Projekt SWX-Energi Rapport nr 30 Konditionering av råvara före pelletering Stefan Frodeson, Jonas Berghel
2
FÖRORD Rapporten Konditionering av råvara före pelletering är framtagen av Stefan Frodeson och Jonas Berghel inom delprojekt pellets. Syftet med studien är att undersöka hur förvärmning av sågspån, innan pelletspressen, påverkar pelletskvaliteten och energianvändningen i pelletspressen. Rapporten redovisar hur förvärmning av sågspånet till tre olika temperaturnivåer påverkar pelleteringsprocessen. Olika kvalitetsaspekter på den färdiga pelletsen har utvärderas samt hur energianvändningen påverkats. Ett varm tack riktas till medverkande företag. 2011-11-18 Lars Persson Jonas Berghel Projektchef, SWX-Energi Projektledare, delprojekt Pellets 0653-77211, 070-2117896 054-7001247 lars.persson@gde-kontor.se jonas.berghel@kau.se 3
SAMMANFATTNING I delprojekt Pellets ingår att testa olika råvaror, mixa olika tillsatser samt testa att konditionera eller förvärma sågspån innan pelletering. I detta arbete undersöker vi hur förvärmning av sågspånet påverkar kvalitet på pelletsen och energianvändning i pelletspressen vid tillverkning av träpellets i en mindre industriell pelletspress. De kvalitetsaspekter som tas upp är de som ingår i fastställda standarder. De studerade kvalitetsparametrarna är: mekanisk hållfasthet, pelletsfukthalt, andel finpartiklar, densitet och längd. De studerade energiparametrarna är: totalenergi- och ström(elektricitet)användning vid pelletstillverkning. Alla provkörningarna har genomförts på testanläggningen vid Karlstads universitet. Anläggningen är unik i sitt slag, där kan man hantera hela processkedjan från fuktig råvara till färdigt bränsle i små kvantiteter. Resultatet visar att hållfastheten försämras något om inte vatten finns med vilket är fallet med ånga. Längderna blev både bättre och sämre, vilket visade på känsligheten med vald kompressionslängd i matrisen. Vi kunde konstatera att matristemperaturen under vår studie inte påverkades oavsett om spåntemperaturen var 20 eller 100 C. För att verifiera resultaten behövs ytterligare studier utföras. 4
INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 INLEDNING... 6 1.1 Bakgrund... 6 2 UTRUSTNING OCH MATERIAL... 6 2.1 Pelletspress med tillhörande delsystem... 6 2.2 Experiment och mätningar... 8 3 RESULTAT... 9 3.1 Metod... 9 3.2 Resultat och diskussion... 10 4 DISKUSSION... 12 5 SLUTSATS... 13 6 REFERENSER... 14 5
1 INLEDNING Inom delprojekt Pellets gavs möjligheten att testa förvärmning av sågspånet vid tillverkning av pellets i syfte att höja kvaliteten och sänka energiförbrukningen i pelletspressen. Med framtidsscenariot mot ett långsiktigt hållbart energisystem är det bra att vi i Sverige och särskilt inom våra tre län (Värmland, Dalarna och Gävleborg) har goda möjligheter att producera förnybar energi av hög kvalitet. 1.1 Bakgrund Forskning och utveckling inom pellets är idag ett snabbt växande område. I Europa är det främst i de nordiska länderna som forsknings- och utvecklingsprojekt kan hittas, men det finns även projekt i Mellaneuropa (Tyskland, Österrike, Italien). Samtidigt sker en stark ökning av tillverkningen av träpellets såväl i Sverige som i flera andra länder i Europa och det är stor efterfrågan på kunskap om processen. Kvalitet, eller tillräckligt hög kvalitet, måste definieras eftersom det är ett brett begrepp med flera möjliga betydelser. Kvalitet kan definieras antingen som uppfyllande av krav enligt en standard, till exempel SS-EN 14961-1, eller det kan bestämmas av hushållen, det vill säga användaren av pellets. Det sistnämnda är viktigt, eftersom hushållens användare är kvalitetsmedvetna. Med nya användare kommer nya krav på pellets. Efterfrågan på högre pelletskvalitet ställer krav på att pelletsproducenter ständigt förbättrar sin produktion. För en pelletsproducent är det inte bara kvaliteten på produkten som är viktig, utan även att minimera energiförbrukningen i samband med pelletstillverkning. I dag används huvudsakligen fuktig råvara, vilket innebär att råvaran måste torkas innan den kan pelleteras. Ser man till den totala energiförbrukningen, dominerar torkningen energianvändningen i pelletsfabriken, följt av energianvändningen för pelletering. De pelletsfabriker som ligger integrerade med annan industri kan ha tillgång till överskottsvärme eller rökgaser som kan används vid torkning av sågspånet. För andra pelletsfabriker är elektricitet energikälla till torkarna och detsamma gäller för samtliga pelletspressar. 2 UTRUSTNING OCH MATERIAL Alla provkörningar har genomförts på testanläggningen vid Karlstads universitet. Testanläggningen är unik i sitt slag då vi kan hantera hela processkedjan från fuktig råvara till färdigt bränsle. I denna studie utnyttjas inte testanläggningens torksystem utan endast pelletspressen med tillhörande delsystem. Hela testanläggningen beskrivs mer utförligt i rapport nr 22, Tillsatser för kvalitetshöjare för pellets. 2.1 Pelletspress med tillhörande delsystem Pelletsen producerades i en produktionsenhet, som ligger vid Avdelningen för energi, miljö- och byggteknik vid Karlstads universitet, (se figur1, 2 och 4). Den består av: (1) en blandare, (2) en transportskruv, (3) en skruvmatare där befuktning, dosering och förvärmning sker vid behov, (4) en Amandus Kahl C33-390 pelletspress med en planmatris med en maximal kapacitet av 300 kg/h, (5) en volymetrisk doserare för tillsatser. Efter pelletspressen finns möjlighet till kylning av producerad pellets. 6
5 3 2 1 4 Figur 1. Pelletsanläggning vid Karlstads Universitet. Inblandning av tillsatser, förvärmning eller ångkonditionering av spån sker i matarskruven (3). Tillsatser kan matas in manuellt eller via en volymetrisk doserare (5), som blandar in tillsatsen cirka 200 mm, innan materialet faller ner i pelletspressen (4). Förvärmaren består av två kapslade Mikanitelement med inbyggda temperaturgivare om vardera 3 000 W. Temperaturen styrs via temperaturregulator till önskad yttemperatur på matarskruvens yta. Ångan produceras via en ångalstrare, Steambox 5000, och ångtrycket ligger på 3 bar. Pelletspressen har utbytbara planmatriser för att möjliggöra pelletering med olika kompressionslängder. Matrisen har nio rader med 52 hål i varje rad, totalt 468 hål, se figur 3, en arbetsbredd på 75 mm samt en totaltjocklek på 50 mm. Kompressionslängden varierar beroende på val av matris. I denna studie användes två olika matriser med vardera effektiv kompressionslängden 30 mm och 38 mm. Hålen har en diameter på 8 mm, inloppsdiametern är 10,2 mm och konvinkeln är 17. Den öppna andelen av matrisen är 64 % av det totala arbetsområdet. Kniven som skär av pelletsen strax under matrisen är demonterad för att studier av tillsatsernas påverkan på längd ska bli tydligare. Figur 2. Pelletsmatris 38 mm. 7
Figur 3. Pelletspress av märket Kahl med skruvmatare och blandare. Figur 4. Förvärmaren (Mikaelement) isolerad och ångdysa toppmonterad på matarskruven Följande mätvärden registrerades som medelvärden var 10:e sekund: Mikaelementens temperatur, effekt till elementen, presstryck, matristemperatur, inmatningsskruvens frekvens och energiförbrukning. Manuell provtagning gjordes på ingående materials fukthalt, utgående pellets fukthalt och utgående pelletsflöde. Manuell medeltemperaturmätning på spånet gjordes med värmekamera Flir i5 innan spånet föll ner i pelletspressen. Analyser gjordes på medellängd, bulkvikt och hållfasthet. 2.2 Experiment och mätningar Pelletspressen kördes till dess att stationära förhållanden erhölls. Inför varje nytt test var det en inkörningsperiod på minst 5 minuter med den aktuella tillsatsen för att få säkra, stationära förhållanden. Varje testkörning varade i 5 minuter. Under testerna registrerades kollerhjulens presstryck, matrisens temperatur, blandarskruvens frekvens och strömförbrukningen i pelletsmaskinen var tionde sekund. Matristemperaturer mättes med Pt-100, med noggrannheten ± 0,5 C och strömförbrukningen mättes med en noggrannhet på ± 1 %. 8
Den producerade pelletsen kyldes ner till rumstemperatur och siktades innan den analyserades. Analysen gjordes genom att testa och jämföra den producerade pelletsen med den svenska standarden. De testade parametrarna var: Vattenhalten (% vb) för sågspån och pellets, bestäms enligt SS 187170. Den genomsnittliga längden (mm), bestämdes enligt SS187120 genom mätning av två prover av minst 20 slumpmässigt utvalda pellets. Bulkdensitet (kg m -3 ) bestämdes genom att mäta vikten på en 5-liters burk enligt SS-EN 15103:2010 fylld med pellets. Den mekaniska hållfastheten bestäms enligt SS-EN 15210. 3 RESULTAT 3.1 Metod Sågspånet som användes var sållat gransågspån och det hämtades från Stora Enso Timber AB vid Gruvön. Sågspånet var malt och färdigttorkat vid lågtemperatur (60-80 C) på en bandtork till cirka 10 % fukthalt. Spånet konditionerades på KaU genom tillsättning av vatten till vald fukthalt, se tabell 1, samt vattentillsattes i spånet i slutet på matarskruven. Testserien bestod av 8 tester, varav två är noll-prov. 0-provstesterna kördes helt utan förvärmning, vilket genererade en sågspånstemperatur innan pelletspressen på cirka 20 C. Vid test 1 värmdes sågspånet med 3 bars ånga vilket ger en ångtemperatur på 133 C, sågspånstemperaturen uppmättes inte. Vid test 2-4 värmdes sågspånet med Micaelementen och temperaturen i värmeelementen ställdes på 100 C, 150 C och 200 C. Sågspånstemperaturerna som uppmättes via värmekamera efter matarskruven precis innan spånet trillade ner i pelletspressen, var 45 C, 70 C och 100 C. Matrisval Tabell 1. Ingående material vid tillverkning av pellets med förvärmning till olika temperaturer. Körning Sågspån Tillsatt Sågspån Pellets- vatten temperatur flöde fukthalt (g/min) ( C) (kgts/min) (%) 38 mm 30 mm Pellets fukthalt (%) 0-prov 12,6 149 20 1,41 4,01 Ånga 3 bar 12,6 149 Ej uppmätt 1,42 4,09 Värmare 100 C 12,6 149 45 1,43 4,20 Värmare 150 C 12,6 149 70 1,45 3,79 Värmare 200 C 12,6 149 100 1,45 4,28 0-prov 12,6 149 Ej uppmätt 1,52 6,62 Värmare 100 C 12,6 149 Ej uppmätt 1,38 6,28 Värmare 150 C 12,6 149 Ej uppmätt 1,39 5,06 9
3.2 Resultat och diskussion Mätdata från körningar sammanfattas i tabell 2. Resultaten redovisas som medelvärden från loggade data för presstryck och matristemperatur samt pelletsens fukthalt och bulkdensitet. Resultatet visar att bulkdensiteten minskar något med förvärmning. Fukthalten i pelletsen och matristemperatur påverkas mycket lite. Tabell 2. Mätdata från test med förvärmning av pellets från granspån. Testserie Körning Presstryck Bar Bulkdensitet 38 mm 30 mm Matris temperatur ( C) Pellets fukthalt (%) (kg/m 3 ) 0-prov 93,7 113,6 4,01 630,6 Ånga 3 bar (133 C) 97,6 117,1 4,09 628,8 Värmare 100 C 94,2 115,8 4,20 625,7 Värmare 150 C 98,9 116,9 3,79 628,1 Värmare 200 C 93,2 117,5 4,28 617,6 0-prov 87,3 103,7 6,62 622,1 Värmare 100 C 85,1 104,5 6,28 625,6 Värmare 150 C 81,4 105,5 5,06 599,7 Resultatet från kvalitetstesterna rörande hållfasthet visar på att ångan förbättrar hållfastheten något. Resultatet visar även att temperaturen 150 C och uppåt försämrar hållfastheten. 82 80 38 mm 30 mm Hållfasthet (%) 78 76 74 72 0-prov Ånga 100 C 150 C 200 C Körning Diagram 1. Hållfasthet för pellets redovisat som andel pellets för förvärmning till olika temperaturer. 10
Längderna förbättras inte alls av förvärmning i fallet med kompressionslängden 38 mm. Om kortare kompressionslängd användes blev längderna något bättre med förvärming. 10 9 Längd (mm) 8 7 38 mm 30 mm 6 5 0-prov Ånga 100 C 150 C 200 C Körning Diagram 2. Pelletslängd vid förvärmning till olika temperaturer Energiförbrukningen per torrsubstans påverkas lite av förvärmningen, resultatet visar inte på någon trend att förvärmning påverkar pelletspressens energiförbrukning. 1120 1100 38 mm 30 mm Energi/kgTS (kj/kg) 1080 1060 1040 1020 1000 980 0-prov Ånga 100 C 150 C 200 C Körning Diagram 3. Energianvändning per kg torrsubstans pellets vid förvärmning till olika temperaturer. 11
Matristemperaturen ligger i det närmaste konstant under hela studien trots att spåntemperaturerna varierar mellan 20 C i 0-proven och 100 C i körningen med manteltemperatur på 200 C. Temperatur ( C) 250 200 150 100 Matristemperatur 38 mm ( C) Matristemperatur 30 mm ( C) 38 mm 30 mm 50 0 0-prov Ånga 100 C 150 C 200 C Körning Diagram 4. Temperaturer i matris samt på värmaren. Värmarens temperatur 100 C gav spåntemperatur på 40 C, 150 C gav spåntemperatur 70 C samt 200 C gav spåntemperatur 100 C. 4 DISKUSSION Vi har genomfört en studie i effekterna av att förvärma sågspånet innan pelletering. Den första delen av studien genomfördes med en kompressionslängd på 38 mm vilket gav porösa och torra pellets. Detta föranledde att en ny studie utfördes under samma förutsättningar fast med kortare kompressionslängd. Alla provkörningar är gjorda i samma försöksanläggning, en industriell pelletspress, och under liknande förutsättningar. Förvärmningen gjordes genom att matarskruven uppvärmdes till valda temperaturer och att sågspånet förvärmdes under tiden den passerade den uppvärmda zonen. Uppehållstiden i den varma zonen var således konstant under studien oavsett vald temperatur. Vi kunde konstatera, att när test 150 C och framförallt 200 C gjordes, var det skiftningar i temperatur beroende var i skruven som spånet befunnit sig, nära eller långt ifrån kanten. Spånet mixades således inte bra nog vid dessa temperaturer och det blev kalla zoner närmast mitten av matarskruven. För att komma tillrätta med detta problem måste vi få längre uppehållstider, vilket för oss innebär längre mixerskruv. Vi skulle kunna sänka sågspånsflödet men det påverkar uppehållstiden i matrisen negativt. Finpartiklar Studien visar, att vid värmning av pelletsen till ca 70 C genererade testerna med 38 mm samma kvalitet rörande hållfasthet som noll-provet, medan 30 mm visade på en något förbättrad kvalitet. När vi förvärmde med ånga till ungefär samma temperatur fick vi ett något bättre resultat, vilket troligtvis beror på ökat vatteninnehåll. 12
Testet med ånga visade ingen högre slutfukthalt jämfört med övriga tester. Resultatet visar, att högre temperatur på spånet än 70 C påverkar kvaliteten negativt. Mer studier behövs för att verifiera säkra resultat. Bulkdensitet Resultatet i studien visar, att bulkdensiteten på pellets minskar något vid förvärmning. Skillnaden är dock så liten att den kan bero på att mätmetoden ger stora felmarginaler. Längd Om kortare kompressionslängd användes blev längderna något bättre med förvärming. Resultaten från längdmätningarna visar att förvärmning inte förbättrar pelletslängden när tester med 38 mm gjordes. Vid kortare kompressionslängd visades positiva längdförbättringar på pelletsen med bäst resultat om spåntemperaturen värmdes till ca 70 C, som fallet med 100 C på förvärmningselementet. Ingen pellets som producerats var längre än vad som anges i standard. Pellets av för kort längd kan orsaka samma problem som finpartiklar gör i matningsskruvar, till exempel stopp. Energianvändning Energianvändningen i pelletspressen är en viktig parameter att försöka minimera. All energi som används är elektricitet. Det innebär att även små minskningar kan leda till betydande kostnadsbesparingar. Förvärmning av sågspån visade inte de resultat som vi hade hoppats på. Som mest avviker testet 200 C, 38 mm då spånet uppvärmdes till uppmätta 100 C innan det trillade ner i pelletspressen. Men den avvikelsen är bara cirka 7 %. För att verifiera resultaten måste ytterligare studier utföras. 5 SLUTSATS Målet med studien var att finna hur stor påverkan som förvärmning av sågspån har på pelletskvalitet och energiförbrukning. Studien visar att de positiva effekterna av värmning uteblev. Hållfastheten försämras något om inte vatten finns med, vilket är fallet med ånga. Längderna blev både bättre och sämre, vilket visade på känsligheten med vald kompressionslängd. Vi kunde konstatera att matristemperaturen under vår studie inte påverkades oavsett om spåntemperaturen var 20 C eller 100 C. För att verifiera resultaten behöver ytterligare studier utföras. 13
6 REFERENSER 1. SIS SSI. SS 187120 Biobränslen och torv Bränslepellets Klassificering. (Biofuels and peat Fuel pellets - Classification). Stockholm, Sweden: SIS Förlag AB, 118 80 Stockholm, Sweden; 1998. 2. SIS SSI. SS 187170 Biobränslen och torv Bestämning av Total fukthalt. (Biofuels and peat Determination of total moisture). Stockholm, Sweden: SIS Förlag AB, 118 80 Stockholm, Sweden; 1997. 3. SIS SSI. SS-EN 15210 Solid biofuels Determination of mechanical durability of pellets and briquettes Part 1: Pellets. Stockholm, Sweden: SIS Förlag AB, 118 80 Stockholm, Sweden; 2010. 4. SIS SSI. SS-EN 15103:2010 Fasta biobränslen - Bestämning av skrymdensitet. (Solid biofuels - Determation of bulk density). Stockholm, Sweden: SIS Förlag AB, SE 118 80 Stockholm, Sweden; 2010. 5. SIS SSI. SS-EN 15210-1:2010. Fasta biobränslen - Bestämning av mekanisk hållfasthet hos pellets och briketter - Del 1: Pellets. (Solid biofuels-determation of mechanical durability of pellets and briquettes). Stockholm, Sweden: SIS Förlag AB, SE 118 80 Stockholm, Sweden; 2010. 14
RAPPORTER 1) Säffle biogas Förstudie 2) Skogsskötselmodeller anpassade för skogsbränsleuttag några exempel 3) Framtidens pelletsfabrik 4) Småhusens framtida utformning Hur påverkar Boverkets nya byggregler? 5) Långa toppar 6) Ackumulerande fällaggregat i gallringsbestånd 7) Undersökning av efterfrågan på GRÖN grot 8) Studie av storbuntaren Rogbico 9) Marknadspotential för sol- och biovärmesystem 10) Byggregler och småhustillverkare. Husens framtida utformning. 11) Möten med husföretag 12) Solvärme i nybyggda hus 13) Husköpares val av värmesystem Hinder och möjligheter 14) Användning och vidaretransport av skogsenergisortiment 15) Vidaretransport av skogsenergisortiment Tidsstudier och kostnadskalkyler 16) Utveckling av logistiken för skog 17) Transport av skogsenergisortiment Företags- och samhällsekonomiska kostnader 18) Beräkning och analys av skogsbränslepotentialer i Värmland 19) Ekonomi vid skogsskötsel inriktad mot energi- och industrisortiment 20) Biogas Säffle Förstudie Värmlandsnäs 21) Småskalig rökgasrening metoder för att minska utsläppen från småskalig biobränsleeldning 22) Tillsatser som kvalitetshöjare för pellets 23) Karläggning och nulägesbeskrivning av pelletskedjan 24) Täckningsbidrag vid uttag av skogsbränsle i unga bestånd 25) Miljöeffekter av biobränslen från spån till pellets 26) Handbok för kombinerade sol- och biovärmesystem 27) Underlag för utökad besiktning av sol- och biovärmesystem 28) Provningsmetod för sol- och biovärmesystem 29) Bioenergikombinat Falun ett systemperspektiv på kraftvärmeanläggningar 30) Konditionering av råvara före pelletering 15
Projekt SWX-Energi omfattar Värmlands, Dalarnas och Gävleborgs län. Projektägare: Region Gävleborg Delprojektansvariga: Högskolan Dalarna och Karlstads Universitet Projektbudget: 32 miljoner kronor Projekttid: 2008-2011 www.regiongavleborg.se/verksamhet/swxenergi Projektet delfinansieras av Europeiska Unionen. Finansiärer Offentliga EU, Norra Mellansverige Region Gävleborg Region Dalarna Högskolan Dalarna Karlstads Universitet Gävle Dala Energikontor Värmlands Energikontor Energimyndigheten Banverket Säffle kommun Gävle Energi Hofors Energi Borlänge Energi Fortum Värme AB Privata Neova Mellanskog Naturbränsle Bruks Klöckner 16