Förädling av skogsbränsle genom torrefiering och efterbehandling

Förädling av skogsbränsle genom torrefiering och efterbehandling på uppdrag av Slutrapport Datum: 2012-09-28 Ingemar Olofsson och Martin Sjöström C/O Umeå Energi Box 224 90105 Umeå, Sweden Telefon: +4670-5847391 E-post: ingemar.olofsson@chem.umu.se

Sammanfattning Skogsrester eller grenar och toppar (grot) är en värdefull källa till energi, men just på grund av att det är restprodukt är det även behäftat med en mängd problem såsom höga askhalter på grund av kontaminering vid fällning, uttag ur skogen och efterföljande logistik. Dessa föroreningar påverkar bränslets förbränningskarakteristik främst med avseende på ökad beläggningsbildning och slaggningstendenser i en pannanläggning på grund av den låga asksmältpunkten. Denna studie fokuserar på avlägsnandet av dessa föroreningar genom användandet av delprocessen torrefiering följt av två olika typer av efterbehandlingar; 1) vattentvätt och centrifugering, samt 2) sållning. Torrefiering är en termisk och syrefri process där det material som skall behandlas hettas upp till en temperatur av 240-340 C vid en uppehållstid på mellan 0 och 60 minuter. I detta fall var temperaturen 300 C och tiden 8 minuter vilket gav ett massoch energiutbyte på 81 respektive 86 %. Torrefiering ger materialet nya, förbättrade egenskaper som delvis nyttjades i de efterföljande behandlingsstegen, d.v.s. tvättning/centrifugering samt sållning. Vid tvättningen i vatten avlägsnades en del av föroreningarna från det torrefierade och mer hydrofoba materialet. Ytvattnet centrifugerades sedan bort. Vid sållningen avlägsnades föroreningarna lätt bort från det torrefierade materialet. Resultaten från försöken visar att de två testade behandlingsmetoderna fungerade bra för att avlägsna en del av föroreningarna vilket i sin tur drastiskt höjde asksmältpunkten för bränslet. Hög asksmältpunkt är önskvärt i princip i alla förbränningssammanhang eftersom slaggning och beläggningsbildning då undviks i rosterpannor och agglomerering/defluidisering undviks i fluidbäddspannor. Samtliga försök kördes på fint huggna grenar och toppar med barren kvar. Materialet var vinterskördad gran och visade sig innehålla stora mängder finfraktion i form av barr, bark och annat finmaterial. Större bitar avlägsnades innan torrefiering för att så långt som möjligt efterlikna den finfraktion som ibland kan falla ut som en bifraktion vid exempelvis flisning på bränsleplan. 2

Innehållsförteckning Sammanfattning... 2 1. Introduktion... 4 1.1 Skogsavfall, grenar och toppar (grot)... 4 1.2 Torrefiering... 4 1.3 Syfte... 4 2. Metod... 5 2.1 Material... 5 2.2 Kontaminering... 5 2.3 Torrefiering... 6 2.4 Tvättning och centrifugering... 9 2.5 Sållning... 10 2.6 Provtagning och analys... 10 3. Resultat och diskussion... 11 3.1 Torrefiering... 11 3.2 Tvättning och centrifugering... 12 3.3 Sållning... 14 3.4 Elementaranalys och beräknade asksmältpunkter... 14 4. Ekonomi och skalfördelar för en fristående torrefieringsanläggning... 16 5. Diskussion och Slutsats... 18 6. Referenser... 20 7. Acknowledgement... 21 Appendix 1... 22 Appendix 2... 23 3

1. Introduktion 1.1 Skogsavfall, grenar och toppar (grot) För 20 år sedan lämnades det mesta av hyggesresterna kvar i skogen, men nu har medvetenheten om det globala klimatet och de ekonomiska incitamenten ökat och det råder hög efterfrågan på marknaden för denna typ av biobränsle. Det finns flera anledningar till varför grot inte har fått genomslag förrän de senaste 15 åren. Grot har i många fall förhöjd askhalt som kommer från inblåsande jordmineral, men också från sand och lera som fastnar på materialet vid avverkning, uttag, transport och hantering. Föroreningarna leder till låga asksmältpunkter som medför problem såsom agglomerering i fluidiserande bäddar samt beläggningar och slaggbildning i pannor. Grot har även förhållandevis låg energidensitet på grund av hög fukthalt och låg densitet och blir därför med acceptabel ekonomi svårt att transportera över längre sträckor. Energidensiteten kan dock ökas genom att lägga groten i vältor i skogen och låta det torka under en säsong. Men man får alltid en viss grad av biologisk nedbrytning och det finns även risk för så kallade hot spots och självantändning, speciellt om groten får ligga på hög i flisad form. Groten är även relativt inhomogen med avseende på dels askhalt och sammansättning, men även med avseende på fukthalt vilket gör det svårare att förutse hur materialet ska bete sig vid förbränningen. Vid flisning eller sönderdelning av materialet blir ofta även fina delfraktioner över som mestadels består av barr och annat finmaterial. Detta material har högre askhalt och är därmed ännu mer problematiskt att elda. Vissa av dessa problematiska egenskaper kan dock förbättras genom en värmebehandlingsprocess som kallas torrefiering. 1.2 Torrefiering Fördelen med att torrefiera ett material är att det får förbättrade och nya egenskaper vilka är fördelaktiga vid hantering, lagring, malning, förbränning mm. De förbättrade egenskaperna är; energivärde, malningsbarhet, hydrofobicitet, hållbarhet, homogenitet med avseende på fukthalt och sammansättning [1]. Även risken för biologisk kontaminering elimineras på grund av behandling i hög temperatur [2]. Efter torrefiering är biomassan mer lik fossilt kol i dess karakteristik och sammansättning vilket gör det möjligt att samelda i kolkraftverk [3]. 1.3 Syfte Syftet med projektet var att undersöka metoder att avlägsna en del av föroreningarna i groten genom att först torrefiera materialet för att göra materialet mer hydrofobt och sedan avlägsna dessa föroreningar genom vattentvätt. Även alternativa metoder för att förbättra askans sammansättning och bränslets karakteristik skulle undersökas. 4

2. Metod 2.1 Material Samtliga försök är utförda på fint huggna grenar och toppar med barren kvar. Materialet var vinterskördad gran och visade sig innehålla stora mängder finfraktion i form av barr och annat finmaterial. Då groten var vinterskördad och därmed inte hade kommit i direktkontakt med marken samt att den flisades och torkades omedelbart, resulterade detta i en biomassa som var förhållandevis fri från skörde- /uttagsrelaterade föroreningar. 2.2 Kontaminering Groten kontaminerades med kontrollerade mängder sand och silt (typ av jordart med tämligen små korn, innefattar mjäla och finmo [4]). Sanden bestod av Rådasand för att simulera naturligt förekommande sand innehållande hög andel kisel och andra asksmältpunktsnedsättande ämnen som kan förorena bränslet [5]. Silten var den fina fraktionen av pinnmo från Degernäs, Umeå och tillsattes för att simulera en förorening som är svår att avlägsna. Mängden tillsatta föroreningar var cirka 2% av torrsubstansen (TS), 1% av vardera sand och silt [6] och sammansättningen för dessa föroreningar återfinns i Appendix 1. För att så långt som möjligt simulera beteendet hos naturligt förekommande föroreningar och dess förmåga att vidhäfta vid groten blötlades sanden och silten i 20 liter vatten och blandades in med groten i en roterande trumma under ca 1 timme för att säkerställa att föroreningarna blandades in homogent, se Figur 1. På grund av den begränsade storleken på blandningstrumman utfördes denna inblandning i tre satser/batcher. För att säkerställa samma kontamineringsgrad mellan satserna i blandningstrumman baserades beräkningarna på torrvikt. Fukthalten (FH) på biomassan mättes därför först upp med en fukthaltsbestämmningsvåg, Mettler Toledo HB43, vilken hettar upp ett prov på 3-5 g till en temperatur av 105 C för att ånga av vattnet. Differensen mellan start m vått och slutvikt m torrt bestäms och FH beräknas enligt: å å Ekvation 1Fukthalten i procent. där m vått och m torrt är vikten på den blöta respektive den torra biomassan. Torrvikten, m torrt, på hela satsen beräknades sedan enligt: å å Ekvation 2. Fukthalten i procent. 5

Figur 1. Roterande blandingstrumma som användes för att kontaminera groten. Kapaciteten på blandningstrumman var ca 1m3/batch. 2.3 Torrefiering Torrefiering är en process där biomassa hettas upp i en syrefri miljö till en temperatur mellan 240-340 C vid en uppehållstid på mellan 0 och 60 minuter. BioEndev:s torrefieringspilot som användes under detta experiment har en maximal kapacitet på ~20 kg/h med en roterande trumma som torrefieringsreaktor, Figur 2. Materialet som torrefierades torkades till en fukthalt <0,5% innan det lastades i torrefieringspilotens bränslesilo. Från silon matades materialet med en matarskruv ned till en förvärmare som matade materialet vidare in i den roterande trumman. Därefter kyldes materialet ned i en kylskruv varefter det matades ut i en produktsilo. 6

Figur 2. Schematisk bild över BioEndevs torrefieringspilot. Uppehållstiden i torrefieringstrumman detta experiment sattes till 8 min och torrefieringstemperaturen bestämdes till 300 C. Uppehållstiden 8 minuter valdes för att maximera produktionstakten och därefter bestämdes temperaturen till 300 C (med erfarenhet från tidigare torrefieringstudier på grot [7]) för att säkerställa tillräcklig torrefieringsgrad för att kunna se signifikanta skillnader mellan det råa och obehandlade materialet och det torrefierade materialet. Under torrefieringsprocessen frigörs vatten, kolmonoxid, koldioxid och andra gasformiga kolväten, vilket i sin tur orsakar en viktminskning hos materialet [3]. I litteraturen har ett massutbyte definierats för processen som beräknas enligt nedan. Under torrefieringsprocessen förlorar materialet även en del av sin energi på grund av de flyktiga gaskomponenterna som avgår, varvid ett energiutbyte kan beräknas enligt nedan. Torrefieringsprocessens massutbyte beräknas enligt: Ekvation 3. Där m råmaterial är massan på det torkade råmaterialet och m torrefierat är massan på den kylda och torrefierade produkten. Torrefieringsprocessens energiutbyte beräknas som: Ekvation 4. 7

Där LHV torrefierat och LHV råmaterial är de effektiva värmevärdena på materialen före och efter torrefiering. Materialets torrefieringsgrad beräknas och är ett mått på hur nedbrutet biomassan är i förhållande till det obehandlade materialet. Ett värde på 0% anger obefintlig nedbrytning av biomassan och 100% anger helt nedbruten biomassa till elementarpartiklarnas grundtillstånd. Den inneboende kemiska bindningsentalpin i biomassan, chemical bond energy (CBE), är en beräkning av den energin som krävs för att bryta samtliga bindningar i dess huvudbeståndsdelar i form av lignin, cellulosa, hemicellulosa och extraktivämnen och omvandla dessa till elementarpartiklarna (C, H, O, N, S) i dess grundtillstånd, i form av grafit (C(s)), vätgas (H2(g)), syrgas (O2(g)), kvävgas (N2(g)) och svavel (S(s)). Obehandlad biomassa har relativt högt värde på CBE och termiskt behandlad biomassa har relativt lågt värde på CBE på grund av partiell termisk nedbrytning av de inneboende bindningarna i exempelvis hemicellulosan. Om CBE för både råmaterialet och det torrefierade materialet är beräknade kan torrefieringsgraden, TF CBE, daf, beräknas som: CBE o tor, daf TF CBE, daf = 1 CBE ref, daf Ekvation 5. Torrefaction Där CBE ref, daf och CBE tor, daf är kemiska bindningsentalpin på det råa respektive det torrefierade materialet, på torrt och askfritt tillstånd. 8

2.4 Tvättning och centrifugering Ett av syftena med denna studie var att utföra försök för att avlägsna helt eller delar av de tillförda sand- och siltföroreningarna från biomassan. Idén med tvättning i vatten för att avlägsna föroreningar grundar sig i att materialet blir mer hydrofobt genom torrefiering [2], vilket innebär att den torrefierade biomassan inte suger åt sig lika mycket vatten som råmaterialet. Därmed kan de tyngre föroreningarna sjunka vid tvätten medan det lättare torrefierade materialet flyter på ytan. Materialet tvättades därmed i en bassäng under omrörning i 10 sekunder. På grund av den ökade hydrofobiciteten hos det torrefierade och tvättade materialet har det i teorin inte tagit åt sig fukt i någon nämnvärd utsträckning. Dock kan en del vatten fastna/binda till ytorna genom kapillärkrafter varför även centrifugering användes i omedelbar anslutning till vattentvätten för att avlägsna resterande ytvatten. Centrifugen som användes var en modifierad tvättmaskin med ett maximalt varvtal på 1000 varv per minut med en yttre trumdiameter på 50 cm. Den tvättade biomassan centrifugerades under olika lång tid som varierades mellan 3,5 och 120 sekunder. Den kortare tiden var precis så lång tid som krävdes för att centrifugen skulle hinna varva upp till fulla varv. Spannet upp till 120 sekunder valdes för att ge en bild av hur hårt ytvattnet var bundet samt hur lång tid avvattningen skulle kunna tänkas ta. 9

2.5 Sållning Sållningsprocessen användes som en referens och alternativ metod till tvätt/centrifugeringsprocessen i försök att separera groten i två fraktioner, d.v.s. ett accept bestående av grot med lägre askhalt och en finfraktion bestående av fina partiklar med hög askhalt där de mesta av föroreningarna samlades. Ett Mogensen E 0554 skaksåll med sållduk på 0,5x0,5 mm användes. Den förorenade, torrefierade och torra biomassan matades in i skaksållet uppifrån (se övre högra hörnet i Figur 3) och läts passera genom skaksållet. Acceptet (se nedre högra hörnet i Figur 3) återfördes sedan till inloppet via två bandtransportörer. För att säkerställa hög avskiljningsgrad i skaksållet samt att de två fraktionerna hade signifikanta skillnader mellan varandra återfördes material under 5 minuter vilket gjorde att materialet passerade skaksållet 20-23 gånger. Figur 3. Uppställningen på skaksållet. 2.6 Provtagning och analys Provtagning och analys utfördes på samtliga steg i processen enligt Figur 4. Proven togs ut enligt provdelningsprincipen där flertalet mindre prov togs ut från varje batch. Sedan provdelades detta prov till ett mindre prov som var representativt för hela batchen. Proven skickades sedan på analys till Bränslelaboratoriet i Umeå för bestämning av; värmevärde (SS ISO 1928:1); askhalt (SS 18 71 71:1); syre (beräknat); kol, väte, kväve (LECO-method 1); svavel (SS 18 71 77:1); klor (SS 18 71 54:1); och 10

flyktiga ämnen (SS ISO 562:1). För bestämning av asksammansättning skickades proven till ALS i Luleå och analyserades enligt EPA med metoderna 200.7 (ICP-AES ) och 200.8 (ICP-SMS). Samtliga data återfinns i Appendix 1. 3. Resultat och diskussion 3.1 Torrefiering Vid torrefieringen avgår flyktiga ämnen från materialet varvid materialet tappar en del massa. Massutbytet uppmättes till 81 % efter torrefieringen. Detta innebär även att askhalten på materialet bör öka efter torrefiering eftersom askkomponenterna inte avgår vid torrefiering [3]. I Figur 4 ses askhalten i de olika bränslena och askhalten minskade tydligt genom torrefieringsprocessen. Detta fenomen kan förklaras av den mekaniska bearbetning som transportörerna utsätter materialet för och att en del av föroreningarna lossnade innan det ens hade nått bränslesilon. Dock bör detta inte inverka på slutresultatet eftersom askhalten efter torrefiering fortfarande var mer än dubbelt så hög som det icke kontaminerade råmaterialet. 6,0% 5,0% 4,0% 3,0% 2,0% 1,0% 0,0% Figur 4. Askhalt i Grot som passerat olika behandlingsprocesser, både angivet som mass-% på torrsubstans (%-TS) och mass-%/kg råmaterial på torrsubstans (%-TS, in). Medelyttemperaturen på biomassan i slutet av torrefieringstrumman var 304 C vid en uppehållstid på 8 minuter. Energiutbytet var 86 % vid en torrefieringsgrad, TF CBE,daf, på 18.4% [8]. Andra torrefieringskörningar med granflis [8] gjorda vid samma inställningar gav mass- och energiutbyten på 80 % respektive 87 % vid en torrefieringsgrad, TF C.B.E,daf, på 12,3%. Den stora skillnaden mellan torrefieringsgraderna av groten av 18,4% och granflis 12,3% kan till största delen förklaras av att groten [7] av erfarenhet innehåller mer hemicellulosa än stamveden från gran, men även av det faktum att granflisen hade betydligt större stycketjocklek än groten och att den därmed inte torrefierades lika hårt eftersom värmevågen inte Grot rå Grot rå kont. Grot TF kont. Grot TF kont. tvättad Grot TF kont. Sållad % TS 1,7% 5,7% 4,7% 3,4% 3,3% % TS,in 1,7% 5,7% 3,8% 2,8% 2,7% 11

går in i materialet lika snabbt. För ytterligare jämförelser, se Martin Nordwaeger et al. 2012 [8]. Vid torrefiering ökar värmevärdet i bränslet genom avgång av flyktiga ämnen. Dessa ämnen innehåller relativt stor andel syre varför C/H/O-förhållandet ändras i den fasta produkten. Eftersom halten av energirikt kol (C) ökar i det torrefierade bränslet ökar även värmevärdet, se Figur 5 (jämför Grot rå kont. med Grot TF kont.). 20,0 15,0 MJ/kgTS 10,0 5,0 0,0 Grot rå Grot rå kont. Grot TF kont. Grot TF kont. tvättad Grot TF kont. Sållad VVeff,torrt 19,6 18,6 21,3 21,6 21,6 Figur 5. Effektiva värmevärdet (MJ/kt torrsubstans) på grot som passerat de olika behandlingsprocesser. Värmevärdessänkningen mellan den råa groten (Grot rå) och den råa förorenade groten (Grot rå kont.) beror på utspädningseffekten av den tillförda inerta askan. Omvänt beror ökningen av värmevärdet på det tvättade (Grot TF kont. tvättad) och det sållade (Grot TF kont. sållad) torrefierade materialen i jämförelse med det torrefierade materialet, på minskad askhalt. Generellt sett avgår mellan 30-70% massprocent av bränslets klor i torrefieringsprocessen, beroende på framförallt torrefieringstemperatur. Dock var klornivåerna på eller under detektionsgränsen (100 mg/kg) för samtliga biomassafraktioner förutom den förorenade och icke behandlade groten. Detta gör att det för denna studie inte säkert går att säga hur mycket klor som avgick i processen. 3.2 Tvättning och centrifugering Den initiala jämviktsfukthalten före tvättningsförsöken påbörjade uppgick till 11,1 % för rå grot och 6,4 % för det torrefierade materialet. Efter snabbtvätten på 10 sekunder fick materialet rinna av i 3 timmar, varefter fukthalten bestämdes till i medel 56,1 % på rå grot och 26 % på det torrefierade materialet. De observationer som gjordes indikerade dock att en del av det tillförda vattnet var bundet till ytan och 12

inte hade absorberats av själva materialet. Därför användes en centrifug i försök att avlägsna detta ytbundna restvatten. Inför centrifugeringsförsöken tilläts inte materialen rinna av efter tvätten utan centrifugerades omedelbart. De kombinerade resultaten från dessa tvätt- och centrifugeringsförsök visas i Figur 6. 60% 50% 40% Torrefierad Kontaminerad grot Fukthalt 30% 20% 10% 0% 0 20 40 60 80 100 120 tid (s) Figur 6. Fukthalten i rå kontaminerad grot (Kontaminerad grot) samt kontaminerad torrefierad grot (Torrefierad) som funktion av centrifugeringstid. Den obehandlade biomassan höll en mycket hög fukthalt innan centrifugeringen. Redan efter 10-15 sekunders centrifugering hade denna sänkts till <30 % för att slutligen stabilisera sig på ca 25 % vilket är en fukthalt som mycket väl lämpar sig för direktförbränning. Inga askhaltsanalyser gjordes på den råa tvättade groten. För det torrefierade materialet visade det sig att den kombinerade tvätt- och centrifugeringsmetoden var effektiv både med avseende på avlägsnande av föroreningar (Figur 4) (askhalten minskade från 4,7 till 3,4%) och kvarvarande vatten (Figur 6). Efter 10 till 15 sekunder hade fukthalten i det tvättade materialet nått ner under 15 % och kort därefter stabiliserats på 12-14 %. Dessa låga fulthalter lämpar sig ytterst bra för direktförbränning men även för ett eventuellt pelleteringssteg där det normalt sett behövs fukthalter kring 11-12 % för att få pelletterna att binda ihop i 13

pressen. Vid normal torrefiering i kombination med pelletering måste annars materialet fuktas upp innan kompaktering. 3.3 Sållning Resultatet från sållningen föll väl ut. En signifikant ökning av askhalten i det bortsållade materialet erhölls (42,9 %) samtidigt som askhalten i acceptet sjönk avsevärt från 4,7 till 3,3 %. Dock kördes sållningsexperimentet under 5 minuter vilket i sammanhanget är ganska lång tid. Troligtvis kan tiden för sållningen förkortas avsevärt i framtida sållningsexperiment. 3.4 Elementaranalys och beräknade asksmältpunkter Elementaranalyser för de olika asksammansättningarna visas i Appendix 1 och Appendix 2. Si, Al, Na, Fe och Ti minskar genom hela processen, till viss grad även K. För att se detta måste halterna normaliseras mot torrefieringens massutbyte, d.v.s. multipliceras med 0,81. Mn och P förefaller vara helt opåverkade av samtliga behandlingsformer. Dessa är ej tillsatta genom föroreningarna, men varken torrefiering, tvättning, centrifugering eller sållning påverkar dessa halter. Igen måste halterna normaliseras mot torrefieringens massutbyte, d.v.s. multipliceras med 0,81, för att detta ska kunna ses. Även halterna av Mg och Ca förefaller vara tämligen opåverkade av behandlingen. Till skillnad från Mn och P tillsätts dessa via Rådasand och bör därmed kunna avskiljas genom tvätt/centrifugering eller sållning. Dock är halterna i Rådasand relativt låga och osäkerheten vid provuttagen kan ha haft inverkan på analysresultatet Beräkningar för asksmältpunkterna genom användning av det ternära fasdiagrammet för systemet K 2 O-CaO-SiO 2 med hög halt av SiO2 kan ses i Figur 7. Det framgår tydligt att det förorenade provet når farligt låga asksmältpunkter av 1250 C. Särskilt i rosterpannor kan dessa temperaturer uppnås i så kallade hot-spots där tillfälliga luftstråk genom bränslebädden bidrar till kraftigare och intensivare förbränning och därmed högre förbränningstemperaturer. Den höga temperaturen medför i sin tur att en del av askan smälter och bildar slagg på rostret med driftsproblem och driftstopp som möjlig påföljd. En hög asksmältpunkt är önskvärt i princip i alla förbränningssammanhang eftersom slaggning och beläggningsbildning då undviks i rosterpannor och agglomerering/defluidisering undviks i fluidbäddspannor. Det bör påpekas att de specificerade temperaturerna i Figur 7 anger när askan är helt smält och problem kommer att visa sig vid betydligt lägre temperaturer än vad figuren visar, dvs. när askan börjar smälta och bli kladdig. 14

Figur 7. Asksammansättning i det ternära fasdiagrammet för systemet K2O-CaO-SiO2 och dess ytor för smälta. I Figur 7 kan man tydligt se att askans teoretiska smältpunkt höjdes 150 C till ca 1400 C när materialet gick igenom torrefieringsprocessen, vilket beror på att en del av föroreningarna lossnade/avskiljdes av denna behandling. Att askhalten minskade genom torrefieringsprocessen går även tydligt att utläsa i Figur 4. Genom efterföljande tvätt/centrifugeringbehandling höjdes teoretiska smältpunkten ytterligare 100 C till 1500 C alternativt 300 C till ca 1700 C när materialet sållades. Tidigare studier [9] har visat att det även går att höja asksmältpunkten genom inblandning av torv. Beräkningar på asksammansättning med 20%-ig inblandning av torv från Stentjärn visar att teoretiska asksmältpunkten gick att höja ytterligare 50-100 C i samtliga bränslefraktioner, se Figur 7, vilket resulterade i asksmälttemperaturer på ca 1600 C för det tvättade och centrifugerade materialet respektive 1800 C för det sållade materialet vilket får anses vara mycket högt och därmed utom fara för substantiell slaggbildning i rosterpannor. 15

4. Ekonomi och skalfördelar för en fristående torrefieringsanläggning Ett principiellt flödesschema för en fristående torrefieringsanläggning återfinns i Figur 8 och består av bränslemottagning, torksystem, torrefieringsreaktor, kylsteg med tvättning/centrifugering som tillval, malning och kompaktering, värmegenerering med panna och elgenerering som tillval. Det finns även möjlighet att använda extern värme och el till processen. Figur 8. Föreslaget flödesschema för en fristående torrefieringsanläggning I Figur 9 visas den totala investeringskostnaden för olika storlekar på torrefieringsanläggningar. I denna beräkning är anläggningarna fristående, det vill säga de behöver endast kopplas upp mot elnätet men inte mot befintligt distributionsnät för värme. De nyttjar samma teknik genom hela storleksspannet. En anläggning med en produktionsvolym på 100 och 200 ktonts/år innehållande ett avancerat 2-stegs torkningssystem, värmeproduktion samt ångproduktion till ångtorken, men ingen elproduktion och inget behov av extern värme kostar enligt nedanstående beräkningar i storleksordningen 220 MSEK ±20% respektive 400 MSEK ±20%. För ytterligare information och värden kring dessa beräkningar se Svanberg et al. 2012 [10]. 16

Figur 9. Total investeringskostnad för en fristående torrefieringsanläggning. Preliminära beräkningar för sammanlagda produktionskostnader vid olika storlekar på anläggningen visas i Figur 10. Beräkningarna inkluderar investeringskostnader, driftskostnader inkluderande internränta och avkastningskrav, kostnad för biomassa, transporter till och från anläggningen. Dock innehåller beräkningarna inte övriga och/eller ytterligare vinstmarginaler som eventuella delentreprenörer tar ut då dessa varierar och därmed är svåra att uppskatta. De preliminära beräkningarna visar på en nedre optimal produktionsvolym på ca 150 kton TS /år. För ytterligare information och värden kring dessa beräkningar se Svanberg et al. 2012 [10]. 17

Figur 10. Ekonomi och skalfördelar för en fristående torrefieringsanläggning. 5. Diskussion och Slutsats Sammanfattningsvis har de båda metoderna för att avlägsna föroreningar sina för och nackdelar och når i storleksordningen samma resultat. Dock behövs fler försök för att avgöra vilken som är bäst lämpad med avseende på driftskostnader, investeringskostnader och påverkan på miljön. Direkt tvättning av förorenade torra skogsrester med en initial fukthalt på 11,1%, direkt åtföljt av centrifugering, resulterade i en fukthalt på ca 25% vilket mycket väl lämpar sig för direktförbränning. Genom tvättningstesterna på det torrefierade materialet visades även på de ökade hydrofoba egenskaperna hos det torrefierade materialet. Fukten på det tvättade materialet visade sig till stor del vara bundet till ytan och hade därmed till största delen inte absorberats av materialet. Om de förorenade skogsresterna däremot först torrefierades åtföljt av tvätt samt centrifugering uppnåddes en fukthalt på 12-14% vilket lämpar sig mycket bra för direktförbränning men framförallt för efterföljande pelletering där man normalt sett behöver fukthalter kring 11-12 % för att få pelletterna att binda ihop i pressen. Vid normal torrefiering i kombination med pelletering måste annars materialet fuktas upp innan kompaktering. 18

Båda dessa metoder kan dock potentiellt skapa ett vattenproblem eftersom fina partiklar av torrefierat material kommer att blanda sig med tvättvattnet. Detta vatten måste sannolikt renas innan det kan släppas ut i recipienten. Det visade sig även vara möjligt att använda torrefiering i kombination med tvättning/centrifugering eller sållning som en metod för att minska föroreningarna i grot. Askhalten i den förorenade groten minskade från 5,7 % till 3,4 % i det torrefierade och tvättade materialet och 3,3 % i det torrefierade och sållade materialet. Beräkningar av askans smältpunkt visade vidare att det förorenade materialet hade en smältpunkt på kring 1250 C som genom tvättning ökade till 1500 C och genom sållning till 1700 C. Inblandning av en speciellt utvald torv (Stentjärn A) ökade asksmältpunkten ytterligare ca 50-100 C för alla studerade fraktioner. Ett flödesschema för en fristående torrefieringsanläggning föreslogs och preliminära beräkningar visar på en optimal nedre storlek motsvarande en produktionsvolym på 100-150 kton TS /år. De preliminära beräkningarna visar på en investeringskostnad på 240 MSEK ±20% för anläggningen på 100 kton TS /år och 420 MSEK för anläggningen på 200 kton TS /år. 19

6. Referenser 1. Walton, R.A. and B.G.v. Bommel, A Compleate and Comprehansive Overview of Torrefaction Technologies. 2011. 2. Bergman, P.C.A., Combined torrefaction and pelletisation The TOP process. 2005, ECN. 3. Bergman, P.C.A., et al., Torrefaction for biomass co-firing in existing coalfired power stations. 2005. p. 72. 4. Nordstedts, Nordstedts svenska ordbok. 2007. 5. Öhman, M., et al. Slag Formation during Combustion of Biomass Fuels. in International Conference on Solid Biofuel, ICSB2009. 2009. Beijing. 6. Lindstrom, E., et al., Influence of sand contamination on slag formation during combustion of wood derived fuels. Energy & Fuels, 2008. 22(4): p. 2216-2220. 7. Nordwaeger, M., et al., Parametric study on torrefaction of logging residues, in Manuscript to be published. 2012. 8. Nordwaeger, M., et al., Parametric study on torrefaction of spruce wood, in Manuscript to be published. 2012: Umeå. 9. Pommer, L., et al., Mechanisms Behind the Positive Effects on Bed Agglomeration and Deposit Formation Combusting Forest Residue with Peat Additives in Fluidized Beds. Energy & Fuels, 2009. 23: p. 4245-4253. 10. Svanberg, M., et al., Analyzing parameters affecting the size of a torrefaction plant from a systems perspective. 2012: Gothenburg. 20

7. Acknowledgement Tack till forskarna på ETPC och SLU. Tack även till Efokus AB för samarbetet och deras tålmodighet i projektet. 21

Appendix 1 Tabell för bränslets- och askans sammansättning i mg/kg. Testmetod Grot rå Grot rå förorenad Grot, förorenad torrefierad Grot, förorenad, torrefierad, tvättad Grot, förorenad, torrefierad, sållad Grot sålldamm Aska α SS 18 71 71:1 1.65% 5.65% 4.65% 3.45% 3.30% 42.90% Si ICP AES 616 15011 9165 4957 3937 143560 386000 398334 Al ICP AES 39 2255 1355 641 457 21334 50900 46686 Ca ICP AES 5100 5147 6483 6441 6698 17871 7600 Fe ICP AES 42 668 492 362 253 6953 7600 K ICP AES 1740 2648 2690 2499 2599 12038 16700 15453 Mg ICP AES 528 633 736 742 760 2714 1600 Mn ICP AES 324 356 445 458 483 1193 Na ICP AES 51 898 550 265 177 8458 23300 30693 P ICP AES 476 533 690 716 781 1785 Ti ICP AES 10 60 48 31 14 586 S SS 18 71 77:1 260 300 300 200 300 300 C LECO CHN 1000 514900 500000 557000 566000 572000 354000 H LECO CHN 1000 61900 58000 56000 57000 57000 35000 N LECO CHN 1000 3000 4000 5000 5000 5000 5000 O Calculated 404000 382000 335000 338000 333000 185000 506300 508834 Cl SS 18 71 54:1 100 200 100 100 100 100 Flykt α SS ISO 562:1 80.09% 75.70% 69.90% 70.10% 70.40% 41.40% α : % av torrsubstans. Rådasand Pinnmo

Appendix 2 Tabell för askans sammansättning i olika delar i processen, normaliserade med avseende på massutbytet i torrefieringsprocessen. 3000 5100 15011 5147 7424 5252 4015 5217 3189 5425 2500 2000 Na Mg mg/kg 1500 1000 500 Al Si P S Cl K Ca Mn Fe 0 23