I: BRÄNSLEKVALITÉ UTIFRÅN ASKBILDANDE ELEMENT FÖRBRÄNNINGSTEKNIK OCH PRESTANDA HOS MEDELSTORA ROSTERPANNOR FÖR BIOBRÄNSLEN Detta är den första (I) bulletinen i en serie omfattande sex delar som alla handlar om bränslekvalitet utifrån askbildande ämnen. FÖRBRÄNNINGSTEKNIK OCH ENERGIOMVANDLINGSKONCEPT SEKTORN FÖR MEDELSTORA HETVATTENPANNOR Pannorna i segmentet med medelstora pannor för fjärrvärme och närvärmenät har olika särdrag och kan delas in i underklasser, t ex; i) 50 500 kw, ii) 500 3000 kw, och iii) 3000 10000 kw. De har alla kontinuerlig bränslematning, men brännare och systemdesign kan skilja sig åt liksom automatiseringsgrad, personalbehov och bränslesortiment. Ju större anläggning desto mer avancerade kan systemen vara. En stor panna är också mer förlåtande t ex rörande störningar i förhållandet mellan bränsle och luft som orsakas av ojämn bränsletillförsel. Som ett exempel kan nämnas att pannor >5 MW bränsle har stor eldstadsvolym jämfört med eldstadens väggar vilket gör flamman mindre känslig för nedkylning från kalla väggar. FÖRBRÄNNINGSTEKNIKER Förbränningsteknikerna som nyttjas i detta segment kan delas in i pannor med; i) rostereldning, ii) förbränning i fluidiserande bäddar och iii) pulvereldade system. Rostereldning är den vanligaste tekniken och kommer att diskuteras mer i denna bulletin efter en kort introduktion av även förbränning i fluidiserande bädd. Fluidiserande bäddar finns i stort sett endast i det största segmentet (>20 MW bränsle ) p g a höga investeringskostnader. De skiljer sig från de övriga teknikerna genom att den nyttjar en bubblande sand i vilken bränslet förbränns. Fluidbäddarna kan delas upp ytterligare i cirkulerande eller bubblande beroende på hur sanden rör sig i systemet. En cirkulerande fluidbädd har en högre lufthastighet genom bädden som för med sig sand, bränsle och askpartiklar med rökgasen. En cyklon används för att separera och re cirkulera bäddsanden från gaserna innan de når de värmeöverförande ytorna. Den stora sandmängden gör processtemperaturen mycket stabil. Fluidiseringen främjar också turbulens och ger bättre omblandning och därmed också utbränning av bränslepartiklar. Kontakten mellan het sand och bränslet medger också effektiv uppvärmning och antändning av bränslet. Användningen av pulvereldade biobränslepannor är fortfarande begränsad och kommer därför inte att behandlas ytterligare här. ROSTERELDADE PANNOR Rostret i denna typ av anläggningar kan vara antingen fast eller rörligt där rörelserna kan vara olika, t ex oscillerande (stavar), frammatande, vibrerande eller roterande. Det finns också en hybridvariant
som använder en rörlig bränsle/ask skrapa på en fast roster. Som tillägg till rostrens rörlighet kan de dessutom delas upp i kategorierna lutande eller plana. Bränslebäddens relativa riktning mot lufttillförseln kan också beaktas eftersom den kan vara antingen medströms, tvärströms eller motströms. Den vanligaste typen idag är en lutande, rörlig/oscillerande roster med tvärströms luftflöde, d v s bränslet rör sig från tillförsel till askutmatning medan luften kommer upp genom bränslebädden från rostrets botten. Motströmspannor är generellt bäst anpassade för våta bränslen då inkommande bränsle torkas av den heta rökgasen, medan medströmspannor främst används för torra bränslen. Ett oscillerande roster har stavar som är individuellt rörliga och transporterar bränslet mot askgropen. Bränslebädden antänds på två olika sätt beroende på de tidigare nämnda flödestyperna. I en motströmsbädd tänds bränslet från toppen medan en medströmsbädd tänds i botten nära rostret. De positiva aspekterna av rosterpannor är deras relativa enkelhet och robusthet som gör dem lämpade för ett brett spektrum av bränslen. Kontinuerlig drift underlättas av den enkla logistiken av bränsle som kommer in i början och aska som kommer ut på slutet av rostret. Ett rörligt roster medger också kontroll över uppehållstid och omblandning av bädden. Tekniker för pelletseldning kan inkluderas i konceptet med rostereldade system. De används främst i villaskala (<50 kw bränsle ) eller för större byggnader och industrier (upp till ett par hundra kilowatt). De kan antingen vara konstruerade med topp, under eller horisontell matning av bränslet där förbränningsluften kommer genom både primär och sekundärluftsinsläpp som är mer eller mindre åtskiljda. Dessa brännare är främst designade för homogena bränslekvaliteter, primärt stamvedspellets. LUFTTILLFÖRSEL Lufttillförseln till en typisk rosterpanna är uppdelad i primär, sekundär och i bland också tertiär luft. Primärluften är oftast fördelad genom hål i rostret i rosterstavarna eller via slits mellan stavarna. Störningar i form av kanalbildning kan orsaka s.k. hot spots när luft omfördelas genom att välja den väg som medger minsta tryckfallet genom bädden. Blockering av vissa lufthål för att öka flödesmotståndet i rostret gör att luften passerar bädden mer ostört, men erfarenheter har påvisat en baksida med denna åtgärd och det är att det uppstår lokala skador på rosterstavar som beror på den minskade kylningen som kommer av att luftflödet omdirigeras. Luften kan också tillföras ovanför bränslebädden vilket minskar risken för ett luftunderskott orsakat av nedsatt funktion i rostrets luftfördelning. Sekundärluften tillförs senare för att fullständigt förbränna brännbara gaser och partiklar. I samtliga fall ska temperaturen hållas hög, turbulensen god och syretillgången tillräcklig och uppehållstiden i den heta zonen ska vara lång. Vissa pannor har konstruerats på ett sätt som tydligt separerar primär och sekundär del, vilket möjliggör det som kallas stegad förbränning. Denna uppdelning i flera steg förbättrar panntypen ytterligare. BRÄNSLEOMVANDLING Termokemisk omvandling av biomassa involverar en lång rad kemiska och fysikaliska processer som sker parallellt överlappande. Processerna är ur många aspekter lika oavsett om det rör förbränning på en roster, i en fluidiserande bädd eller i ett pulvereldat system. Bränsleomvandlingen kan generellt beskrivas som olika steg från bränsle till bottenaska, aerosoler och gaser. För en enskild bränslepartikel kan dessa steg schematiskt delas in i torkning, pyrolys (förflyktigande), förgasning och förbränning av gaser och koks. I en riktig process med kontinuerlig bränsleinmatning sker dock dessa
subprocesser samtidigt i bränslebädden. I rostereldade system kan bränsleomvandling och aerosolbildning sammanfattas som följer: 1. När ett bränsle introduceras sker omvandlingen via torkning, pyrolys, förgasning och förbränning. Fraktioneringen som uppstår t ex längs ett roster resulterar i avgasning av vatten, komplexa organiska komponenter samt typiska förgasningsprodukter (CO, H2, CH4, etc). Kvar på rostret är en fast återstod som kallas koks som till största delen består av kol. En liknande fraktionering ses av de icke brännbara komponenterna, de så kallade askbildande ämnena. Designen av rostret, förbränningsrummet och lufttillförseln är centrala för förbränningsförloppet både för den organiska (brännbara) och oorganiska (askbildande) delen av bränslet. 2. Rökgaserna kyls därefter från temperaturer omkring 1000 C till ca 100 C i olika värmeöverförande delar (värmeväxlare). Det stora temperaturfallet leder till kondensering av organiska och oorganiska ångor som bildar mycket små rökgaspartiklar s k aerosoler. De primära partiklarna är submikrona, d v s under en mikrometer i storlek. Efterföljande fysikaliska och kemiska omvandlingar gör att partiklarna kan både växa till och fastna på ytor i pannan. Dessa beläggningar kan i många fall resultera i olika typer av driftsstörningar. 3. Efter att rökgasen passerat eventuell rökgasrening och släppts ut genom skorstenen kan ytterligare omvandlingar av partiklar och gaser ske. Påverkan av dessa förbränningsrelaterade utsläpp på både det globala klimatet och på folkhälsan är frågor som fått ökad uppmärksamhet på sistone. Hela processen från bränsletillförsel via förbränning till primära utsläpp, atmosfärisk omvandling och möjliga miljöproblem är en mycket dynamiskt och utmanande fråga. Aspekterna från att introducera nya biobränslen i olika anläggningar är i skenet av detta fortfarande ganska dåligt utredda. I figur 1 visas en schematisk illustration av de olika huvudstegen vid förbränning av en biomassapartikel. Den är en reviderad version av det original som presenterades i Boman 2005 (avhandling). Figuren avser att på ett enkelt sätt illustrera både de grundläggande stegen vid termisk omvandling av ett bränsle och också bildningen av olika biprodukter inkluderande askor, gaser och aerosoler (små partiklar). Figure 1. Schematic illustration of the different stages during combustion of a biomass fuel particle.
FÖRBRÄNNINGSEFFEKTIVITET ASKRELATERADE ASPEKTER OCH EMISSIONER Framgångsrikt nyttjande av biomassa för värme och elproduktion kräver hög systemverkningsgrad. Detta inkluderar aspekter såsom hög omvandlingsgrad av bränslet (lite oförbränt kvar) och effektiv värmeutvinning ur de heta rökgaserna. Detta är viktigt för pannägare för den ekonomiska vinningen, men är också i linje med EU direktiven (t ex 2009/28/EC) som manar till effektivt nyttjande av biomassaresurser för att maximera potentialen till CO 2 reduktion. Om nyttjandet av biomassa för energiproduktion ska ökas så behöver nya råvaror introduceras på marknaden. En del av de kritiska faktorerna att beakta i så fall är relaterade till nya/ökande askrelaterade driftsproblem och partikelemissioner. I texten som följer ges en översiktlig introduktion till dessa aspekter. Mer detaljerade beskrivningar hittas i bulletinerna II VI. ASKRELATERADE DRIFTSPROBLEM Förbränning av stamvedspellets orsakar överlag inga omfattande askrelaterade problem. Detta är främst på grund av mycket låga halter av askbildande ämnen (0,3 0,5 viktsprocent). Askans relativa sammansättning kan dock vålla problem eftersom koncentrationerna av alkalimetaller, svavel och klor är relativt höga. Om trädets yttre delar (bark, grenar, toppar, barr eller stubbar) används så ökar askhalten väsentligt och därmed också risken för driftsproblem. Detta behandlas mer i detalj i bulletinerna II VI. Nedan följer en översiktlig genomgång av ett antal typiska askrelaterade problem. Slaggbildning: Under vissa omständigheter bildar askan en smälta, helt eller delvis, som blir till ett hårt material vid nedkylning. Detta material orsakar stora problem för i första hand askutmatningssystemet som vanligtvis är designat för att ta hand om relativt lös aska. Dessutom kan dessa smältor ha korrosiv effekt på anläggningens konstruktionsmaterial (keramik eller metall). Denna typ av slaggbildning resulterar därför ofta i kostsamma oplanerade driftsstopp. Beläggningsbildning: Vid förbränning kan man översiktligt säga att askan fraktioneras i bottenaska och flygaska. Bottenaskan är den aska som återstår i utrymmen i direkt anslutning till eldstaden medan flygaskan är den fraktion som transporteras med rökgasen och därför återfinns som beläggningar på ytor senare i pannan och som partikulära emissioner. Flygaskan består av både grova partiklar (>1 µm) som består av medryckta fragment av bottenaska, men också av fina partiklar (<1 µm) som bildats genom kondensation av förflyktigade askkomponenter. Andelen fina partiklar ökar längs rökgaskanalen. De beläggningar som bildas av deponerad flygaska resulterar i en rad negativa konsekvenser. I första hand rör det sej om minskad effektivitet hos de värmeöverförande ytorna. Eftersom det är svårt att undvika att partiklar sveps med rökgaserna så har åtgärderna varit fokuserade på rengöring (sotning) av utsatta ytor. Olika metoder används beroende på beläggningens fysiska egenskaper som i sin tur beror på proportionerna mellan grov och fin aska samt dess kemiska sammansättning. Högtemperaturkorrosion: Beläggningar på kylda värmeöverförande delar i en panna består av en blandning av deponerade partiklar och kondenserade ångor av askbildande element. Den kemiska sammansättningen är avgörande för om den underliggande metallytan ska kunna bilda ett skyddande oxidskikt som hindrar vidare korrosion. Beläggningarnas sammansättning beror primärt på bränslets sammansättning, men också på hur pannan är konstruerad. Består beläggningen mestadels av sulfater är den som regel oproblematisk ur korrosionshänseende. Vid användande av biobränslen är dock
andelen av alkaliklorider i beläggningarna hög vilka är kända för att orsaka snabbt accelererande korrosion, speciellt på varma stålytor. Dessutom verkar kloriderna ofta smältpunktssänkande vilket gör att även om temperaturen på ytorna är betydligt lägre än i förbränningsrummet så kan beläggningen vara helt eller delvis smält. Detta orsakar dels snabbväxande problematiska beläggningar och dels ökar risken för svåra korrosionsproblem ytterligare. EMISSIONER Gaser: Förbränning är en exoterm process där brännbart material (kol, väte) oxideras till koldioxid och vatten. Också ämnen som kväve och svavel oxideras till huvudsakligen NO/NO 2 respektive SO 2. Emissioner relaterar till det som lämnar skorstenen och innehåller både gaser och partiklar. Vid fullständig förbränning skulle gasen principiellt enbart innehålla CO 2, H 2 O, NO x och SO x. Dessa ideala förhållanden nås dock inte och gasen innehåller därför också varierande mängder med organiska ämnen såsom flyktiga kolväten (VOC), polycykliska aromatiska kolväten (PAH), CO och sot. Eftersom det pannsegment vi behandlar har kontinuerlig bränsleinmatning så kan halterna av oförbrända komponenter hållas förhållandevis låga. Oorganiska ämnen (askbildare) kan dock inte förbrännas på samma sätt som de organiska och måste därför minimeras med andra metoder. Partiklar: Trots att en stor andel av flygaskan kondenserar längs rökgaskanalen så transporteras en signifikant del ut i atmosfären via skorstenen om inte effektiv rökgasrening finns installerad. Ett antal tekniska lösningar baserade på olika principer finns att tillgå, men ofta till ett pris som är alltför högt för detta segment av pannor. Rökgasreningens kostnader uppgår ofta till 25 50% av en modern anläggnings totala investeringskostnad. Och även om avancerad rökgasrening används så sker utsläpp av partiklar. Speciellt de riktigt små (submikrona) är svåra att rena bort fullständigt. Är förbränningsförhållandena goda så består dessa små partiklar nästan enbart av alkalisalter och mycket låga halter organiska partiklar och sot. Miljö och hälsoeffekter av dessa partiklar är långt ifrån kartlagda och undersöks i pågående forskning. FÖRFATTARE Dan Boström Christoffer Boman Jonathan Fagerström Markus Broström Rainer Backman Umeå Universitet Energiteknik och Termisk Processkemi (ETPC) Institutionen för tillämpad fysik och elektronik fornamn.efternamn@chem.umu.se 9.11.2011 Europeiska unionen Europeiska regionala utvecklingsfonden Gränsöverskridande samarbete över fjäll och hav