvektionsdelar. Detta leder till en minskad värmeöverföringsförmåga och en försämring i verkningsgrad för anläggningen. Vissa föreningar med alkali, till exempel salter, är mycket korrosiva och medför en förkortad livstid för överhettare (Andersen, Frandsen m fl 2000). För att förhindra bäddagglomerering har många förbränningsanläggningar en hög omsättning på bäddmaterialet (Brus, Öhman m fl 2003). Förbrukningen av bäddmaterial i biobränsleeldade fluidiserandebäddpannor är i många fall hög och kostsam, en omsättning på 0,5 har registrerats i vissa fall, det vill säga att bädden omsätts varannan dag (Öhman, Nordin m fl 2001). Bäddförbrukning mäts i ton/dag i många anläggningar och för en stor anläggning med hög bäddomsättning kan förbrukningen överstiga 10 ton/dag. Inköpspriset för natursand ligger i dagsläget på cirka 400 500 kr/ton, varav hälften utgörs av transportkostnad. Deponikostnad inklusive frakt kan uppgå till 600 kr/ton, de totala kostnaderna för byte av bäddmaterial överstiger ofta 1000 kr/ton. Det är ej ovanligt att denna kostnad motsvarar 4 8 kr per producerad MWh (Berge, Engvall m fl 2003; (De Geyter, Eriksson m fl 2005). Den höga förbrukningen av bäddmaterial är ej ekonomiskt försvarbar och på lång sikt ohållbar. 1

Med en hårdnande marknad om skogsprodukter, där många slåss om råvaran, söker man inom förbränningsindustrin alternativa agrara 1 bränslen. Inom jordbruket finns stora oanvända arealer som lämpar sig för odling av åkergrödor som kan förädlas till biobränslen. Enligt energimyndigheten står de agrara bränslena för 0,5 TWh, men på längre sikt tror man att kapacitet kan ökas till 22 TWh (STEM 2005). Dessa bränslen är intressanta för deras tillväxtkapacitet och relativt höga värmevärde. En problemkartläggning för dessa bränslen i olika kommersiella bäddmaterial är viktig för att kunna förutse och om möjligt förhindra problem i fullskalig fluidbäddsförbränning. Forskningen kring alternativa bäddmaterial och metoder för att motverka bäddagglomerering har varit intensiv och inom Värmeforsk har ett flertal projekt drivits inom bäddagglomereringsområdet under senare år. Undersökningar där bäddagglomererings tendensen för kommersiella bäddmaterial i kombination med nya åkerodlade biobränslen saknas dock. 1.2 Mål och syfte Syftet med studien är att: i) kvantifiera bäddagglomereringstendensen för tre olika kiselrika odlade bränslen (rörflen, halm och hampa) i kombination med kommersiella bäddmaterial. ii) kvantifiera skillnader i bäddagglomereringskaraktäristik mellan kommande odlade svenska bränslen och mer traditionella biobränslen vid nyttjande av idag kommersiella bäddmaterial 1 Åkerodlade bränslen. 2

2 Teori 2.1 Bäddagglomerering Fluidbäddstekniken är relativt ny (~1950) och bäddagglomerering blev tidigt känd som ett kritiskt problem för teknikens genombrott. Sedan dess har man försökt skaffa sig förståelse för varför bäddagglomerering sker. Agglomerering i en fluidbädd definieras som bildning av bäddpartiklar som är signifikant större än det ursprungliga bäddmaterialets kornstorlek. Termen bäddsintring används ofta synonymt till bäddagglomerering. Relationen mellan viskositet, temperatur för smälta och klibbiga förbränningsprodukter ansågs tidigt vara en viktig faktor för bäddagglomeration. Första studien om bäddagglomeration med biomassa som bränsle kom 1988 (Bitowft och Bjerle 1988), sedan dess har studier om problem vid förbränning och förgasning av biomassa rapporterats frekvent. 2.1.1 Bakgrund till problematiken Under 1997 utfördes en omfattande sammanställning för askrelaterade driftsproblem i ett värmeforskprojekt. Studien är framtagen med underlag från driftserfarenheter och erfarenheter från forskning och utveckling (Nordin och Levén 1997). Följande beskrivningar av agglomerat och uppkomsten av problemet är en summering av agglomerationsdelen från denna studie. Bäddpartiklar som klumpats ihop till mindre klumpar resulterar i sämre fluidisering som i sin tur påverkar förbränningen eller förgasningen av bränslet. Detta kan inverka på anläggningens förbränningsverkningsgrad. Transport av förbrukat bäddmaterial kan bli problematisk, och pannor som använder sig av återcirkulation av bäddmaterial kan få problem.större agglomeratklumpar kan kraftigt påverka fluidiseringen i lokala områden i bädden. Värmeöverföringen påverkas negativt av detta och resulterar i lokalt förhöjda bäddtemperaturer i dessa områden. Detta leder till en acceleration av agglomereringsförloppet, som i värsta fall kan leda till total defluidisering och ett tidsödande arbete för att återställa anläggningen till bruksskick. Bäddagglomerering eller defluidisering uppkommer främst beroende på bränsleaskans förmåga att bilda föreningar med låg smälttemperatur. Smältans karaktäristik beror på bränslets innehåll av oorganiska ämnen och dessa ämnens fysiska och kemiska transformation under förbränningsförloppet. Risken för bäddagglomeration är generellt stor när en större andel smälta finns tillgänglig. Sammansättningen för korn som klibbat ihop är mycket bränslespecifik, vilket medför att agglomereringstemperaturen är bränslespecifik (Öhman och Nordin 1998). Faktorer som påverkar bäddagglomerering är först och främst processtemperatur, i andra hand kommer bränslets innehåll av oorganiskt material. Framförallt alkali som K och Na, men även Ca, Si, S och Cl är ämnen som visat sig påverka smälttemperaturen i hög grad. Smälttemperaturen för de bildade askpartiklarna i bädden är kritisk och får ej överstigas någonstans i bädden. Förbränningsytan på bränslepartiklarna har visat sig ha en signifikant högre temperatur (20-200 C) än resten av bädden (Öhman och Nordin 1996). Storleken på denna temperaturskillnad beror på många parametrar: syrehalt, bränsle, bäddmaterialets kornstorlek, askmängd i bädden m fl. Praktiska parametrar i utformningen av 3

anläggningen som kan påverka inhomogenitet för bäddtemperaturen är bränsleinmatning, primärluftstillförsel och storleksfördelning av bränslet. Bränslets agglomereringsegenskaper kan ej avgöras enbart från studier av bränslets elementsammansättning, viktigt är också att tänka på hur dessa oorganiska ämnen är uppbundna i bränslet. Generellt är de askbildande elementen reaktiva i de temperaturintervall som omfattas av fluidbäddstekniken. 2.1.2 Bakomliggande kemiska mekanismer som rapporterats En omfattande litteraturstudie och kartläggning av de kemiska mekanismerna som orsakar bäddagglomeration har tidigare rapporterats (Brus 2004). Mekanismerna som observerats från agglomereringsstudier har tidigare sammanfattats, se figur 1. Figur 1: Förslag till agglomereringsmekanismer (Brus 2004). Vidhäftning av fasta partiklar som beskrivs i mekanism (1) är den minst troliga vi biomassa förbränning av de föreslagna mekanismerna. För att det ska ske krävs en snabb solidus reaktion mellan aska och bäddmaterial, impaktionstiden mellan partiklarna i en fluidbädd talar emot en sådan reaktion. Smälta askpartiklar (2) och kletig aska på brinnande bränsle partiklar (3) är mer trolig än den första. Kemisk reaktion mellan gas och bäddkorn (4a, b) sker troligtvis där partikel rörligheten är låg lokalt i bädden. Mekanismerna (5-8) visar på en initial lagertillväxt som sedan reagerar med bäddpartikeln, lagret växer inåt i bäddpartikeln och har oftast en homogen sammansättning som är en funktion av bäddmaterialet och 4

bränsleaskan (Öhman, Nordin m fl 2000). Utanför det inre lagret återfinns ännu ett lager som är mer inhomogent och partikulärt. I agglomerationslitteraturen är det mekanismerna (4 8) som dominerar mest för traditionella biobränslen. Kombinationer mellan dessa mekanismer sker sannolikt också till stor del. 2.2 Bäddmaterial De bäddmaterial som används i kommersiella anläggningar i Sverige är olika typer av natursand, i första hand Baskarpsand, Rådasand eller Silversand. Sand från lokala sandtag är också vanligt. Forskning har visat att att val av bäddmaterial kan inverka på agglomereringstendenserna för kalcium- och kaliumrika bränslen som till exempel skogsbränslen (De Geyter, Eriksson m fl 2005). Olivinsand är ett alternativt bäddmaterial som har visat en lägre agglomereringstendens jämfört med kvarts för kaliumrika bränslen (De Geyter, Eriksson m fl 2005). Hyttsand är en restprodukt från järngjutning som har visat positiva egenskaper som bäddmaterial. Vid förbränningsförsök med oliv-, rörflen- och barkbränsle minskade agglomereringstendenserna för hyttsand jämfört med silversand (De Geyter, Eriksson m fl 2005; (Eklund, Brus m fl 2003). Liknande resultat kunde rapporteras från Finlands motsvarighet till hyttsand, som kallas GR-Granule, där förbränningsförsök med kaliumrika bränslen utfördes i bänkskala (Nuutinen, Tiainen m fl 2004). Hyttsanden är dyrare än silversanden men det vägs upp av fördelarna att billiga besvärliga bränslen kan nyttjas och bäddomsättningen kan minskas. Magnesiumoxid har visat en positiv inverkan med avseende på agglomereringstendens vid bänkskaleförsök med bark och olivkross jämfört med silversand. Inga bäddkornslager kunde registreras vid barkförsöken (De Geyter, Eriksson m fl 2005). Zintl gjorde även försök med magnesiumoxid, zirkonsand och mullit, dessa bäddmaterial visade bra motståndskraft mot alkaliska angrepp (Zintl 1997). Dessa material är dock mer exklusiva och därmed dyra. Ett annat material som inkluderades i Zintl s studie var kalcinerad dolomit och rapporterades som det bästa bädd-materialet av de studerade. 5

2.3 Agrara bränslen Åkerodlade bränslens kemiska sammansättning varierar mycket beroende på mark och gödsling, även skördetid har betydelse. Under vinterhalvåret sker en urlakning av element som klor och kalium och därför föredras att grödorna skördas på våren. En annan fördel med att skörda på våren är att torrhalten är hög, en torrhalt på mellan 80-90 % är inte ovanlig. Effektiva värmevärdet är cirka 16-17 MJ/kg av TS för de tre bränslen valda till denna studie. 2.3.1 Halm I Danmark har man använt halm som bränsle i större skala i cirka 30 år. Det har resulterat i relativt bra kunskaper om problem som kan uppstå vi förbränning av halm. Halm innehåller ofta stora mängder alkali och klor, som kan ge problem vid förbränning. En metod att minska halterna av ej önskvärda ämnen är att låta halmen ligga kvar på åkern och utsättas för regn, då kalium och klor till stor del urlakas (Bernesson och Nilsson 2005). Normalt skördas halmen på hösten, de större tillgångarna finns i Skåne, mälarområdet, Väster- och Östergötland. Idag räknar man med att det finns ett stort överskott på halm i Sverige som kan användas till biobränsleförbränning. 2.3.2 Rörflen Odlingar med rörflen är få i Sverige, det beror på att skördnings- och förädlingsmöjligheterna ligger på försöksnivå (Glommers Miljöenergi AB 2002). Rörflen är en flerårig stråväxt som kan bli upp till 2 m hög. Den odlas på vanlig åkermark men trivs bäst i mullrika fuktiga jordar. Under hösten omlokaliserar växten sin växtnäring från blad och strå ner till rotsystemet, vilket innebär att alkali och andra problem förknippade element reduceras i bränslet. Därför är vårskördning av rörflen att föredra. En annan fördel är att växten har en högre torrhalt vid vårskördning och man slipper därmed ett torksteg innan förädling, till exempel pellets. Rörflen som odlats i mullrika jordar ger en lägre askhalt än den som odlas i lerrika jordar (Burvall 1997). 6

2.3.3 Hampa Hampa är en ettårig växt som kan bli upp till 6 m hög, men det ogynnsamma svenska klimatet gör att den bara blir 2-3 m hög. Växten innehåller drogämnet THC 1 och var förbjuden för odling i Sverige fram till 2003, då industrihampa blev tillåten som fibergröda. Kravet för att få odla hampa är att THC-halten måste vara lägre än 0,2 % och ett särskilt tillstånd måste utfärdas. Växtens olika delar har flera olika användningsområden, den har långa starka fibrer som lämpar sig för papperstillverkning eller isolermaterial till byggnader. Ur hampfröet kan man utvinna olja till livsmedels- och kosmetikaindustrin (Castelman 2001). Bränslet framställs från vedämnen i hampans stjälk. Hampan erbjuder många användningsområden vilket gör den till ett intressant alternativ som industrigröda. Under höst- och vinterhalvåret omfördelar växten näringsämnena till roten och bladen faller av. En utveckling av lämplig skörde- och hanteringsteknik är viktig för industrihampans genombrott som energigröda (Sundberg och Westlin 2005). 1 Tetra Hydro Cannabinol. 7

3 Metod och utförande Kontrollerade bäddagglomereringsförsök i bänkskala utfördes för de olika bränsle- och bäddmaterialskombinationerna. Bäddprover som genererats från försöken har analyserat med hjälp av svepelektronmikroskåp (SEM) och energidispertiv röntgenanalys (EDS). 3.1 Bäddmaterial och bränslen De bäddmaterial som nyttjades till studien var olivin och olika mineraler som återfinns i kommersiella natursander som används i fullskaleanläggningar. Natursandernas mineralogiska sammansättning består till stor del av kvarts och fältspater. Bland fältspaterna återfinns oftast plagioklas och kalifältspat. De Biobränslen som nyttjades till projektet var typisk vårskördad rörflen, vetehalm och vårskördad energihampa. Bäddmaterialen som nyttjades var kvarts, olivin, k-fältspat och plagioklas. Bäddagglomereringsförsök utfördes med alla bädd- och bränslekombinationer. Totalt utfördes 12 försök se tabell 1. Tabell 1: Överblick över utförda förbränningsexperiment. Halm Rörflen Hampa Kvarts x x x Olivin x x x K-fältspat x x x Plagioklas x x x 8

3.1.1 Bäddmaterial Mängden bäddmaterial som användes vid varje försök var 542 g. Storleksfraktionen på sanden som användes låg mellan 100 och 125 µm. Anledning till det snäva fraktionsintervallet var att efter försöken underlätta bestämningen av eventuell lagertillväxt av agglomerat på kornen. I tabell 2 nedan redovisas elementsammansättningen för bäddmaterialen som nyttjades i försöken. Tabell 2: Bäddmaterialens elementsammansättning (givet som oxider i vikt-% av prov) (De Geyter, Eriksson m fl 2005). Kvarts Olivin Plagioklas K-fältspat (Ca, Na)-fältspat SiO 2 98,9 42,05 54 66,2 Al 2 O 3 0,181 0,45 27 19,3 Fe 2 O 3 0,123 7,05-0,1 CaO 0,123 0,075 11 1,3 MgO 0,129 49,5-0,1 Na 2 O 0,004-6 4,8 K 2 O 0,06 - - 8,2 MnO 0,013 0,075 - - P 2 O 5 < 0,012 - - 0,12 TiO 2 0,04 - - - Cr 2 O 3-0,25 - - NiO - 0,325 - - Rb 2 O - - - 0,07 Kvartsand Kvartssanden som nyttjades vid försöken bestod till 98,9 % av SiO 2 och levererades från Askania AB. Sammansättningen för kvarts i tabell 2 är hämtat från leverantörens specifikation. Tidigare utförda bäddagglomereringsförsök har nyttjat denna sand och det ger en möjlighet att jämföra tidigare förbränningsförsök med dessa. Fältspat Fältspat är benämningen för en stor och varierande grupp av mineraler. Fältspater är jordskorpans vanligaste mineral och i natursand förekommer fältspater i varierande halter Bland fältspaterna i natursand hittas oftast plagioklas och kalifältspat. Fältspater kännetecknas av silikatmineralen innehållande aluminium med olika inslag av kalium, natrium och/eller kalcium. Fältspaters skillnad gentemot kvarts är den något lägre hårdheten (6 i Moh s hårdhetsskala) och smälttemperaturen (Spicar 1995). Fältspater har en hög spaltbarhet, det innebär att väl avgränsade kristallplan eller plana begränsningsytor kan bildas som reflekterar ljuset likt en spegel. 9

Plagioklas Plagioklas har liknande egenskaper som kalifältspat. Den innehåller natrium och kalcium i varierande proportioner, som utgör en skala från ren natriumplagioklas (albit) till ren kalciumplagioklas (anortit). Den plagioklas som nyttjades under agglomereringsförsöken har samma sammansättning som den plagioklas som finns i Rådasand, den benämns labradorite (Na 0,4 Ca 0,6 Al 1,6 Si 2,4 O 8 ). I värmeforskprojektet F4-343 utfördes en analys av oanvänt bäddmaterial med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM) och energidispertiv röntgenanalys (EDS) (De Geyter, Eriksson m fl 2005). Analysresultaten är den sammansättning som återfinns i tabell 2. Kalifältspat I agglomereringsförsöken användes en oren kalifältspat som enligt leverantörens uppgift bestod till störst del av kalifältspat. Sammansättningen i tabell 2 är hämtad från leverantörens specifikation. XRD-analys visade att faserna i utgångsmaterialet bestod av microline (KALSi 3 O 8 ), albit (NaAlSi 3 O 8 ), plagioklas ((Na,Ca)Al(Si,Al) 3 O 8 samt SiO 2 (De Geyter, Eriksson m fl 2005). Olivinsand Olivinsand valdes för att det i tidigare undersökningar visat sig lämpligt för kaliumrika bränslen. Olivin består huvudsakligen av (Mg, Fe) 2 SiO 4 och sammansättningen i tabell 2 är hämtat från leverantörens specifikation. 10

3.1.2 Bränslen Biobränslena som nyttjades var pelleterade till en diameter på 8 mm och fukthalten var cirka 9 %. Sammansättningen för de nyttjade bränslena med avseende på askbildande element återfins i tabell 3. De mest betydande elementen var kisel, kalium och kalcium. För rörflen och hampa återfanns även aluminium. Gemensamt för bränslena var den relativt höga halten av kisel i jämförelse med andra typiska biobränslen, till exempel bark (De Geyter, Eriksson m fl 2005), där motsvarande kiselhalt är cirka 15 vikt-%. Askhalten var högre för rörflen än för halm och hampa Tabell 3: Bränslesammansättning baserad på askbildande huvudelement. Halm Rörflen Hampa Torrhalt* 91,6 91,0 91,0 Askhalt** 7,10 10,70 5,90 Cl** 0,25 0,05 0,03 S** 0,11 0,09 0,08 SiO 2 *** 57,80 77,0 56,0 Al 2 O 3 *** 1,0 5,50 7,20 Fe 2 O 3 *** 0,30 1,40 4,40 CaO*** 10,40 3,80 13,0 MgO*** 1,90 1,10 1,60 Na 2 O*** 0,60 0,66 1,30 K 2 O*** 12,50 4,10 5,30 MnO*** - 0,17 0,27 P 2 O 5 *** 3,30 1,90 3,0 TiO 2 *** 0,10 0,18 0,28 *) Vikt-% av prov **) Vikt-% av TS ***) Vikt-% av aska Bränsleaskans hos samtliga bränslen domineras av kisel. Halm har den högsta kaliumhalten och rörflen har lägst kalciumhalt. Halm har även hög klor och svavelhalt i jämförelse med de övriga bränslena. 11

3.2 Bäddagglomereringsförsök i bänkskala Förbränningsexperimenten utfördes i en bubblande fluidbädd i bänkskala (5kW) se figur 2. Reaktorn är tillverkad i rostfritt stål och är cirka 3 meter hög. Innerdiametern är 100 mm i bäddregionen och 200 mm i fribordssektionen. Figur 2: Schematisk bild över försöksuppställningen. En perforerad rostfri platta med 1 % öppen hålarea (90 hål) används som distributionsplatta. Sandbädden som är lokaliserad ovan plattan genomblåses av primärluften som förvärms med hjälp av elvärmare. En gasolbrännare är belägen under distributionsplattan för möjligheten att värma bädden externt utan att tillsätta fastbränsle, anledningen är att undvika ojämn temperaturfördelning i bädden. Reaktorkroppen är omgiven av väggvärmare och är isolerad för att minska effekten av kalla väggar och därmed få en jämn kontrollerbar temperatur i fribordsregionen. Bäddtemperaturen mäts på fyra olika ställen med termoelement av typ N och i fribordssektion återfinns fyra termoelement. Maximal temperatur för reaktorn är dimensionerad till 1050 C. Bäddtryck mäts vid fyra olika positioner i bädden för att kontrollera fluidiseringsegenskaperna. Reaktorn styrs från ett kontrollprogram som loggar alla data var femte sekund. Fastbränsle matas in ovanför bädden med hjälp av en cellmatare med variabel hastighet och rökgaserna renas från flygaska med hjälp av en cyklon. Varje försök startade med att reaktorn värmdes externt med hjälp av värmarna till 800 C. Bränslet matas in och antänds av den höga temperaturen. Fluidiseringshastigheten styrs av primärluften som tillsätts genom bädden, den sattes till 4 gånger högre än den lägsta hastigheten på luften som krävs för att bädden ska fluidisera. 12

Förbränningsegenskaperna kontrollerades genom mätning av syrehalten i rökgaserna, den vidhölls vid 6 % syrgas i genomsnittlig koncentration av rökgaserna. Reaktorn är försedd med en observationslucka som kan öppnas. Genom den togs bäddprover ut under förbränningsfasen med hjälp av en luftkyld bäddprovtagare, se figur 3. Bäddprover togs ut vid olika tider 1 från uppstarten av försöken. Figur 3: bäddprovtagare som användes vid bäddagglomereringsförsöken. Varje bränsle- och sandkombination förbrändes separat med en bäddtemperatur på 800 C i 40 h eller tills defluidisering inträffade. Efter inaskningsfasen (förbränning av fast bränsle) stängdes bränslematningen av och bädden värmdes externt med hjälp av elvärmarna och gasolbrännaren. Värmarna styrdes enligt en förprogrammerad linjär kurva med en uppvärmningshastighet på 3 C/min, upp till maximalt 1050 C eller tills dess att defluidisering inträffade. Tack vare den kontrollerade uppvärmningen kan den bränsle och bäddmaterial specifika agglomereringstemperaturen bestämmas med stor säkerhet. Metoden är utvecklad för att kunna ge en repeterbarhet på ±5 C(SD) (Öhman och Nordin 1998). Vid defluidisering sker en signifikant förändring av differenstrycket över bädden. Med hjälp av bäddtryck- och bäddtemperaturgivarna kan initial defluidiseringstemperatur bestämmas. Halm och rörflen defluidiserade under inaskningsfasen utan att bäddtemperaturen höjdes externt, utifrån dessa försök kan ej en specifik agglomereringstemperatur anges. Resultaten för dessa försök anger därför tiden till initial defluidisering. 1 Tidpunkter för provtagning: 0.5 h, 1 h, 1.5 h, 2 h, 3 h, 4 h, 6 h, 12 h, 16 h, 24 h, 32 h och 40 h 13

I figur 4 visas data för ett typiskt experiment med halm som bränsle, i detta fall i kombination med kvarts. De två övre linjerna i figuren är bäddtrycken som mäts kontinuerligt över och under bädden. Dess skala återfinns till höger om figuren och mäts i mbar. De två nedre linjerna i figuren är värden från två temperaturgivare över och under bädden, dess skala återfinns till vänster i figuren och mäts i C. En tydlig indikering på bäddagglomeration är när bäddtrycken faller hastigt. Vid den tidpunkt då defluidisering inträffat stiger den övre av bäddtemperaturerna kraftigt, beroende på att bädden tappat sin kylförmåga. Rörflensförsökens defluidiseringsförlopp var utdraget och långsamt i jämförelse med halm. Det kan till stor del liknas vid hampaförsökens förlopp. Halm i kombination med kvarts 1300 4,5 1200 4 Bäddtemperatur [ C] 1100 1000 900 800 Differenstryck i bädden 3,5 3 2,5 2 1,5 Bäddtryck [mbar] 700 Bäddtemperaturer 1 600 0,5 500 0 14:21:13 14:41:13 15:01:13 Figur 4: Bäddtemperaturer och tryck över bädden vid agglomereringsförsök när halm nyttjades som bränsle. 14

Hampan som nyttjades klarade inaskningsfasen med de olika bäddmaterialen utan att defluidisera och förbrändes därmed i 40 h. Den externa uppvärmningsfasen startades och bädden värmdes från 800 C med en hastighet på 3 C/min. Temperaturökningen resulterade i ett utdraget defluidiseringsförlopp. Den bränslespecifika initiala defluidiseringstemperaturen kan normalt bestämmas med god precision med detta förfarande, men det utdragna förloppet för hampa medförde svårigheter vid bestämningen av den initiala defluidiseringstemperaturen. Kalifältspat i kombination med hampa 1300 8 1200 7 Bäddtemperatur [ C] 1100 1000 900 Differenstryck i bädden Bäddtemperturer 6 5 4 3 2 Bäddtryck [mbar] 800 Extern uppvärmning 1 700 0 13:00:47 13:25:47 13:50:47 14:15:47 Figur 5: Bäddtemperaturer och tryck över bädden vid kontrollerat bäddagglomereringsförsök med hampa i kombination med kalifältspat. Mängden bränsle som förbrukades vid varje bäddagglomereringsförsök var 0,9 kg för halmförsöken, 3 kg för rörflensförsöken och 12 kg för hampaförsöken. När defluidisering inträffat och reaktorn kallnat, plockades bädden ut och genomsöktes efter agglomerat som sparades för vidare SEM/EDS-analys. 15

3.3 SEM/EDS-analys av bäddmaterial De bäddprover som valdes för analys var de senaste som togs innan defluidisering inträffade och de agglomeratklumpar som bildats efter defluidisering. Tidpunkter för de valda bäddproverna för respektive körning redovisas i tabell 4. Tabell 4: Valda prover för SEM/EDS-analys. Halm (tid från uppstart) [h] Rörflen (tid från uppstart) [h] Hampa (tid från uppstart) [h] Kvarts 1.5 6 40 Olivin 1.5 6 40 K-fältspat 2 6 40 Plagioklas 2 6 40 Bäddproverna gjöts in i epoxy för att fixeras, se figur 6. Detta medför att ett tvärsnitt av bäddkornen kan slipas fram och studier av eventuella lager möjliggörs. Det är också en fördel att fixera prover för instrumentets del, vilket kan skadas om lösa partiklar återfinns i vaccumkammaren. Figur 6: Bäddmaterial fixerat i epoxy för möjlighet att studera lagertillväxt med hjälp av SEM/EDS-analys. Puckarna slipas och poleras med kisel-carbidpapper till den snittyta som ska undersökas. Kisel-carbidpapper benämns ofta i folkmun som våtslipssandpapper, men för att förhindra att vattenlösliga föreningar, t.ex. klorföreningar, löses upp och spolas bort från snittytan, slipas puckarna utan vatten. Prover och agglomerat som tagits från bäddagglomereringsförsöken analyseras sedan med svepelektronmikroskop (SEM) med tillhörande energidispertiv röntgenanalys (EDS). Provet förs in i en vaccumkammare där de beskjuts av en elektronstråle. När elektronerna träffar atomerna i provet reflekteras de och genererar en mängd olika signaler. Specifika signaler tolkas av programvaran som ger upphov till en bild. Strålningen som avges har en specifik energi- karaktäristik för de olika elementen. Strålningen från analyspunkterna mäts och ger upphov till elementsammansättningen för partiklarna. Djupet på analysen är beroende av vilken inställning för spänning och ström elektronstrålen har. Det är viktigt att tänka på när tunna agglomeratlager ska analyseras, den yta som visas i mikroskopet kan vara skild från analyspunkten, s.k. päroneffekt. 16

Med svepelektronmikroskåpet kan askpartiklar och sandkornen med lager från bränsleaska studeras och med EDS instrumentet utförs elementaranalyser av intressanta områden. För att vara säker på att analysen av ett lager innehåller så lite brus som möjligt, det vill säga undvika päroneffekt, analyseras bara de korn som har störst tvärsnittsyta. Totalt 5 bäddkorn per bäddprov analyserades med avseende på utseende och elementsammansättning. Varje bäddkorn analyserades med 4 punktanalyser i angreppslagret samt en i själva kornet. Askpartiklar analyserades för varje agglomerat- och bäddprov. Dessutom analyserades bäddagglomeratens halsar som bildats mellan bäddkorn med liknande metodik som för bäddproverna. 17

4 Resultat 4.1 Kontrollerade bäddagglomereringsförsök Tabell 5 nedan visar en översikt av resultaten från agglomereringsförsöken. Resultaten för förbränning av halm och rörflen, som defluidiserade innan 40 h passerat, är angivna i tidsenheter och mängden ingående bränsleaska till defluidisering. Den ingående askmängden är beräknad från mängden bränsle som förbrukats och askhalterna från tabell 3. Hampa klarade inaskningsfasen utan att defluidisera och de initiala defluidiseringstemperaturer redovisas i tabell 5. De utdragna agglomereringsförloppen för hampa bidrog till svårigheter att exakt bestämma initial defluidiseringstemperatur. Angivna temperaturer för hampa bör därför betraktas som ett ungefärligt mått på initial defluidiseringstemperatur. Tabell 5: Resultat från de kontrollerade bäddagglomereringsförsöken. Tid* [h] Halm Rörflen Hampa Ingående mängd Ingående mängd Initial bränsleaska Tid* bränsleaska defluidiseringstemp. [g] [h] [g] [ C] Olivin 2 60 7 260 840 ± 20** Kvarts 2 60 10 350 860 ± 20** Plagioklas 2 60 9 320 830 ± 20** K-fältspat 2 60 8 300 870 ± 20** *) Den uppmätta tiden från att bränsle börjar matas in till defluidisering. **) Det relativt stora temperaturintervallet beror på svårigheter vid bestämmandet av initial defluidiseringstemperatur, p.g.a. utdraget förlopp. Rörflen experimentens defluidiseringsförlopp hade liknande egenskaper som för hampa. Halm experimentens defluidiseringsförlopp skiljde sig dock från rörflen och hampa, då förloppet var mer tydligt och distinkt. De utförda försöken skiljer sig jämfört med tidigare utförda bäddagglomereringsförsök med till exempel skogsbränslen. För dessa ges oftast ett tydligt defluidiseringsförlopp och där initial defluidiseringstemperatur kan bestämmas med god precision (Skrifvars, Zevenhoven m fl 2000). Orsaken till agglomerering vid dessa försök har varit en lagertillväxt på kornen som efter extern uppvärmning klistrat ihop bädden. Som väntat var halm ett problembränsle och hade högst agglomereringstendens av de studerade bränslena. När rörflen nyttjades som bränsle var skillnaden i försökstider större än vid halmförsöken. Gemensamt för rörflensförsöken var trenden för bäddtrycken, från uppstarten av försöken var bäddtrycken avtagande tills bäddtrycken var så låga att de sammanföll till defluidisation. 18

I de begagnade bäddarna från försöken kunde visuella olikheter för de studerade bränslena urskiljas. Gemensamt för bränslena var att en stor mängd askpartiklar kunde återfinnas. Askpartiklarna från halmförsöken var stora och pelletsformade. De var porösa med ett tuntlager av bäddmaterial på ytan. Askpartiklarna från rörflens- och hampaförsöken var i form av tunna stickor i fin fraktion. 4.1.1 Sammanfattande resultat från bäddagglomereringsförsök Halm hade högst agglomereringstendens av de studerade bränslena. Rörflen och hampa hade liknande utdragna defluidiseringsförlopp, där rörflen hade något högre agglomereringstendens än hampa. Bäddagglomereringsförsöken för respektive bränsle gav ej upphov till några signifikanta skillnader för de olika bäddmaterialen. 19

4.2 SEM/EDS-analyser på bäddmaterial och agglomerat Bäddprover från agglomereringsförsöken har noggrant studerats genom SEM/EDS-analys. Snittytan för varje provpuck innehåller cirka tjugotusen bäddkorn. Andelen återfunna bäddkorn med lagertillväxt var extremt låg och uppskattas till mindre än 0,1 % av den totala mängden bäddpartiklar i provet. I de flesta fall har varken lager eller agglomerathalsar återfunnits på bäddkornen. Eftersökta lageregenskaper och agglomerathalsar illustreras i figur 7. Bränsleaskkomponenterna återfanns istället som enskilda askpartiklar i bädden. Bäddkorn Lager Agglomerathals Figur 7: Exempel på eftersökta lager (till vänster) och agglomerathalsar (till höger). I de få fall där bäddkornslager återfanns var det bara ett tunt lager som speglade bränsleasksammansättningen. Dessa lagers ringa tjocklek gjorde det svårt att betsämma elementsammansättning utan störning av bäddkorn. 4.2.1 Överblick av SEM-resultat Halm De få bäddkornslager som återfanns hos bäddkorn från halmförsöken täckte bara kornen delvis, se figur 8. Inga skillnader i kvantitet eller egenskaper med avseende på lagertillväxt kunde registreras mellan de olika bäddmaterialen. Figur 8: Typisk överblick för halmprover. Ett korn delvis belagt med lager och inget på närliggande bäddkorn. 20

Rörflen Lager eller agglomerathalsar kunde ej återfinnas när rörflen nyttjats som bränsle. Askpartiklar som delvis varit smälta återfanns till stor del i provet se figur 9. Askpartiklar Figur 9: Typisk överblick för rörflensprover. Enskilda askpartiklar florerar bland bäddmaterialet, bäddkornen saknar lager. Hampa När hampa nyttjades som bränsle återfanns bäddkorn med lager i något större omfattning än när halm och rörflen nyttjades. Kornen var bara delvis belagda med ett tunt lager, se figur 10. I jämförelse med liknande försök med skogsbränsle där nästan alla bäddkorn har lager runt om, (se infälld bild i figur 10) är det ytterst få korn med lager från hampaförsöken. Agglomerat producerat vid förbränning av bark Figur 10: Typisk överblick av hampaprover och infälld bild från (De Geyter, Eriksson m fl 2005) där förbränningsförsök med bark utfördes. 21

4.2.2 Elementsammansättning hos askpartiklar och agglomerathalsar Enskilda askpartiklar Elementsammansättningen hos de enskilda askpartiklarna och de enstaka bäddkornslagren kan till stor del liknas vid bränsleaskans sammansättning. De dominerande elementen var kisel, kalium och kalcium. Spår av aluminium och magnesium kunde också registreras. Elementsammansättningen hos de olika askpartiklarna som återfunnits åskådliggörs i figur 11. De tre figurerna ovanför diagrammet visar typiska askpartiklar som återfanns i bädden efter respektive bränsleförsök. Halm Rörflen Hampa Atom-% 100 80 60 40 Halm enskilda askpartiklar Halm bränsleaska Rörflen enskilda askpartiklar Rörflen bränsleaska Hampa enskilda askpartiklar Hampa bränsleaska 20 0 Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe Figur 11: Elementsammansättning för återfunna askpartiklar. De staplar utan avvikelseintervall benämnda bränsleaska är asksammansättningen för respektive bränsle. 22

Agglomerathalsar Ytterst få agglomerathalsar och bäddkornslager återfanns från försöken. De som förekom var framförallt från försöken med halm och hampa. Elementsammansättningen hos dessa illustreras i figur 12 och 13. Kvarts-halm Olivin - halm Atom-% 100 80 60 40 Plagioklas agglomerathalsar Kvarts agglomerathalsar Olivin agglomerathalsar Bränsleaska 20 0 Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe Figur 12: Elementsammansättning för de få agglomerathalsar som återfanns från halmförsöken. Sammansättningen hos agglomerathalsarna återspeglas till stor del av bränsleaskan för halm (de vita staplarna i diagrammet). Den relativt höga halten av magnesium från försöken i kombination med olivin kan bero på en viss interaktion mellan aska och bäddmaterial. Liknande egenskaper kan noteras från den relativt höga halten av kisel för kvartsförsöket. 23

Olivin - hampa Kvarts - hampa Atom-% 100 80 60 40 Kvarts lager Olivin lager Bränsleaska Kvarts agglomerathals 20 0 Na Mg Al Si P S Cl K Ca Mn Fe Figur 13: Elementsammansättning för de få återfunna agglomerathalsar och lager från hampaförsöken. Elementsammansättningen för de studerade lagren och agglomerathalsarna återspeglas till stor del av bränsleaskan för hampa (de vita staplarna i diagrammet). Lager eller agglomerathalsar tjocka nog för analys återfanns ej från försöken med kalifältspat och plagioklas. Även för hampa kan tendenser till interaktioner mellan aska och bäddmaterial noteras från diagrammet, där kiselhalterna är något högre för kvartsanalyserna. 24

5 Diskussion 5.1 Bränsleegenskaper vid bäddagglomereringsförsök Halm De begagnade bäddmaterialen från halmförsöken innehöll en stor mängd koksliknande askpartiklar med bäddmaterial fastklistrade på ytan. Liknande resultat för halm har beskrivits av forskare i Danmark (Lin, Dam-Johansen m fl 2003), detta förklaras med att temperaturen blir signifikant högre vid förbränning av kokspartiklar än den temperatur som råder i bädden (Öhman och Nordin 1996). Den höga temperaturen gör att oorganiskt material i kokspartikeln smälter och rinner ut till ytan. Sedan kolliderar sandkorn med dessa brinnande partiklar och blir fastklistrade i det oorganiska materialet. Rörflen och hampa Askpartiklarna för rörflen och hampa skiljde sig något från halm, de var i finare fraktion och mer jämt fördelad i bädden. Kiselstrukturen för bränslena gör att de problem förknippade askelementen är hårt bundna till de enskilda askpartiklarna i bädden, som medför att de blir kletiga och binder bäddmaterial till sig. Vid försöken fastnade bäddmaterial på väggarna i reaktorn, vilket styrker antagandet om att askpartiklarna varit klibbiga under försökens gång. Rörflen hade den högsta askhalten av de studerade bränslena och de kunde bekräftas visuellt från de begagnade bäddarna från rörflensförsöken. Den stora mängden aska kan vara av betydelse för defluidiseringsförloppet. Den teoretiska askmängden utgjorde vid försöksslut cirka en tredjedel av bädden och det kan ha medfört en kontinuerlig försämring av fluidiseringsegenskaperna tills att bädden ej kunde vidhålla en tryckdifferens. 5.2 SEM/EDS-analyser Lagertillväxt har påträffats för halm och hampa på ytterst få korn i jämförelse med liknande försök med skogsbränslen, där nästan alla korn har lager. För rörflen kunde inga lager noteras. Den låga andelen av återfunna lager och de utdragna agglomereringsförloppen tyder på att de enskilda askpartiklarna som florerade i bädden var orsaken till defluidisering. Askpartiklarna som återfanns bedömdes ofta varit smälta, och elementanalyserna visade att de flesta elementen bibehölls i askpartiklarna. Detta medförde att en jämförelse av smälttemperaturer i fasdiagram blev för osäker. I nuläget finns bara utvecklade fasdiagram för högst tre komponenter. En viss grad av interaktion mellan aska och bäddmaterial noterades för de få lager och agglomerathalsar som återfanns. 25

5.3 Agglomereringsmekanismer för de nyttjade bränslena Umeå Universitet De kiselrika bränslena som studerats i detta arbete visar på signifikanta skillnader i agglomereringsmekanismer i jämförelse med mer traditionella biobränslen (t ex skogsbränslen) som studerats under liknande förbränningsegenskaper. Halm, rörflen och hampas agglomereringsmekanismer kan till stor del beskrivas med mekanism (2) och (3) från figur 1, där smälta enskilda askpartiklar och kletig aska på brinnande bränslepartiklar kolliderat med bäddmaterialet. Och/eller mekanism (5) för halm och hampa där de smälta askpartiklarna kolliderar med bäddpartiklarna och ger ett lager, som till viss del interagerar med bäddmaterialet. De ytterst få korn med lager från agglomereringsförsöken, medför att dessa interaktionsegenskaper har liten betydelse för defluidiseringsförloppet. Traditionella biobränslen agglomererar oftast genom mekanismerna (6-8), där alkali och kalcium ger en klibbig lagertillväxt på bäddmaterialet. 5.4 Summering av diskussion Bäddagglomereringsförsöken visade ej på några signifikanta skillnader för de olika bränslena i kombination med de nyttjade bäddmaterialen. Bäddmaterialet olivin har visat en lägre agglomereringstendens för kaliumrika bränslen i tidigare studier. Men liknande antagande kan ej göras för de studerade bränslena i detta projekt. På grund av bränsleaskans egenskaper har bäddmaterialet minimal betydelse för agglomereringsförloppet. Anledningen till defluidisering för försöken är att askmängden i kombination med temperaturen gör att askpartiklarna klibbar ihop med varandra och orsakar defluidisering när tillräckligt mycket material har klistrats ihop. Bränslena som användes kan kategoriseras som agrara, men de visade skillnader i agglomereringstendenser jämfört med varandra. Därför bör man vara försiktig med att extrapolera resultat från dessa studerade bränslen till andra med liknande sammansättning. Små skillnader i sammansättningen och hur ämnen är bundna i bränslet kan vara av stor betydelse för agglomereringsförloppet. Innan man börjar förbränna ett nytt bränsle i fullskala bör man karaktärisera bäddagglomereringstendenserna i bänk- eller pilotskala för att förhindra ovälkomna överraskningar. 26

6 Slutsatser i) Av de studerade bränslena hade halm högst agglomereringstendens följt av rörflen och hampa. ii) iii) De nyttjade bränslena gav ej upphov till någon signifikant lagertillväxt hos de olika nyttjade bäddpartiklarna. Bränsleaskan återfanns i bädden i form av klibbiga enskilda askpartiklar. Inga signifikanta skillnader i agglomereringstendens vid nyttjande av de olika bäddmaterialen kunde därför skönjas då kiselrika agrarabränslen nyttjades. 27

7 Referenser Andersen, K. H., F. J. Frandsen, P. F. B. Hansen, K. Wieck-Hansen, I. Rasmussen, P. Overgaard och K. Dam-Johansen (2000). "Deposit formation in a 150 MWe utility PFboiler during co-combustion of coal and straw." Energy & Fuels 14(4): 765-780. Berge, N., K. Engvall, M. Landtblom, J. Larfeldt, B. Ljungdahl, A. Malmgren, L. Rudling och F. Zintl (2003). The TPS Branch Research Program for District Heating Utilities 1999-2000. Summary of projects. Bernesson, S. och D. Nilsson (2005). Halm som Energikälla - Översikt av existerande kunskap, SLU, Institutionen för biometri och teknik. Bitowft, B. K. och I. Bjerle (1988). "A generic study of the sinthering aspects of biomass in a fluid-bed gasifier." Energy Biomass Wastes, 11, 511-529. Brus, E. (2004). "Bed agglomeration during combustion and gasification of biomass fuels - mechanisms and measures prevention." Umeå University: p. 41. Brus, E., M. Öhman, A. Nordin, B.-J. Skrifvars och B. Rainer (2003). "Bed material consumption in biomass fired fluidised bed boilers due to risk of bed agglomeration - Coating formation and possibilities for regeneration." IFRF Combustion Journal. Burvall, J. (1997). "Influence of harvest time and soil type on fuel quality in reed canary grass (Phalaris arundinacea L)." Biomass & Bioenergy 12(3): 149-154. Castelman, T. (2001). Hemp biomass for energy. Fuel and fiber company. De Geyter, S., M. Eriksson, M. Öhman, A. Nordin, D. Bostroem och M. Berg (2005). "Skillnader i Bäddagglomereringstendenser mellan alternativa bäddmaterial och olika mineraler i natursand." Värmeforsk Sverige AB. 30. Vol. 920. Eklund, A., E. Brus, M. Öhman, H. Hedman, D. Bostroem och A. Nordin (2003). "Utvärdering av Hyttsand som bäddsand i FB-anläggningar, Förstudie och laboratorieförsök." Värmeforsk Sverige AB. 30. Vol 832. Glommers Miljöenergi AB (2002). Rörflensodling - en handbok. Lin, W. G., K. Dam-Johansen och F. Frandsen (2003). "Agglomeration in bio-fuel fired fluidized bed combustors." Chemical Engineering Journal 96(1-3): 171-185. Nordin, A. och P. Levén (1997). "Askrelaterade driftsproblem i biobränsleeldade anläggningar." Värmeforsk Sverige AB. 30. Vol 607. Nuutinen, L. H., M. S. Tiainen, M. E. Virtanen, S. H. Enestam och R. S. Laitinen (2004). "Coating layers on bed particles during biomass fuel combustion in fluidized-bed boilers." Energy & Fuels 18(1): 127-139. 28