Utvärdering och utveckling av AgroTec spannmålsbrännare Evaluation and development of AgroTec cereal burner Erica Lindström
Innehållsförteckning FÖRORD ABSTRACT SAMMANFATTNING 1. INLEDNING...1 1.1. BAKGRUND... 1 1.2. SYFTE OCH MÅLSÄTTNING... 3 2. NULÄGESBESKRIVNIN G...4 2.1. ENERGILÄGET... 4 2.2. SPANNMÅLSTILLGÅNG... 6 2.3. MILJÖLÄGET OCH UTSLÄPPSKRAVEN... 8 3. METOD...1 3.1. BRÄNSLEN OCH ADDITIV... 1 3.2. FÖRSÖKSUPPSTÄLLNING... 11 3.2.1. Befintlig brännarkonstruktion...12 3.3. FÖRBRÄNNINGSFÖRSÖK UTVÄRDERING AV BEFINTLIG BRÄNNARE... 12 3.3.1. Gasanalys och partikelprovtagning...13 3.3.2. Slagg- och askprovtagning...13 3.4. UTFÖRDA MODIFIERINGAR PÅ BRÄNNARE OCH FÖRÄNDRADE FÖRBRÄNNINGSFÖRFARANDEN... 13 3.4.1. Kalktillsats...14 3.5. SLAGG- OCH ASKANALYS... 14 3.5.1. Bedömning av sintringsgrad...14 3.5.2. Kemisk karaktärisering...14 4. RESULTAT OCH DISKUSSION...15 4.1. BRÄNSLEKARAKTÄRISTIK... 15 4.2. UTVÄRDERING AV BEFINTLIG BRÄNNARE... 16 4.2.1. Gasanalyser...17 4.2.2. Askmängd och beläggningsbildning i brännare...19 4.3. UTVÄRDERING AV MODIFIERAD BRÄNNARE... 2 4.3.1. Gasanalyser...2 4.3.2. Askmängd och beläggningsbildning i brännare...23 4.3.3. Kemisk karaktärisering av bildad beläggning...25 4.4. UTVÄRDERING AV KALKTILLSATS... 26 4.4.1. Gasanalyser...27 4.4.2. Askmängd och beläggningsbildning i brännare...29 4.4.3. Kemisk karaktärisering av bildad beläggning...3 5. SLUTSATSER...32 6. FÖRSLAG TILL FRAMTIDA ARBETEN...33 REFERENSER...34 BILAGA 1. ASKBILDANDE HUVUD- OCH SPÅRELEMENT I NYTTJADE SPANNMÅLSBRÄNSLEN BILAGA 2. ÖVERSIKTSTABELL ÖVER HUVUDRESULTATEN FRÅN KORTTIDSFÖRSÖKEN (BEF. BRÄNNARE) BILAGA 3. ÖVERSIKTSTABELL ÖVER HUVUDRESULTATEN FRÅN LÅNGTIDSFÖRSÖKEN (MOD. BRÄNNARE) BILAGA 4. ÖVERSIKTSTABELL ÖVER HUVUDRESULTATEN FRÅN LÅNGTIDSFÖRSÖKEN (BEF. BRÄNNARE) MED KALKTILLSATS
Förord Föreliggande examensarbete inom Civilingenjörsprogrammet i Energiteknik redovisar en studie finansierad med direkta medel från Energimyndigheten (STEM) och i form av utrustning från Sahlins EcoTec AB samt Umeå Universitet, Energiteknik och Termisk Processkemi (ETPC). I form av rese- och boendeersättning bidrog Näringslivsservice på Högskolan i Kalmar. Jag vill framföra ett stort tack till de personer som i initialskedet kom med idéer för examensarbetet och stöttade och hjälpte mig i alla avseenden: Torbjörn Håkansson, Näringslivsservice, Högskolan i Kalmar Bjarne Lynbech, Energihuset i Vimmerby Tom Lynbech, Energihuset i Vimmerby Björn Wimelius, Hultsfreds Näringslivs Centrum Jag vill naturligtvis även rikta ett stort tack till finansiärerna och mina handledare som har delat med sig av sin kunskap och erfarenhet: STEM Sahlins EcoTec AB Marcus Öhman, Umeå Universitet, Energiteknik och Termisk Processkemi Pelle Karlsson, Sahlins EcoTec Tack till alla andra som hjälpt mig under arbetets gång samt ett extra stort tack för den frivilliga hjälpen, som jag uppskattat väldigt mycket: Ingemar Olofsson, Umeå Universitet, Energiteknik och Termisk Processkemi Ulf Nordström, Umeå Universitet, Energiteknik och Termisk Processkemi Christoffer Boman, Umeå Universitet, Energiteknik och Termisk Processkemi Markus Broström, Umeå Universitet, Energiteknik och Termisk Processkemi Karin Lundholm, Umeå Universitet, Energiteknik och Termisk Processkemi Dan Boström, Umeå Universitet, Energiteknik och Termisk Processkemi Malin Sandström, Umeå Universitet, Energiteknik och Termisk Processkemi Umeå den 1 november 24 Erica Lindström, Energiteknik och Termisk Process Kemi (ETPC), Umeå Universitet
Abstract Oat is considered to be the cheapest and the best fuel among cereals. There is a need to be able to combust other cereals with damage due to dampness or low quality. Therefore this thesis aims to determine the burner performance, i.e. emissions, ash quality and sintering tendencies for produced ash during combustion of oat, barley, rye and wheat. An evaluation of the possibilities to enhance the combustion results and the sintering tendencies through some minor adjustments and through mixing the fuel with additive in the form of quicklime was also performed. Short time combustions at 3-4 hours were first carried out to evaluate the burner s ability to combust the different kinds of cereal. A second series of long term combustion experiments (15 hours) were thereafter carried out with and without additive of quicklime. Particle measurements were carried out at all the long time combustion experiments and gas analyses where made at all of the combustion experiments. The amount of ash and slag were inspected at the end of each experiment and samples were collected for future elemental analysis. Oat had the lowest tendencies for sintering and also the lowest degree of sintering while wheat had the opposite properties, (i.e. highest tendencies for sintering and highest degree of sintering). The formed slag was mainly composed of low melting potassium phosphates during combustion of rye and wheat. In the cases of oat and barley also silicates were found. By adding quicklime with additive-to-fuel ratio of 2 wt % d.s. to barley, rye and wheat, reduces the formation of slag for barley and eliminates this totally for rye and wheat. Adding quicklime to these fuels causes the composition of the formed slag to change from K- phosphates with low melting temperatures to Ca-K-phosphates with high melting temperatures. The simulated frequency control for the modified burner led to lower amounts of uncombusted material in the ashes but gave varied effects on the emissions. Difficulties around emissions and sintering have to be solved before rye and wheat can be used as fuel in small scale combustion. Better and accurate control over the fuel input would solve some of the problems.
Sammanfattning Havre anses vara både den billigaste och det bästa spannmålet att förbränna i dagsläget. Det finns dock ett behov att förbränna andra sädesslag som är rötskadat eller är av låg kvalitet. Därför syftar detta arbete till att bestämma miljöprestanda, askegenskaper och sintringsbenägenhet vid förbränning inte bara av havre utan även av korn, råg och vete. En utvärdering av möjligheterna att förbättra förbränningsresultaten och minska sintringsbenägenheten vid nyttjande av spannmål genom smärre konstruktionsförändringar och genom kalktillsatts utfördes även. Korttidsförsök på 3-4 timmar utfördes först med den befintliga brännaren för att utvärdera dess förbränningsförmåga med de olika bränslena. Långtidsförsök på 15 timmar skedde sedan med den modifierade brännaren med och utan kalk. Partikelmätningar utfördes endast vid långtidsförsök med modifierad brännare medan gasanalyser (O 2, CO, NO, SO 2 ) utfördes under samtliga förbränningsförsök. Gasanalyser vid långtidsförsöken skedde i början, mitten och slutet på provperioden medan totalstoftprovtagningen endast skedde i början av varje provperiod i samband med den första gasanalysen. Mängden avsatt aska och slagg inspekterades efter varje försök och prover sparades för vidare analys av elementsammansättning. Havre har den lägsta sintringstendensen av de nyttjade spannmålen medan vete är värst i detta avseende. Den bildade slaggen domineras av lågsmältande kaliumfosfater vid förbränning av råg och vete. I försöken med havre och korn återfanns troligen även silikater. En tillsats av bränd kalk motsvarande 2 % av bränslets ts-halt reducerade uppkomsten av slagg vid förbränning av korn och eliminerade slaggbildningen helt för råg och vete. Anledningen till detta är att tillsats av bränd kalk (CaO) leder till att det bildas mera högtemperatur smältande Ca-K-fosfater i askan istället för låg smältande K-fosfater. Den simulerade frekvensstyrningen som utfördes under modifikationen av brännaren ledde till minskad mängd oförbrännt i askan men gav varierande effekter på utsläppshalterna. Problematiken kring emissionerna och slaggningen måste lösas innan främst råg och vete kan användas som bränsle vid småskalig förbränning. Större kontroll över bränsleinmatningen skulle lösa en del av problemen.
1. Inledning 1.1. Bakgrund Sverige står inför en omställning av energisystemet där kärnkraften ska avvecklas samtidigt som utsläppen av växthusgaser ska minskas. Denna omställning ska ske genom att ersätta olja och el för uppvärmning med förnyelsebar energi från sol, vind, vatten och biobränslen 1,2,3. Inom det svenska energisystemet finns det idag en stor potential att öka den nationella användningen av biomassa. Detta främst på grund av att det finns fraktioner träbränslen som inte används för energiändamål idag. Det finns även möjlighet att öka odlingen av biobränslen från jordbruksmark. Olika scenarier tyder på att potentialen för biomassa från jordbruket kan öka till 21 TWh/år runt 215, förutsatt att 15 % av den nuvarande jordbruksarealen används för odling av agrobränslen i och att energiavkastningen per hektar är den samma som idag 4. Att använda spannmålskärna för förbränning är något som har blivit aktuellt för många lantbrukare. Det är dagens låga priser på spannmål och höga priser på eldningsolja samt möjligheten att odla energigrödor med bibehållet arealbidrag som gör detta ekonomiskt intressant. Ännu en bidragande orsak är sannolikt att spannmålskärna, som bränsle, passar väl in i strategin att ersätta olje- och elanvändningen vid uppvärmning med biobränslen 5,6,7. Det intressanta för en lantbrukare är att det endast krävs en marginellt ökad arbetsinsats för att odla sitt eget värmebehov 8. Initialt kan det vara lätt att betrakta spannmålsförbränning som ett nischbränsle utan någon större marknad, dessutom kan det vara svårt för många att motivera varför man ska elda livsmedel när en stor del av världen svälter. Några argument som ändå talar för spannmålskärna som biobränsle är att det kan odlas i stora delar av landet, vilket ger sysselsättning i närområdet, producenten, d.v.s. lantbrukaren, kan använda sig av sin befintliga maskinpark och dessutom är bränslet alltid homogent, torrt och innehåller liten mängd finfraktion. Behovet av handelsgödsel minskar när askan från förbränningen återförs till åkern och precis som all annan förbränning med biomassa, så är även spannmål koldioxidneutralt och bidrar inte till växthuseffekten. Det finns ett överskott på åkerareal och spannmål vilket kostar samhället stora summor i stödåtgärder varje år. Genom att använda spannmål som en energitillgång kan man på sikt kanske minska samhällets kostnader. Att elda livsmedel är mer en fråga av etisk/moralisk natur. I dagsläget kommer vårt spannmålsöverskott inte de svältande tillgodo. Men vid odling av energispannmål är det när som helst möjligt att återgå till odling av brödsäd till skillnad från t ex energiskog 1. I Danmark till exempel är användningen av spannmålskärna som bränsle vanligt inom lantbruket. Av etiska skäl är det förbjudet enligt dansk lagstiftning att elda spannmålskärna i större anläggningar än 25 kw 7. Något liknande system skulle eventuellt kunna införas även i Sverige. I Sverige förekommer det i huvudsak fyra olika sädesslag, havre, korn, råg och vete. Det finns även utvecklingsgrenar av dessa såsom rågvete och vår- och höstvete 6. Havre har den lägsta bulkvikten och kärnan är mjuk och relativt lätt att antända och förbränna. Vete har däremot den högsta bulkvikten. Vetekärnan är också väldigt hård och kräver en snabb och hög temperaturhöjning för att spricka upp och förbrännas. Även kornkärnan, med näst högst bulkvikt, är hård och kräver därmed en snabb och hög temperaturhöjning för att spricka upp och förbrännas 1. Tidigare försök har visat relativt stora skillnader i bränslekvalitet mellan sädesslagen 6. Olikheterna upplevs särskilt stora mellan vete och havre. Detta gäller främst i Bränslen från jordbruksmark. 1
askans egenskaper, sammansättning och smältförlopp 6. Det mest påfallande tycks ändå vara att havre avviker från de övriga med betydligt högre halter av kisel och mindre innehåll av kalium och fosfor. Detta har lett till den allmänna synpunkten att havre är det sädesslag som, utifrån vetskapen om andra biobränslen, borde ha bäst bränsleegenskaper 6. Spannmålskärna är mer svåreldat då den kräver mer skötsel och har en längre förbränningstid än till exempel ved och träpellets. Ett problem är att volymen aska vid förbränning av framför allt havre blir flera gånger större än vid förbränning av ved. Varierande uppgifter tyder på att spannmålskärna kan ha en askhalt mellan 1,5 och 7 % medan i träpellets anses askinnehållet vara i regel cirka,5 % 7. Den ökade askansamlingen kan innebära ökad risk för driftstörningar 1. Risken för slagg är också stor eftersom askan från spannmålskärna har en låg smälttemperatur (<1 o C) 5,7. Detta gör det problematiskt att upprätthålla den optimala temperaturen i förbränningszonen 5. I Danmark åtgärdas dessa slaggproblem med inblandning av kalk (foderkalk, kalciumkarbonat, CaCO 3 ) i spannmålen. En tillsats mellan 1 och 5 vikt-% kalk minskar slaggproblemet 7, men den erforderliga tillsatsen kan variera mellan spannmålspartier. Vid spannmålsförbränning är risken för korrosion i pannan och skorsten större än vid förbränning av trä. Detta beror på att rökgaserna innehåller ämnen, t.ex. HCl, som kan bilda syror om röken kondenserar på svala ytor inne i pannan. Risken för korrosion är störst vid lågt effektuttag, då HCl (g) kan kondenseras i pannans nedre delar. Riskerna minskar om temperaturen i returledningen till pannan alltid hålls vid minst 6 o C, helst vid 7 o C 7. Rökgaserna bör hålla en temperatur på minst 1 o C då den lämnar skorstenens topp så att gasen inte kondenserar i skorstenen 7. Nyligen har dock en ny typ av skorsten börjat tillverkas speciellt för spannmålsförbränning. Denna är gjord för att tåla de salter och syror som bildas vid spannmålsförbränning 9. Om en lantbrukare har en genomsnittlig avkastning på ca 5 ton/ha innebär detta att en åker på 1 x 2 meter borde ge tillräckligt med energi för att ersätta 3,5-4 m 3 olja. Eftersom dagspriset på spannmål varierar med tillgång och kvalitet är det svårt att ange ett exakt pris. Man kan anta att priset ligger mellan 7-8 kr/ton plus moms, vilket ger ett energipris på 26-28 öre/kwh för en villa ägare. Detta är 3 % billigare än träpellets och 65 % billigare än olja. För lantbrukaren blir kostnaden utsäde, gödsel och arbetsinsats 1. Eftersom det inte finns en egen standard för spannmål som bränsle används standarden för pellets för kontroll av bl.a. utsläppshalter. Eftersom endast fukthalten kan vara begränsande för att använda spannmålskärna som bränsle är det möjligt att förbränna spannmål av låg kvalitet som varken går att avsätta på marknaden som djurfoder eller livsmedel 7, dessutom fås en alternativ användning för rötskadat spannmål 8. Erfarenheter från studier på brännare med kylt brännarrör tyder på att det är bara havre som hinner med att förbrännas i denna konstruktion. Detta anses bero på att de andra sädesslagen har ett hårdare skal än havre 8. Det har även visat sig att utbrinningstiden är längre för spannmålskärna och på grund av detta bör man som tumregel räkna med 15-2 % lägre maximal effekt för pannan vid förbränning av spannmålskärna än med träpellets och flis. Kombinationen lägre effekt och ett mer svårantändligt bränsle ger dock positiva effekter för brandrisken 1,7. 2
1.2. Syfte och målsättning Även om havre idag anses vara både den billigaste och det bästa spannmålet att förbränna så finns det ett behov att förbränna andra sädesslag som är rötskadat eller är av låg kvalitet. Därför syftar detta arbete till att bestämma miljöprestanda, askegenskaper och sintringsbenägenhet vid förbränning inte bara av havre utan även av korn, råg och vete. Delmålen i projektet är således att: i) bestämma förbränningsresultatet, det vill säga slaggningstendens och miljöprestanda vid förbränning av ovanstående spannmål i befintlig anläggning. ii) Utifrån i) utvärdera eventuella möjligheter att förbättra förbränningsresultatet vid nyttjande av spannmål genom smärre konstruktionsförändringar för att erhålla andra förbränningsförhållanden i eldstaden. iii) Utifrån i) och ii) utvärdera möjligheten att förbättra förbränningsresultaten genom kalktillsatts för att minska sintringsbenägenheten. Målsättningen med projektet är därför att med gott resultat kunna förbränna havre, korn, råg och vete med AgroTec brännaren med avseende på miljöprestanda och sintringsbenägenhet. 3
2. Nulägesbeskrivning 2.1. Energiläget Den totala energitillförseln 22 uppgick till 616 TWh inklusive 5 TWh nettoimport av el. Energianvändningen delas in i tre användarsektorer och två övriga kategorier 1 : Industri Transporter Bostäder och service mm Utrikes sjöfart och användning för icke energiändamål Omvandlings- och distributionsförluster Förnyelsebara energikällor står idag för ca 27 % av den totala energiförsörjningen i landet. Biomassa är den dominerande energikällan bland dessa, tillsammans med vattenkraft, och står för ca 16 % av energiförsörjningen 1, se figur 1. KÄRNKRAFT 33% IMPORT-EXPORT El 1% RÅOLJA OCH OLJEPRODUKTER 32% NATURGAS OCH STADSGAS 1% VATTENKRAFT 11% VÄRMEPUMP 1% KOL OCH KOKS 5% BIOBRÄNSLEN, TORV, MM 16% Figur 1: Total tillförd energi i Sverige 22: 616 TWh 11. De tre första (industri, transporter samt bostäder och service mm) utgör den totala slutliga energianvändningen på 4 TWh för 22, se figur 2 för fördelningen av energianvändningen på sektorerna 1. Bostads- och servicesektorn har el- och fjärrvärme som de viktigaste energibärarna medan industrins energianvändning domineras av el och biobränslen och transportsektorns energianvändning domineras helt av oljeprodukter 1. 4
INRIKES TRANSPORTER 23% INDUSTRI 38% BOSTÄDER, SERVICE MM 39% Figur 2: Total slutlig energianvändning 22 fördelat på sektorer: 4 TWh 11. Energianvändningen inom sektorn bostäder, service mm uppgick 22 till 155 TWh, se figur 3. Drygt en tredjedel av samtliga småhus i landet värmdes med enbart el under samma år. Ungefär 17% av småhusen hade enbart direktverkande elvärme medan 16% hade vattenburen elvärme. Ca 1% av småhusen värmdes med enbart olja, 8% med fjärrvärme och 6% med ved. Andelen småhus med kombisystem var ca 3%. Totalt uppgick användningen av el för uppvärmning i småhus och jordbruksfastigheter till 16,5 TWh år 22. Den totala energianvändningen 22 uppdelat på energibärare 1 ses i figur 4. TWh 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Oljeprodukter Biobränslen, torv mm 197 1972 1974 1976 1978 198 1982 1984 1986 Övriga bränslen Fjärrvärme Figur 3: Energianvändningen inom sektorn bostäder, service mm 197-22 11. År 1988 El 199 1992 1994 1996 1998 2 22 5
BIOBRÄNSLEN, TORV, MM 15% KOL OCH KOKS 4% NATURGAS, STADSGAS 1% EL 33% RÅOLJA OCH OLJEPRODUKTER 35% FJÄRRVÄRME 12% Figur 4: Total slutlig energianvändning 22 uppdelat på energibärare: 4 TWh 11. Biomassa, inklusive träbränslen, svartlut, torv mm, tillförde 22 ca 16% eller 98 TWh till energiförsörjningen i Sverige 2, 3, 1. Den största andelen av detta används inom skogsindustrin och för fjärrvärme. Resterande används inom småskalig förbränning i småhus 2,3. År 21 uppskattas användningspotentialen för biobränslen i Sverige vara 16 TWh 1. Småskalig biobränsleförbränning för uppvärmning står idag för ca 6,7 TWh. Av dessa bestod 5,8 TWh av ved, ca,8 TWh av pellets samt,1 TWh av flis och spån. Användningen av pellets är fortfarande väldigt liten inom småhussektorn 1. I och med den kommande omställningen av Sveriges energisystem väntas den småskaliga biobränsleförbränningen att öka 3,12,13. 2.2. Spannmålstillgång Enligt IAKS ii uppgick den totala brukade jordbruksarealen i Sverige 22 till ca 1,13 miljoner hektar, vilket är en 4%-ig minskning jämfört med 21 14, se figur 5. ii Integrerade Administrations- och Kontrollsystemet. 6
6 5 1 ha 4 3 2 1998 1999 2 21 22 23 prel 1 VETE HÖSTRÅG KORN HAVRE RÅGVETE Spannmål Figur 5: Spannmålsareal 1998-23 15 uppdelat på spannmålssort, 1 ha. Enligt SCB iii uppgick den totala svenska skörden av spannmål 22 till ca 5,45 miljoner ton och 23 till ca 5,32 miljoner ton 14,15, se figur 6. Grödfördelningen för spannmålsskörden 23 ses i figur 7. 25 2 1 ton 15 1 23 prel 5-års genomsnitt 5 Höstvete Vårvete Höstråg Höstkorn Vårkorn Havre Rågvete Blandsäd Figur 6: Preliminär totalskörd av spannmål 23 i jämförelse med ett 5-års genomsnitt 15. iii Statistiska Centralbyrån. 7
Rågvete 4% Blandsäd 2% Havre 21% Höstvete 37% Vårkorn 29% Höstråg 2% Höstkorn 1% Vårvete 4% Figur 7: Grödfördelning av totalskördar 23 15. Spannmålsöverskottet uppskattades till ca 1,3 miljoner ton för 22/3 inklusive utförsäljning av interventionslagren iv. För att avsätta överskottsspannmål finns det möjlighet att exportera detta till tredje land direkt från handeln med hjälp av exportbidrag v, 14. 2.3. Miljöläget och utsläppskraven Praktiskt taget all utvinning, omvandling och användning av energi ger upphov till miljöpåverkan av något slag. De mest betydande miljöeffekterna är relaterade till utsläpp från förbränning av bränslen. Dit hör ökningen av växthusgaser i atmosfären, nedfallet av försurande ämnen och utsläppen av hälsovådliga eller miljöstörande föreningar i rökgaser och avgaser 1. Den främsta orsaken till försurning är utsläpp av svavel i form av svaveldioxid. I figur 8 visas dessa utsläpp fördelade på sektorer. Nedfallet av svavel över Sverige härrör idag främst från utländska källor, främst från Tyskland, Polen och Storbritannien. De står tillsammans för drygt 3 % av det totala nedfallet över Sverige 1. iv EU:s interventionssystem syftar till att garantera odlarna en viss lägsta prisnivå på spannmålen. All spannmål som lämnas in till intervention är EU skyldig att köpa upp förutsatt att den håller vissa bestämda kvalitets- och kvantitetskrav. v Systemet är dock beroende av WTO-avtalets restriktioner för handel med spannmål och spannmålsprodukter. 8
1 ton/år 12 1 8 6 4 2 Förbränning i industrin* Transporter Förbränning i el- gas- och värmeverk mm** Bostäder och sevice mm Diffusa utsläpp 199 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2 21 År Industriprocesser mm Figur 8: Utsläpp av svaveldioxid (SO 2 ) i Sverige 199 21, 1 ton 11. Anm.: * Inklusive industriellt mottryck. ** Inklusive koksverk och raffinaderier. Utöver svaveldioxid bidrar även ammoniak och kväveoxidutsläpp till försurning. Kväve bidrar också i hög grad till övergödning. Den största delen av kväveutsläppen härstammar från jordbruket, men tillskottet från energisektorn ger ett markant bidrag. Den överlägset största andelen av kväveoxidutsläppen kommer från fordonstrafik, se figur 9. I Sverige kommer ca 17% av nedfallet av oxiderat kväve från det egna landet. De största utländska bidragen kommer från Tyskland, Storbritannien och Danmark 1. 1 ton/år Figur 9: 4 35 3 25 2 15 1 5 199 1991 1992 1993 1994 1995 1996 År 1997 1998 1999 2 21 Industriprocesser mm Förbränning i el- gas- och värmeverk mm** Bostäder och sevice mm Transporter Förbränning i industrin* Utsläpp av kväveoxider (räknat som NO 2 ) i Sverige 199 21, 1 ton 11. Anm.: * Inklusive industriellt mottryck. ** Inklusive koksverk och raffinaderier. Växthuseffekten är inte i sig ett miljöproblem utan en nödvändighet för att liv ska kunna existera på jorden. Det är ökningen av växthuseffekten på grund av utsläpp av växthusgaser som är ett miljöproblem. Under de senaste 15 åren har atmosfärens koldioxidhalt ökat med 3% på grund av utsläpp orsakande av människan. Fördelningen av CO emissionerna för sektorerna ses i figur 1. Sverige svarar för några promille av koldioxidutsläppen i världen och dessa är lägre än genomsnittet i både EU och OECD vi oavsett om man ser det som utsläpp per invånare eller per BNP 1. vi Organisationen för ekonomiskt samarbete och utveckling är ett samarbetsorgan för 3 länders regeringar som har sitt säte i Paris. OECD utgör ett forum för utbyte av idéer och erfarenheter och ett organ för analyser inom alla områden som påverkar ekonomin och den ekonomiska utvecklingen främst i medlemsländerna. 9
1 ton/år 7 6 5 4 3 2 1 199 1991 1992 1993 1994 1995 1996 År 1997 1998 1999 2 21 Industriprocesser mm Förbränning i el-, gas- och värmeverk mm** Bostäder, service mm Transporter Förbränning i industrin* Figur 1: Utsläpp av koldioxid (CO 2 ) i Sverige 199 21, 1 ton 11. Anm.: * Inklusive industriellt mottryck. ** Inklusive koksverk och raffinaderier. Regeringens klimatpolitiska proposition innebär att Sveriges utsläpp av växthusgaser ska minskas med 4% fram till 28-212 i jämförelse med 199. Detta är ett ambitiösare mål än Sveriges åtagande enligt Kyotoprotokollet som är en ökning på 4% 1. Sverige håller på att anpassa miljökraven till en kommande europeisk EN-standard. Det innebär att krav kommer att ställas på utsläpp av CO (koloxid) och THC (totalkolväte). THC kommer att räknas om till OGC (organiskt bundet kol). I Boverkets Byggregler gäller idag endast krav på OGC. Halterna som inte får överstigas är 1 mg/nm 3 vid 1 % O 2 -halt i torra rökgaser. Framöver kommer motsvarande krav för CO, då halten CO inte får överstiga 3 mg/nm 3 vid 1 % O 2 -halter i rökgaserna. För spannmålsförbränning utgör detta inget hinder eftersom både CO och THC halterna är relativt låga 1. I Sverige är det inte aktuellt med miljökrav på NO x (kväveoxider), men eftersom spannmål är odlat på jordbruksmark innehåller det högre kvävehalter än t ex träpellets. Detta ses tydligt i utsläppen, enligt tidigare försök 1,7. Anmärkningsvärt är dock att även om NO x utsläppen är dubbelt så höga vid förbränning av spannmål än vid förbränning av träpellets så klarar man ändå utsläppskraven för NO x i Österrike, det enda landet i Europa som har krav på kväveoxider, (1 mg/nm 3 ) 1. 3. Metod 3.1. Bränslen och additiv De inhandlade bränslena (Korn, Guldhavre, Fodervete och Råg) kommer från samma återförsäljare (Granngården, Umeå) och analyserades med avseende på torrhalt, askhalt samt askbildande element. Bränslena jämförs dessutom med tidigare analysresultat som baserar sig på ett större urval av spannmålssorter och större provmängder 6. Möjligheten att förbättra det eventuellt sämre förbränningsresultatet vid nyttjande av andra spannmål än havre undersöktes genom tillsats av bränd kalk. Eftersom spannmålen innehåller höga halter av K och P valdes bränd kalk (CaO) som additiv med vetskapen om att eventuellt bildade Ca-fosfater har betydligt högre initiala smälttemperaturer (ca 9 o C) än K-fosfater 1
(ca 7 o C) 16. Bränd kalk valdes som additiv på grund av dess högre reaktivitet i jämförelse med kalciumkarbonat. Detta inhandlades från Nordkalk i kornstorleken,,1 mm. 3.2. Försöksuppställning Ett datainsamlingssystem programmerades i LabView så att alla intressanta temperaturer kunde loggas med hjälp av termoelement, se figur 11. LabView är ett grafiskt programmeringsverktyg för att bygga upp datainsamlingssystem med användarvänliga virtuella instrumentpaneler. LabViews programmeringssystem är helt grafiskt och är som alla andra programspråk ett generellt verktyg för alla möjliga olika programmeringsuppgifter. Brännaren dockas mot en standardpanna av märket Combifire. Pannan, som är framtagen för pelletseldning, har en eldstadsvolym på 12 liter och en vattenvolym på 2 liter. Pannkretsen är kopplad till en vatten/vatten värmeväxlare (1 kw) vars kylkrets är kopplad till ett kylsystem med i princip obegränsad kylkapacitet (kranvatten), för detaljerad beskrivning se uppställningen i figur 11. Temperaturen på pannkretsens tillflöde styr via en magnetventil kylkretsflödet så att en nära konstant temperatur erhålls i pannan. Emissionsintrument O 2 CO NO/NO 2 SO 2 GASANALYS TOTALSTOFT P T T Cyklon T PM filter T OUT Kylare Panna Torktorn Bränslebehållare (3 l) Pump Pump G Gasmätare Rotameter Matarskruv Agrotec spannmålsbrännare T T T T T T Värmeväxlare (-1 kw) Magnetventil T IN Flödesmätare (kylvatten) Figur 11: Schematisk bild över uppställningen. 11
3.2.1. Befintlig brännarkonstruktion AgroTec-brännaren är konstruerad i enlighet med de huvudprinciper som återfinns vid pelletseldning. Bränsletillförseln till det interna bränsleförrådet sker genom en tättslutande sluss som är synkroniserad till externmatningen. Påfyllningen av internförrådet sker ur säkerhetssynpunkt med en begränsad mängd bränsle varje gång. Den maximala mängden bränsle som brännaren kan mata fram är 7 kg/h. Genom att variera frammatningens gång- och stopptider kan olika effekter ställas in. Brännaren med tillhörande matningssystem är under drift helt automatiserad och styrs via pannans termostat. Primär- och sekundärluft är förinställda för att en fullständig förbränning ska ske på ett kostnadseffektivt och miljövänligt sätt. Det finns ett luftspjäll på brännaren där man manuellt kan variera en del av lufttillförseln till förbränningszonen. Rekommendationen från tillverkaren är att öppna spjället 2 mm mer än den valda effekten. Det vill säga om effekten är 15 kw ska spjället öppnas 17 mm. Denna rekommendation följdes efter bästa förmåga. Brännaren är även inställbar för bränsle med varierande energiinnehåll och fukthalt. Frammatning av bränsle till brännaren från det externa bränsleförrådet sker helt automatiskt genom ett matningssystem som är anpassat till panna och brännare och styrs via brännarens styrenhet, se figur 12. Figur 12: Befintlig brännarkonstruktion med komponentförklaring 17. 3.3. Förbränningsförsök utvärdering av befintlig brännare Korttidsförsök på 3-4 timmar utfördes först med den befintliga brännaren för att dels utvärdera dess prestanda med avseende på tillgänglighet, oförbrännt i pannaska och emissioner via rökgaserna vid nyttjande av de olika bränslena dels för att utvärdera vilka eventuella modifieringar som krävs för att förbränningen ska förbättras i största möjliga mån med avseende på luftöverskott, temperaturer, oförbränt i pannaskan och slaggbildning. Brännaren var förinställd på 15 kw enligt bruksanvisningen under samtliga korttidsförsök, vilket i verkligheten visade sig variera beroende på vilket spannmål som nyttjades på grund av bränslenas stora skillnad i bulkdensitet. I verkligheten varierade bränsleeffekten mellan 22,5 och 31,7 kw under korttidsförsöken beroende på spannmålssorten. Under dessa försök kartlades temperaturprofilen i brännaren med hjälp av tre stycken termoelement. Termoelementen var placerade i början, i mitten och i slutet av luft hålen på rostret i jämnhöjd med rostret. Vid uppstart är termoelementen utsatta för direkt värme från elden och glödbädden. När aska väl har börjat bildas isoleras termoelementen men om askan börjar smälta till slagg avtar den isolerande förmågan. Under försöken kan därför en uppskattning av högsta eldstadstemperaturen endast göras under de två första timmarna. 12
3.3.1. Gasanalys och partikelprovtagning Gasanalyser (O 2, CO, NO, SO 2 ) utfördes med standardinstrument (elektrokemiska celler) under samtliga förbränningsförsök. I rapporten redovisas utsläppshalterna som mg/nm 3 torr outspädd gas vid 1 % O 2. Alla gasanalyser startades efter en timmes stabil drift. Dessa analyser jämförs sinsemellan och även med resultat från pelletseldning. Gasanalysen vid korttidsförsöken skedde var 1:e sekund i stort sett under hela förbränningstiden vid förbränning av havre och korn. Vid förbränning av råg och vete varierade utsläppsnivåerna så mycket att endast en kortare analys kunde ske (ca 1 timme) med avseende på analysinstrumentet. Gasanalysen vid långtidsförsöken skedde var 3:e sekund i början, mitten och slutet på förbränningsförsöken medan totalstoftprovtagningen endast skedde i början av varje förbränningsförsök i samband med gasanalysen. Under alla långtidsförsök samt under korttidsförsöket med vete späddes rökgaserna för CO-analys ut tio gånger på grund av de stora variationerna i utsläppsnivåerna då analysinstrumentet inte förmådde att registrerade dessa toppar. Partikelmätningarna utfördes vid samtliga långtidsförsök med modifierad brännare och bestod av totalstoftprovtagning med en förcyklon. Totalstoftmätningarna används till att bestämma och jämföra utsläppsnivåerna mellan de olika försöken. Provtagningen av totalstoft skedde enligt standardmetod SS 2 84 26. Vid partikelprovtagningen användes kvartsfiberfilter som torkades och vägdes före och efter provtagningen. Två filter erhölls per prov då filterhållaren är tvådelad. 3.3.2. Slagg- och askprovtagning Efter provperiodens slut inspekterades brännaren med avseende på mängden avsatt aska och slagg. Dessutom bestämdes mängden avsatt aska i pannans botten. Pannaska, brännaraska samt slaggprover sparades för vidare analys. Proverna från långtidsförsöken sparades för analys av kemisk sammansättning. Vissa beläggningar satt väldigt hårt i brännaren och var tvungna att hackas ut med ett spett. 3.4. Utförda modifieringar på brännare och förändrade förbränningsförfaranden Långtidsförsök på 15 timmar skedde sedan med den modifierade brännaren. Under dessa försök eftersträvades kontinuerlig bränsleinmatning samt liknande luftöverskott och ingående bränsleeffekt mellan försöken med de olika spannmålen. Motorn och växellådan för den inre matarskruven byttes ut mot en lägre utväxlad och därmed kraftigare motor. Detta ledde inte till den önskade effekten, utan för att erhålla detta monterades ett extra, dubbelt så stort drev som original drevet till brännarens interna matningsskruv så att hastighetsintervallet på skruven skulle passa till den önskade effekten och för att erhålla en jämnare förbränning. Hastigheten på skruven kunde delvis varieras genom att byta mellan original drevet och det nya drevet. Eftersom den tidigare placeringen av termoelementen visade sig vara besvärlig ändrades denna och flera termoelement lades till. Under försöken utan kalk kartlades temperaturprofilen i brännaren med hjälp av sex stycken termoelement som placerats i olika positioner och höjder i eldstaden, se figur 13. 13
Vy uppifrån Vy från sidan Bränsle in T6 T5 T4 T3 Bränsle T2 in T1 Figur 13: Bild över placeringen av termoelementen i brännarröret. De korta elementen är 6 mm över rostret och de långa elementen är 15 mm över rostret. 3.4.1. Kalktillsats Utifrån resultaten från de tidigare förbränningsförsöken bestäms en första tillsats motsvarande 1 % av bränslenas ts-halt. En stor mängd kalk tillfördes för att säkerställa en märkbar skillnad i slaggningstendensen. Försök utfördes sedan även med en inblandningsgrad på 2 % av ts till korn, råg och vete. Uppskattningsvis når inte 5-1 % av den tillsatta kalken förbränningszonen på grund av att en del blir kvar i silon, externa matarskruven och brännarens bränsleförråd samt interna matarskruv. Dessutom försvinner en del kalk direkt ut med rökgaserna. Själva inblandningen av kalk sker samtidigt som bränslet vägs in. Kalkmjölet blandas med bränslet ner i bränslesilon i små portioner under omrörning. 3.5. Slagg- och askanalys 3.5.1. Bedömning av sintringsgrad Sintringsgraden klassificerades visuellt hos bildad slagg enligt följande kriterium 13 : 1. Mycket lätt sintrad aska som faller sönder vid beröring 2. Något sintrad aska som håller ihop vid beröring men bryts enkelt isär. Det går enkelt att urskilja en kornstruktur i materialet (begynnande sintring) 3. Sintrad aska som fortfarande går att bryta isär. Man kan visuellt urskilja enskild kornstruktur men askan har dock börjat få en slaggliknande struktur där smält material kan urskiljas visuellt 4. Totalt sintrad aska, går ej att bryta isär för hand. Askan är sammansmält till större block. Ingen enskild kornstruktur går att urskilja visuellt. 3.5.2. Kemisk karaktärisering Ask- och slaggprov analyserades semikvantitativt med ett ESEM/EDS vii. Slaggproverna göts in i epoxi och slipades med SiC-papper så att en jämn snittyta erhölls, medan små mängder av pannaskan fästes på så kallade kolstubbar. Tenära fasdiagram nyttjades sedan för att teoretiskt uppskatta den bildade slaggens smälttemperatur. På grund av avsaknad av ett tydligt tenärt fasdiagram för systemet CaO-K 2 O-P 2 O 5 användes ett över systemet MgO- K 2 O-P 2 O 5. MgO har en liknande effekt på smälttemperaturen som CaO, det vill säga en ökad mängd Ca/Mg leder till ökad smälttemperatur för askan. vii Svepelektronmikroskåp med tillhörande energidispersiv röntgenanalys. 14
4. Resultat och diskussion 4.1. Bränslekaraktäristik All rådata från analyserna redovisas i bilaga 1. I tabell 1 redovisas huvudelementen och de viktiga askbildande elementen för de inhandlade bränslena så väl som hos några referensbränslen. Tabellen visar att askhalten för havre och korn är signifikant högre än för råg, vete och trädbränslepellets. Här ser man tydligt också skillnaden i bulkdensitet mellan spannmålen. En tydlig skillnad i kväve- och fosforhalterna kan också ses mellan spannmål och rörflen respektive trädbränslen. Vid en jämförelse av de askbildande elementen framgår att kiselinnehållet i havre är betydligt högre än i de andra nyttjade spannmålen. Kalciumhalten är markant högre i bark- och grotbränslen än i spannmålsbränslen medan spannmålen har höga halter av kalium och fosfor. Tabell 1: Huvud- och viktiga askbildande element hos nyttjade spannmål samt hos rörflen och trädbränslen. Enhet Råg Vete Havre Korn Rörflen a Träpellets b Barkpellets b Grotpellets b TS % 9, 89,1 89,3 89,9 9,5 92, 88,6 89,9 Askhalt % ts 1,9 1,8 3,4 2,6 5,7,45 2,5 8,6 Bulkdens. kg/m 3 832 889 612 74-66 643 72 V.V. MJ/kg ts 18,5 c 18,7 c 19,2 c 18,7 c 18,9 18,2 19,1 18 H % ts - - 6,3 c 6,2 c 5,7 6 6 5,7 O % ts - - 46,4 c 45,2 c 41,6 41,8 39 39,3 N % ts - - 1,4 c 1,9 c,4,12,48,4 S % ts,12,15,15,14,1 <,1,4,4 Cl % ts,4,4,7,7,3 <,1,2,2 SiO2 % ts,1,1 1,1,47 4,39,6,58 3,99 CaO % ts,4,5,8,6,31,1,76 1,55 K2O % ts,57,48,67,71,2,2,24,44 MgO % ts,19,19,21,22,7,2,11,18 P2O5 % ts,75,74,83,82,12,1,18,16 a ) Värden tagna ur Skrifvars et al (1999) 18. b ) Värden för bark- och grotpellets är för lagrad råvara och samtliga data är tagna ur Öhman et al (24) 19. c ) Värdena tagna ur Hadders et al (21) 6. De nyttjade spannmålen representerar väl respektive spannmålssort med avseende på innehåll och sammansättning av askbildande element 6. Värmevärdena hos spannmålen är jämförbara med typiska värden för halm (18,6 MJ/kg) och rörflen. Däremot har träbränslen ett något högre värmevärde som enligt Hadders et al (21) kan uppgå till ca 2,4 MJ/kg ts 6. Vid en jämförelse mellan spannmålens olika innehåll av askbildande element framgår att råg och vete har relativt lika sammansättning, det vill säga deras innehåll domineras av fosfor och kalium, figur 14. Kiselhalten hos korn och framför allt havre är betydligt högre än hos råg och vete. Förutom kisel så domineras även deras innehåll av kalium och fosfor. Tidigare resultat 6 visar på att höstvete- och rågveteaskorna har en låg begynnande asksmälttemperatur, vilket kan leda till stora slaggbildningsproblem. Korn föreföll att vara något bättre ur sintringssynpunkt. Tydligt avvikande var dock havre. En förklaring till detta angavs vara det avsevärt högre kiselinnehållet, som redan känt leder, för vissa asksammansättningar, till högre sintringstemperaturer 6. 15
1,2 1, vikt-% av ts,8,6,4 Råg Vete Havre Korn,2, S Cl SiO2 CaO K2O MgO P2O5 Figur 14: Bränsleaskans sammansättning med avseende på askbildande huvudelement hos de nyttjade spannmålsbränslena. 4.2. Utvärdering av befintlig brännare Utifrån temperaturmätningarna framgår att den diskontinuerliga matningen av bränslet ger upphov till att elden vandrar fram och tillbaka i brännarröret. Detta leder till att elden/glöden längst in i röret kvävs när nytt bränsle matas in medan det brinner intensivt längst ut i brännarröret. Lagom till att det nya bränslet har antänts längst bak i röret matas nytt bränsle in som kväver denna eld. Detta gör det svårt att uppskatta eldstadstemperaturen under korttidsförsöken. Något som ytterliga försvårar detta är att bränsleaska bildas redan en kort stund efter antändningen. Figur 15 visar allmänt hur den registrerade temperaturen vid en position (T6) i början av förbränningen är hög, men sjunker allteftersom bränsleaska bildas för att i slutet visa på en temperaturtopp då askan smält och bildat slagg runt termoelementet. En del av bränsleaskan blåses bort av primärluftsfläkten men när askansamlingen blir tillräckligt stor börjar denna att isolera termoelementen och den registrerade temperaturen sjunker. Vid den senare tidpunkten registreras temperaturen i askan och inte i förbränningszonen. När askan sedan smälter och bildar mer eller mindre kompakt slagg, i slutet på förbränningstiden, minskar askans isolerande förmåga och några högre temperaturtoppar registreras. Därför kan endast de högsta eldstadstemperaturerna registreras i början av förbränningsperioden. Dessa uppskattas till nästan 1 o C och upp till nästan 12 o C för råg. För vete loggades inga förbränningstemperaturer eftersom den dåliga placeringen av termoelementen bidrog till att termoelementen brann upp. 16
12 1 8 o C 6 4 2 5:53:2 7:21:7 8:5:7 1:19:7 11:48:7 13:17:7 14:46:7 16:15:7 17:44:7 19:13:7 2:42:7 Tid Figur 15: Registrerade temperaturer av ett termoelement (T6) vid ett av förbränningsförsöken. 4.2.1. Gasanalyser Figur 16 visar på stora fluktuationer både i luftöverskottet (O 2 -halten) och i CO-halten. Detta beror sannolikt på att matningen med den inre matarskruven sker intermittent. Variationen i bränsletillförseln skulle behöva minskas betydligt för att erhålla lägre CO-halterna lägre. Medelvärdena för luftöverskottet och CO-utsläppen i figuren är 11 % respektive ~96 mg/nm 3 för havre och 6 % respektive ~242 mg/nm 3 för vete. En tabell över huvudresultaten finns i bilaga 2. 1 2 6 12 CO (mg/nm 3 ) 8 6 4 2 16 12 8 4 % O2 CO O2 CO (mg/nm 3 ) 5 4 3 2 1 1 8 6 4 2 % O2 CO O2 Havre provtagningstid (1h) Vete provtagningstid ( 1 / 2h) Figur 16: I figuren jämförs syrehalten mot CO-utsläppen för havre (vänster) och vete (höger) under korttidsförsöken. Figuren visar tydligt att luftöverskottet och CO samvarierat. Med denna observation styrks tidigare iaktagelser om att elden vandrar i brännarröret. Under hela försöket höll sig timmedelvärdet för luftöverskottet (O 2 ) på samma nivå. Av figur 17 framgår att medelvärdet var betydligt lägre för råg och vete än för havre och korn. För att erhålla högre och framför allt jämnare luftöverskott måste bränsleinmatningen ske kontinuerligt och med en lämplig hastighet så att risken för eventuell kvävning av elden minimeras samtidigt som en önskad bränsleeffekt nås. Detta kan eventuellt även minska mängden oförbrännt i askan. 17
O2-halten (% ts) 16 14 12 1 8 6 4 2 Havre Korn Råg Vete Figur 17: Erhållna medelvärden med standardavvikelser vid korttidsförsöken för luftöverskotten (O 2 ) under början av pr ovperioden. Gasanalyserna visade att förbränningen inte sker riktigt optimalt med brännarens förinställda parametrar (bränslematning och lufttillförsel). Detta kan ha sina orsaker i att de olika bränslena skiljer sig markant i bulkdensitet, vilket påverkar bränsleeffekten. Under försöket med vete späddes rökgaserna tio gånger för att få med även de högsta emissionstopparna eftersom gasinstrumentet inte registrerade de höga CO-topparna för korn och råg. Detta gör att resultaten för CO-utsläpp inte kan jämföras i figur 18 mellan de fyra korttidsförsöken. Man kan anta att CO-halterna för korn och råg ligger mellan havrens och vetets utsläppshalter. Orsakerna till varför CO-halterna är så höga är sannolikt den ofullständiga förbränningen. Anledningen till den stora variationen på CO-halterna är sannolikt den diskontinuerliga bränsleinmatningen. Inga stoftmätningar gjordes under korttidsförsöken. Kvävehalten är naturligtvis betydligt högre för spannmål än för träpellets, närmare bestämt 12-16 gånger högre. Detta eftersom spannmål odlas på jordbruksmark där bland annat kväve tillförs genom gödsling. Inga större skillnader urskildes under förbränningsperioden i utsläppshalterna. Anledningen till de höga svavelutsläppen vid förbränning av vete i jämförelse med de andra försöken kan inte vara bränslets svavelinnehåll, eftersom skillnaderna i svavelhalterna är så små mellan spannmålen. Luftöverskottet var dock betydligt lägre under detta försök. Vete har också en lägre kaliumhalt än de andra sädesslagen. Den lägre kaliumhalten och luftöverskottet har förmodligen lett till att svavlet inte bundits upp i askan som K 2 SO 4 utan följt med rökgaserna ut som SO 2 (g). 18
Utsläppshalter (mg/nm3 vid 1 % tg) 35 3 25 2 15 1 5 Havre Korn Råg Vete Träpellets* SO2 NO CO Figur 18: Medelvärden över utsläppen från befintliga brännarförsök i relation till träpellets eldat i en pelletsbrännare. * Värden tagna ur Stem (1999) 2. 4.2.2. Askmängd och beläggningsbildning i brännare Genom att jämföra den producerade askmängden vid försöken och den teoretiskt tillförda mängden bränsleaska kan mängderna oförbrännt i askan uppskattas. Mängden oförbrännt i aska är väldigt stort, uppskattningsvis 47 % för havre, 64 % för korn, 69 % för råg och 74 % för vete. En anledning till att mängden oförbrännt i askan är så hög för korn, råg och vete kan beror på att dessa kärnor är betydligt hårdare än havre, det vill säga dessa kärnor hinner helt enkelt inte förbrännas fullständigt under rådande förhållanden. En annan anledning kan vara det lägre luftöverskottet. En hel del av askan blir kvar i brännarröret, figur 19. Ungefär 2 % av den totala askmängden vid förbränning av havre blir kvar i brännaren, för korn och råg blev ca 37 % av askan kvar i brännaren medan ca 3 % av askan vid vete försöket återfanns i brännaren. Detta kan orsaka problem i form av sintring då förbränningstiden är lägre än dessa försök. Om askan i brännarröret börjar smälta kommer lufthålen på rostret att täppas igen, vilket leder till försämrad förbränning och senare antagligen till driftstopp. Ingen större mängd slagg bildades i något av försöken eftersom förbränningstiden var så kort (3-4 h). 19
14 12 Askmängd (g) 1 8 6 4 Brännaraska Pannaska 2 Havre Korn Råg Vete Figur 19: Den totala producerade askmängden, inklusive mängden oförbrännt, fördelat på mängden brännaraska och pannaska. 4.3. Utvärdering av modifierad brännare Den kontinuerliga matningen av bränslet har eliminerat problemen med den vandrande elden i brännarröret. Antaganden för eldstadstemperaturen gjordes som tidigare med hjälp av de högsta registrerade temperaturerna i början av förbränningsperioden. Dessa uppmättes till ca 11-12 o C vid samtliga försök. 4.3.1. Gasanalyser Figur 2 och 21 visar på att luftöverskottet i rökgaserna fortfarande varierar i ungefär samma utsträckning som under korttidsförsöken med befintlig brännare. CO-halterna håller sig i regel på ganska låga nivåer med enstaka emissionstoppar. Om variationen av luftöverskottet skulle minskas och utjämnas ytterligare så skulle emissionstopparna av CO förmodligen elimineras. Medelvärdena för luftöverskottet och CO-utsläppen i figuren är 9 % respektive 18 mg/nm 3 för havre, 8 % respektive 275 mg/nm 3 för korn, 1 % respektive 416 mg/nm 3 för korn och 9 % respektive 495 mg/nm 3 för vete. För havre har luftöverskottet och CO-utsläppen sjunkit något sedan korttidsförsöken medan bägge dessa har ökat för vete. Ur figuren framgår även, i motsats till tidigare försök i befintlig brännare, att när luftöverskottet (O 2 ) ökar så minskar CO-halterna. Vid väldigt låga syrehalter (ca 5 % O 2 ) märks tydliga CO toppar. En liten ökning av luftöverskottet torde därmed leda till en minskad mängd CO toppar eller rent av att dessa elimineras. En översikts tabell över resultaten återfinns i bilaga 3. 2
5 15 8 2 CO (mg/nm 3 ) 4 3 2 1 1 5 % O2 CO O2 CO (mg/nm 3 ) 6 4 2 15 1 5 % O2 CO O2 Havre Korn CO (mg/nm 3 ) 6 5 4 3 2 1 Råg 24 2 16 12 8 4 % O2 CO O2 CO (mg/nm 3 ) 4 3 2 1 Vete 2 15 1 5 % O2 CO O2 Figur 2: Syrehalten mot CO-utsläppen för spannmålen under 1h i början av långtidsförsöken (mod. brännare). Av figur 21 framgår att under långtidsförsöken med den modifierade brännaren har luftöverskottet (O 2 ) varierat mellan 8,5-1 % mellan de olika försöken, det vill säga varit relativt lika i jämförelse med korttidsförsöken. 18 16 Korta försök (bef. brännare) Långa försök (mod. brännare) 14 O2-halten (% ts) 12 1 8 6 4 2 Havre Korn Råg Vete Figur 21: Medelvärden och stdav för luftöverskotten (O 2 ) under början av förbränningsperioden, för de korta (bef. brännare) respektive långa (mod. brännare) försöken. Vid en jämförelse av utsläppshalterna under respektive försök, figur 22, kan man urskilja att havre har de absolut lägsta emissionerna, samt att de ej påverkas av försökstiden. Korn har en hög emissionsnivå från början av förbränningen, men sjunker med tiden till under P- märknings krav hos pelletsbrännare (CO < 2 mg/nm 3 vid 1 % O 2 ). Samma sak gäller för råg, även om dessa utsläppshalter knappt kommer under CEN kraven (CO < 3 mg/nm 3 vid 1 % O 2 ) för pelletsbrännare. Anledningen till de varierande utsläppen under förbränningstiden kan vara att det tar längre tid för korn och råg att antändas ordentligt på 21
grund av deras hårdare skal. CO-utsläppen för vete ökar en aning under förbränningens gång antagligen på grund av den hårda slaggbildningen som täpper igen lufttillförseln till förbränningen. Halterna slutar långt över de godkända utsläppskraven för pellets. Utsläppshalter (mg/nm 3 vid 1 % tg) 14 12 1 8 6 4 2 Havre början Havre mitten Havre slutet Korn början Korn mitten Korn slutet Råg början Råg mitten Råg slutet Vete början Vete mitten Vete slutet NO CO Figur 22: Utsläppshalter (CO och NO) under hela förbränningstiden för respektive spannmålssort. Om man jämför utsläppshalterna hos den modifierade och den icke modifierade anläggningen under samma förutsättningar under försökens första timme efter stabil förbränning, figur 23, märks att kväveoxidhalterna fortfarande håller sig på liknande nivåer som tidigare. Havre har lägre CO-utsläpp medan vid förbränning av korn i den modifierade brännaren har utsläppen ökat kraftigt. Även vid vete försöket har CO-utsläppen ökat medan utsläppen för råg är som vid nyttjandet av den befintliga brännaren. Svavelutsläppen har ökat något för korn och råg medan den för vete har sjunkit drastiskt. Korn brinner ganska dåligt under den första timmen av förbränningen, därav de höga CO-halterna. Så även om förbränningsförhållandena varit bättre så har CO-utsläppen ökat i några av fallen från korttidsförsöken. NO-halterna håller sig i stort sett på samma nivåer under dessa försök som under korttidsförsöken. Det är endast havre och råg som klarar av de högre utsläppskraven för P-märkning 21, CO <2 mg/nm 3 vid 1 % O 2 medan de andra inte ens klarar utsläppskraven för CO enligt CEN-standarden för pellets 21, CO <3 mg/nm 3 vid 1 % O 2. 22