STIFTELSEN FÖR VÄRMETEKNISK FORSKNING

STIFTELSEN FÖR VÄRMETEKNISK FORSKNING IBTWMTWj» * HK M%M!JI B

f I : SVF 45 5 DE93 784867 Svavelabsorbtion vid sameldning av svavelinnehållande bränslen och biobränslen - optimeringsförsök Anders Nordin, Umeå Universitet STIFTELSEN FÖR VÄRMETEKNISK FORSKNING BOX 6405 113 82 STOCKHOLM TEL 08/34 09 80 December 1992 ISSN 0282-3772 MASTER mmmm > m maui

\ SLUTRAPPORT 1992-11-10 STIFTELSEN FOR VÄRMETEKNISK FORSKNING Svavelabsorbtion vid sameldning av svavelinnehållande bränslen och biobränslen - optimeringsförsök Anders Nordin Sulphur capture by co-firing sulphur containing fuels with biomass fuels - optimization Axbetet har initierats och utförts vid Umeå Universitet, i samarbete med ÅF-Energikonsult AB, på uppdrag av Stiftelsen för Värmeteknisk X Forskning. Uppdragsbeteckningen var B1-046. 5

INNEHÅLL SAMMANFATTNING, ABSTRACT 4 SAMMANDRAG AV RAPPORTEN 7 1 BAKGRUND 9 2 MÅLSÄTTNING 10 3 EXPERIMENTELLA FÖRUTSÄTTNINGAR 11 3.1 Försöksreaktor 11 32 Bränslen 14 3J Analyser och försöksuppställning 16 4 FÖRSÖKSPLAN OCH UTFÖRANDE 17 4.1 Parameterstudier (screeningförsök) 19 42 Optimeringsförsök (responsytemodell) 21 43 Verifierande långtidsförsök 24 4.4 Jämförande försök met* kol och biobränsle (lucern) 25 5 RESULTAT 26 5.1 Resultat från screeningsförsök - SO 2 26 52 Resultat från screeningsförsök - övriga emissioner 28 53 Resultat från optimeringsförsök - SO 2 29 5.4 Resultat från optimeringsförsök - övriga emissioner 37 5.5 Resultat från svavelbalanser, askanalyser och mätningar av beläggningsgrad 41 5.6 Resultat från jämförande försök med kol och biobränsle (lucern) 43 6 DISKUSSION 44 7 SLUTSATSER *M. I 'i

I 3 REFERENSER 52 BILAGA A Resultat från bränsle och askanalyserna 54 BILAGA B Analyser och instrument 59 j BILAGA C Resultat; tabeller och figurer 60

SAMMANFATTNING Resultat från tidigare arbeten har visat att en betydande del av svavelinnehållet i ett bränsle, vid sameldning med biobränslen, kan bindas upp till den alkaliska askan genom bildning av harmlösa sulfat, främst CaSO 4, K 2 SO 4 och NajSO^ De kemiska och fysikaliska processerna som styr dessa förlopp är komplexa och för att snabbt och enkelt nå maximal uppbindning kan statistiskt designade optimeringsförsök utföras. Målsättningen med detta projekt har varit att; i) undersöka vilken maximal svavelavskiljning som kan erhållas vid sameldning av svavelrika bränslen med biobränslen i en bubblande fluidbädd i liten pilotskala (5 kw); ii) klarlägga vilka driftsförhållanden som ger maximal uppbindning; iii) visa på betydelsen och tillämpbarheten av experimentell design och multivariat utvärdering vid optimeringsstudier av förbränningsprocesser; iv) undersöka om graden av slaggning, fouling och sintring kan kopplas till graden av svavelavskiljning; samt v) ge svar på om en etapp 2 är önskvärd. Några av de viktigaste resultaten är: - Genom att samelda torv och ett biobränsle (träbränsle) kunde en total svavelretention på 70 % erhållas. Motsvarande förbränning av en kol/gräs-blandning resulterade i en uppbindning av 90 % av blandningens svavelinnehåll. - Bränsleinmatningshastighet (last), totalt luftflöde och andel primärluft hade störst inverkan på uppbindningen. "Optimal" uppbindning uppmättes vid en effekt på 3.6 kw br totalt luftflöde på 160 l/min och med 75% av luften som pnmärluft. Resultaten tyder på att bäddtemperatur och syrehalt har störst betydelse för uppbindningen och detta stämmer väl med vad som kemiskt kunde förväntas. Även NO-emissionerna minskade något vid optimeringen av svaveluppbindningen, trots att huvuddelen av förbränningsluften passerade genom bädden. CO-emissionerna var under alla försök något högre (medel på 130 mg/mj) än vad som skulle vara fallet i en verklig anläggning. Detta p g a "småskaligheten" och en något ojämn bränsleirunatning. Svavelemissionerna kunde dock minimeras utan att CO-emissionerna ökade. k

5 - Resultaten från preliminära mätningar för fastställande av beläggningsgraden visade på ungefär samma mängd beläggning vid optimal svavelbindning som vid "normal" förbränning. En betydande del av sulfaten återfanns i en finkornig, "kladdfri" flygaska i cyklon och stoft. - Vid provbränning av energigräset lucern sintrade bädden ett flertal gånger vid en låg temperatur (~880oQ. I kombination med kol, där S och Cl binder upp K, verkar gräset emellertid gå att elda utan sintringsproblem. ABSTRACT Previous results concerning co-firing of high sulphur fuels with biomass fuels have shown that a significant part of the sulphur can be absorbed in the ash by formation of harmless sulphates. The processes are however extremely complex and to optimize the SO 2 reduction, experiments may be performed according to statistical experimental designs. The aim of this work has been to i) determine the maximum reduction that can be obtained in a bench scaled fluidized bed (5 kw); ii) determine which operating conditions will give maximum reduction; iii) point out the importance and applicability of experimental designs and multivariate methods when optimizing combustion processes; iv) determine if the degree of sulphur capture can be correlated to the degree of slagging, fouling or bed sintering; and v) determine if further studies are desired. The following are some of the more important results obtained: - By co-firing peat with biomass, a total sulphur retention of 70 % can be obtained. By co-firing coal with energy-grass, the total SO 2 emissions can be reduced by 90%. - Fuel feeding rate, amount of combustion air and the primary air ratio were the most important operating parameters for the reduction. "Minimum" of SO 2 ' emissions was obtained with 3.6 kw fuel, 1601/min and with 75 % as primary air. Bed temperature and oxygen level seem to be the crucial physical parameters. I

- The NO emissions also decreased by the sulphur reducing measures, although the fraction of primary air was increased. The CO emissions were relatively high (130 mg/mj) compared to large scaled facilities due to the small reactor and the small fluctuations in the fuel feeding rate. The SO 2 emissions could however be reduced without any increase in CXD emissions. - Some preliminary measurements of the slagging tendency showed no increased slagging during optimum sulphur capture. A significant fraction of the sulphates were found in a fine, "non sticky" cyclone ash and in the dust. - When the reactor was fired with a grass, the bed sintered at a low temperature (< 88O0C). However, when co-firing the grass with coal, where K 2 SO 4 and KG are formed no sintering problems were observed. Keywords: Fluidised bed combustion, optimization, peat, biomass, SO 2 -emissions.

SAMMANDRAG AV RAPPORTEN Biobränslen innehåller relativt stora mängder kalcium och kalium, ämnen som liksom konventionella fasta absorbenter kan utnyttjas för att minska svavelemissionerna direkt i eldstaden. Vid en jämförelse mellan olika tänkbara biobränslen och en "medeltorv" (se Fig 4) framgår att genom att samelda de flesta biobränslena (SO/SO vikt) med torv skulle en teoretisk avsvavling på 100% kunna uppnås. För kol, där genomsnittliga svavelinnehållet är högre, skulle det krävas högre inblandning av träbränslen eller ett biobränsle med mer kalcium eller kalium för motsvarande effekt. Inga utförliga försök har tidigare utförts för att optimera och studera denna effekt och målsättningen med denna undersökning var därför att m h a en bubblande fluidbädd (5 kw): 1) fastställa hur effektiv svavelavskiljning som maximalt kan erhållas vid optimala förhållanden, 2) fastställa vilka driftsförhållanden som ger maximal svavelavskiljning. Ambitionen var också att, så långt det var möjligt, studera kopplingen mellan grad av svavelavskiljning och kemiska och fysikaliska parametrar, såsom temperatur, uppehållstider och syrebalter, 3) visa på betydelsen av försöksplanering vid optimering av förbränningsprocesser, 4) undersöka om graden av sintring och slaggning kan kopplas till ökad svaveluppbindning. 5) ge svar på om en eventuell etapp 2 är önskvärd. Resultaten visade att 70% av ett torvbränsles svavel kunde bindas till askan vid sameldning med ett träbränsle (50% torv och 50 % trä). Vid sameldning av kol (50%) och ett energigräs (lucern, 50%) kunde 90 % av svavlet bindas upp. Detta motsvarar,

B respektive överskrider, de avskiljningsgrader som kan uppnås med konventionella absorbenter. Även NO- och CO-emissionen minskade något, vid de för svavelbindningen optimala förhållandena, relativt "normal" drift. Låg bäddtemperatur (ca 775OC) och så hög syrehalt som möjligt ger uppbindning av svavel. Ingen ökad slaggbildning, vid ökad uppbindning av svavel, kunde konstateras utifrån preliminära mätningar av slaggningsbenägenheten. Vid förbränning av enbart energigräs sintrade bädden vid upprepade tillfällen, medan sameldning med kol verkar kunna förhindra detta Inför ett eventuellt framtida långtidsutnyttjande av kaliumrika biobränslen bör dock utförliga sintrings- och slaggningsstudier utföras för att, om möjligt genom blandningsteknik, val av förbränningsmetod och driftsbetingelser minimera problem i eldstad och konvektionsdel. Ett ökat biomassauttag kan också resultera i andra negativa effekter, som t ex utarmning av växtnäring om ej askan kan återföras, och även dessa effekter bör studeras utförligt. Oavsett begränsningar och möjliga negativa effekter bör alla etfekter av sameldning studeras utförligare för att det biobränsle som produceras skall kunna utnyttjas på ett så effektivt sätt som möjligt. Resultaten som erhållits vid dessa optimeringsförsök är kvantitativt reaktorspecifika och möjliga påverkande parametrar och nivåerna av dessa kan variera från anläggning till anläggning. Resultaten är emellertid attmängstiga vad gäller huvudsambanden, möjligheter titt svavelreducering och framför attt undersöknmgmetodik. Avslutningsvis förefaller sameldning att va^a ett intressant sätt att minska oönskade emissioner och fortsatta försök i stor skala är önskvärt.

1 BAKGRUND Det är sedan länge känt att en tillsats av kalcium, i form av t ex kalk, till eldstaden kan binda ett bränsles svavel så att det kan avskiljas i fast form. I tidigare projekt vid avdelningen för oorganisk kemi, Umeå Universitet 1, rörande sameldning av olika biobränslen och svavelinnehållande bränslen har positiva resultat erhållits. Här framgår att biobränslen innehåller relativt stora mängder lättillgängligt Ca och K som effektivt skulle kunna binda upp svavel. Arbetet var i första hand begränsat till grundläggande stabilitetsstudier och laboratorieförsök. Inaskningsförsök med olika torv- och biobränsleblandningar har nyligen utförts och resulterat i uppbindningsgrader på mellan 40% och 95%" av bränslets svavel. I ett storskaligt sameldningsförsök (50% torv, 50% timotej) i en rosterpanna (7 MW) i Åsele erhölls vidare en uppbindningsgrad på ca 45% 4. Även vid försök i två cirkulerande fluidbäddar (CFB) på 7 MW 2 och 25 MW 5 samt en bubblande fluidbädd på 25 MW 5 har resultaten ovan kunnat bekräftats i praktiken. I den mindre CFB:n erhölls ca 40 % ökning av svavelbindningen vid övergång från torv- till mixeldning (torv/timotej). Ett antal andra storskaliga försök har också visat på liknande resultat: -1 ett värmeforskprojekt, 1985 6 fann Malin och Åström att andelen av det tillförda svavlet som emitteras från den undersökta spreader-stoker-pannan (kol/träbränsle) minskar med ökande träbränsleandel. - Vid ett Värmeforskprojekt utfört vid Kopparfors kartongfabrik, där kol sameldades med bark och flis i en CFB 7-8 erhölls en markant sänkning av totala svavelemissionerna när bark eller flis tillsattes. En varierande del av svavlet (45-70%) bands upp till askan vid stabil drift Extremt låga SO 2 halter och tillhörande höga svavelinnehåll i flygaskan förekom vid vissa driftsfall, vilket skulle kunna indikera på möjligheter till svaveluppbindning vid optimala förhållanden. I STEV:s utredning om hur miljökraven kan tillgodoses vid torvförbränning, 1985 9, hänvisas också till positiva resultat vid sameldning av kol ocn trädbränslen. Här framgår också att mätningar vid Ålidhemsverket (Umeå), på en rosterpanna med 10% trädbränsleinblandning i torv, visade på högre grad av svavelbindning

10 än från övriga rosteldade pannor utan trädbränsleinblandning. Alla dessa arbeten har dock varit begränsade till korta, orienterande försöksserier eller enkla laboratorieförsök. Inga egentliga optimeringsförsök har heller kunnat återfinnas i litteraturen, varken i lab-, pilot- eller stor-skala. Det var därför angeläget med sådana försök för att belysa, klarlägga och framför allt optimera uppbindningseffekten. Föreliggande rapport redovisar resultaten från optimeringsförsök med sameldning av två svavelinnehållande bränslen (torv, kol) och biobränslen (skogsbränsle och energigräs) i en bubblande fluidiserad bädd i liten pilotskala (5 kw). 2 MÅLSÄTTNING Då förbränningsprocesserna är mycket komplexa och det oftast är svårt att nå kontrollerade försöksbetingelser vid praktiska studier är utveckling/utnyttjande av experimentell och teoretisk metodik av stor vikt. Val av försöksplanering och utnyttjande av avancerade statistiska utvärderingsmetoder får därför stor betydelse. Målsättningen i denna undersökning har varit att: 1) fastställa hur effektiv svavelavskiljning som maximalt kan erhållas vid optimala förhållanden, 2) fastställa vilka driftsförhållanden som ger maximal svavelavskiljning. Ambitionen var också att, så långt det var möjligt, studera kopplingen mellan grad av svavelavskiljning och kemiska och fysikaliska parametrar, såsom temperaturer, uppehållstider och syrehalter, 3) visa på betydelsen och tillämpbarheten av experimentell design vid analys och optimering av förbränningsprocesser, 4) undersöka om graden av sintring och slaggning kan kopplas till ökad svaveluppbindning. 5) ge svar på om en eventuell etapp 2 är önskvärd.

11 3 EXPERIMENTELLA FÖRUTSÄTTNINGAR 3.1 Försöksreaktor Försöken har utförts i en försöksreaktor av typ bubblande fluidiserad bädd (Figur 1, 2), i liten pilotskala (5 kw). Reaktorn har, i första hand, tagits fram för miljörelaterade studier av förbränning av inhemska bränslen; bl a bildning och nedbrytning av dioxin. I och med de komplexa förlopp som studeras, har den konstruerats med stor noggrannhet och den största vikten har lagts vid kontrollmöjligheter och flexibilitet 10. En förutsättning för entydiga, korrekta och allmängiltiga resultat vid optimeringsförsök är alt; i) alla parametrar är fullständigt kontrollerbara; ii) parametrarna ej är kopplade till varandra (param. kan varieras oberoende av varandra) och iii) att reaktorn så bra som möjligt simulerar de förhållanden som råder i verkliga fullskaleanläggningar. En sammanställning av reaktorns data återfinns i Tabell I. För att erhålla likvärdiga och tillfredsställande fluidiseringsförhållanden sållades bäddmaterialet innan försöken till kornstorlekar på mellan 125 och 250

Figure 1 Försöksreaktor Combustion reactor. 1)Skruvmatning; 2)Propån; 3)Primärluft; 4)Inspektionsglas; 5)Fallrör; 6,8)Väggvärmare; 7)4 st termoelement; 9)Provsond; 10)Cyclon; 11-15)Termoelement och provtagningssonder Figure 2 Schema över»tyr-, regler-, och mätutrustning Scematic drawing of controll and measurement equipment

\ Tabell I Data pä försöksreaktorn. Data of the combustion reactor. 13 Bädd-diameter Area,biddjta Bäddböjd Bäddmaterial 10 cm 79 cm 2 6-13 an 450 cm 1 (»70 g) tvättad sjösaad (99% SiO,), 125-250 fan «70-«90ac Min Bud hastighet, o^ Bäddhöjd rid u., Bäduexpansioa (max) Uppehållstid i bädd Eitra vaiuic, baddvagg Bränsleinmatning Primärlnft Sekandärioft Propanflode (oppvärmn) Tvärsnittsarea fribord Hodeshastighet i frib Ttinpcrstarcr i fridord Reaktorböjd Extra värmt, fribord mod 1 5 cm/s (Tid 750OC) 5.7 cm 100% 0.1-O2S 0-100 W Smten bchåuare med skmrmafning och fallrör ovan den exp bädden. Kalibrerad med tio hastigheter per bränsle, (r > 0.999) 0-120 öw/min, 0-650OC 0-100 dw/min, 0-650OC 0-&5 dm 3 /min 310 cm 1 ca 0J3 m/s 900-500OC I* m (2 modolcnlj m) 0-1400 W Uppehållstid i reaktor

14 3.2 Bränslen Avsikten var att studera och optimera uppbindningen av svavel till askan vid sameldning av blandningar av ett svavelinnehållande bränsle (torv och kol) och ett biobränsle (bark, hyggesavfall och möjligen en energigröda). Av Figur 3 framgår att totala mängden Ca, K och Na i torv skulle vara tillräckligt för att teoretiskt binda upp allt svavel. Huvuddelen av dessa metaller förekommer emellertid hårt bundna som t ex silikater 11 121314 och kommer därmed ej att vara tillgängliga för svavlet. Genom att samelda biobränslen, där metallerna förekommer i mer tillgängliga former, med torv skulle en effektivare avsvavling kunna uppnås. Undantaget är ren kärnved som inte ger upphov till så stor mängd aska. Kol kräver mer "alkali" eller högre andel biobränsle för motsvarande svavelretention. För att täcka in variationen i de olika skogsbränslena var ambitionen att torv och kol, var för sig, skulle pelleteras tillsammans med "yu eru gh ets bränslena" ^T skogsbränslen) bark och kärnved (se Figur 3). 300 400 600 8 ' ' 200 300 400 900 600 Figur 3 Jämförelse av teoretiska svavelabsorbtionsfömfgan för några olika biobränslen. Different biomasses and their theoretical capability to reduce sylphur emissions

15 De olika bränslena maldes, blandades och homogeniserades före pelletering men tyvärr krävdes extremt mycket bränsle för att helt "köra ren" pelleteringsanläggningen. För att, med större säkerhet, erhålla ett helt homogent bränsle blandades därför torvblandningarna ihop till en större mängd torv/skogsbränsle-blandning (Torv/Bio). Denna blandning består av 55% torv, 9% bark, 15% tjämvedsflis och 21% spån, dvs ca hälften torv och hälften skogsbränsle. Biobränsleblandningen (Bio), jämförd med andra biobränslen, representerar ett genomsnittligt skogsbränsle eller hyggesavfall. De kolblandningar som förberetts kunde inte pelleteras då det blev för varmt och pelleteringsanläggningen började brinna upprepade gånger. Detta trots flera försök med befuktning av blandningarna. I stället maldes ett nytt kol ned i mindre bitar varefter en bestämd fraktion (0.5-1.5cm) sållades ut för sameldning med lucernpellets. Den energigröda som ger högst avkastning och lägst produktionskostnad är rörflen, men tyvärr fanns inget rörflen att tillgå under förra året. Därför valdes i stället lucern, som har en kemisk sammansättning som är snarlik rörflen. Alla bränslen sållades före varje prov så att andelen finfraktion (efter inmatningsskruven) var lägre än 2 %. Pelletsen hade då en diameter på sex millimeter och längd mellan tre och tio millimeter. De olika bränslenas elementarsammansättning i vikts-% anges i Bilaga A. Respektive molära sammansättning (för de viktigaste elementen) har beräknats till följande (per 1000 kg bränsle): Torv: Qo ^QHS, ^C^ geon, 83oS 86 Cl 10 Si59,Al 119 Fe 18 3Mg 25 Ca 15 ok 9 jna 8 9P 21 Kol: C 59 84^53 410O 7 Spån: C4o wfla 920^28 Kärnvedsflis: C w ^ ^ 510O 27 «0 N <66 S w a 5. 3 Si M Al 0. 3 Fe a2 Mg Bark: C392ioH 6 2520^27 720N192S5.6CI5 isi 4 2Al 14 Fe3 8 Mg 4 Ca 14 ik 29 Na 3i P 68

16 Lucern: C35 Biobränslebl(BIO): C 39 g ^ SS0O^ 56o N 9i S 2.8 C1 4.o Si 9.8 AI 3.iFe 1. 1 Mg 39 Ca 32^^Nao^j 7 Torv/bio: C^30^l am O 2S3a^1160 S 42 Cl T6 Si3 18 Al 64 Fe 93 Mg 18 Ca, 07 K 15 Na 7i Pi 2 Kol/Lucern: C 47 ^ ^ ^O^ 520N, 45oS Vid förbränning av de olika bränslena skulle emissionerna av SO 2, i värsta fall (ingen uppbindning alls), bli: iorv: Kol: Torv/bio: Kol/lucern 150 mgs/mj 279 - " - 78 - " - 212 - " - 3.3 Analyser och försöksuppställning De gaser som analyserades var O 2, CO 2, CO, SO 2 och NO och använd? instrument samt uppkoppling av dessa framgår av Bilaga B. Gasutsugningen skedde omedelbart efter första kylsteget. Alla instrument kalibrerades före och efter varje prov och för temperaturmätningar användes termoelement av typ S. Två preliminära syrehaltsanalyser utfördes också i bädden med en syre-sond av typ fast elektrolyt (stabiliserad zirkoniumdioxidcell). Emissionshalter anges i rapporten genomgående i både ppm (torr gas) och (nig/mj) för att underlätta jämförelser. Genom att jämföra emissionerna i mgs/mj med beräknade maximala emissioner från respektive bränsle (se ovan) undviks problem med beaktande av olika svavelhalter och utspädningseffekter mm. Analys av bränslenas torrhalt, värmevärde och askhalt, samt innehållet av kol, väte, svavel, huvudoch spårelement i bränslen och askor har utförts av SLL, Umeå och SGAB, Luleå. Analyser av fasta faser från flyg- och bottenaska samt bäddmaterial har utförts med hjälp av pulverröntgenmetodik (fasanalys) och ICP (elementaranalys). Fasanalyser har utförts vid Oorganisk Kemi i både i Umeå (UmU) och i Göteborg (CTH). r

17 4. FÖRSÖKSPLAN OCH UTFÖRANDE Här följer en beskrivning av använd försöksplan. Läsare som ej har ambitionen att sätta sig in i dessa detaljer hänvisas förbi detta kapitel (till 4.3). En noggrann optimeringsstudie över sameldning av torv och biobränsleblandningen (TORV/BIO) genomfördes först. Resultaten från dessa utförliga försök jämfördes sedan med kortare försöksserier med en blandning av kol och lucern (4.4 och 5.6). Avsikten med arbetet var att optimera svaveluppbindningen med avseende på driftsparametrarna, samt att visa på betydelsen och tillämpbarheten av experimentell design vid optimeringsstudier. De kontrollerbara, och ofta reaktorspecifika, driftsparametrarna påverkar ej responsema (t ex SO 2 -retentionen) direkt, utan via fysikaliska och kemiska parametrar såsom temperaturfördelning, strömningsförhållanden, omblandning, uppehållstider, syrehalter osv (Figur 4). Även om sambanden (3) är av generellt intresse så är det i praktiken alltid samband enligt (2) som kan optimeras direkt. De senare parametrarna kan inte lätt varieras oberoende av varandra, vilket är ett krav vid optimeringsstudier. För att, inom en rimlig tidsperiod, kunna slutföra planerade variationer av fysikaliska och kemiska parametrar krävs dessutom att sambanden med driftsparametrarna redan tidigare är kända. Därför har i första hand operatörsparametrarnas effekt på utbytet studerats här. Figur 4 Sanband»ellan operatörsparametrar, fysikaliska/kemiska parametrar och de olika responsema. Examples of relations between different parameters and responses.

18 Viss information om inverkan av alla parametrar kan ibland erhållas genom multivariat utvärdering av resultaten från driftsparameterstudien om samverkanseffekter ej är för dominerande. Det vanligaste sättet att gå till väga när emissioner skall minimeras är att studera och ändra en variabel i taget, dvs den s k "E\ IT-metoden tillämpas. Det är en ineffektiv metod som sällan leder till bästa möjliga resultat och ett sätt att illustrera detta är att studera en tredimensionell bild av en responsyta för en process (Figur 5). När en faktor ändras medan den andra hålles konstant, nås enbart den lägsta punkten efter snittet och slutligen har endast ett skenbart minimum erhållits. Processoptimering bör i stället utföras utgående ifrån en statistisk design. Detta innebär att alla parametrar ändras samtidigt enligt ett matematiskt väldefinierat protokoll som därigenom snabbare leder fram till processens verkliga optimum. DESIGNADE FÖRSÖK Figur 5 Med "Bvit M -*etoden återfinnes ofta ett skenbart miniaub, sedan det riktiga aldrig nås. Figure 5 Using the "COST 11 (Changing One Separate factor at a Tiae) approach often leads to a false optiaua. För att erhålla information om en parameters eventuella effekt på ett utbyte bör minst två försök utföras. Skall dessutom ickelinjära samband tas fram krävs ytterligare försök och om fler parametrar kan påverka utbytet så stiger antalet nödvändiga försök drastiskt. Det krävs därmed, i allmänhet, 2 försök för att utvärdera en process med n parametrar.

Vår studerade sameldningsprocess kan påverkas av totalt sju kontrollerbara parametrar, nämligen bränileinmatningshastighet (effekt, last), totalt luftflöde, luftförhållandet (Prim/Tot), förvärmning av primär- och sekundärluft samt stödvärme i väggen rrjl bädden respektive nedre delen av fribordet. För att bestämma effekten av dessa sju parametrar skulle det därmed krävas minst 128 (2 7 ) försök. Vid studier av processer som påverkas av ett flertal parametrar är det därmed önskvärt att kunna erhålla maximal information med hjälp av minsta möjliga antal försök. Ett effektivt tillvägagångssätt är då att först utföra sk screeningsförsök. 19 4.1 Screeningförsök Syftet med dessa screeningsförsök är att identifiera de parametrar som dominerar processen, här framför allt svavelbindningen. En reducerad faktoriell design i likhet med Figur 6 utfördes därför för de sju parametrarna enligt Tabell II. De höga (+) och låga (-) nivåerna valdes till ca 20% upp respektive ned från de praktiskt möjliga gränserna för att så väl som möjligt täcka in den experimentella domänen. De praktiskt möjliga variationerna av varje parameter bestämdes först efter ett antal inledande försöksserier, omfattande ca tio timmars effektiv drift. För att kunna upptäcka även krökta samband mellan de båda ytterlighetspunkterna utfördes dessutom tre replikat i designens mittpunkt (0). Dessa replikat gav också ett mått på den naturliga spridningen. Genom att försöken utfördes i slumpmässig ordning minimerades också inverkan av systematiska fel. Den slutgiltiga försöksplanen, för screeningsförsöken, framgår av Tabell III. De inledande försöksserierna visade på en relativt kort responstid mellan förändring av drift och stabila förhållanden vad gäller gassammansättning och temperaturfördelningar (se Figurer sist i Bilaga C). Tiden för varje försök fastställdes därför till 20 minuter, med 20 minuters inställningstid mellan varje försök.

20 1 _..- I 1" Figur 6 Exempel på reducerad faktorieli design för tre parametrar. Reduced factorial design for three parameters. Tabell II Undersökta parametrar och nivåer vid screeningförsöken Factors and levels for the screening study Pwtter rarfcortninq Enhet Brfesleinm.hKt. LOAD rpm (kw) 50 (5.5) Lufttillförsel AIRFLOW (W/min 170 LuftförhaUande AIRRATIO X (prin/tot) 65 1 Förv. prifi.luft PRE HEAT 1 <Z 500 förv. sek.luft PREHEAT2 0C 500 Viggvinw bidd EXTHEAT1 U (X) 80 (80) Viflflvinw fribord EXTHEAT2 U (X) 1200 (80) 42.5 (4.9) 155 53.1 300 300 50 (50) 750 (50) 35 (4.3) 140 41.1 100 100 20 (20) 300 (20)

21 Tabell III Försöksplan - Screening Experimental design - Screening Exp LQM> T» AltFLOU <fc3s»tn AIIMTIO PKKAT1 DEGC PKMEAT2 OEGC EXTKATI X EXTHEAT2 X 12 8 4 3 117 7 11 14 13 15 10 2 18 16 9 65 19 50 50 50 35 35 42.5 35 35 50 35 35 50 50 42.5 50 35 50 35 42.5 190 190 190 190 140 165 190 190 140 140 190 140 140 165 190 140 140 14C 165 41. 1 500 65. 1 100 41. 1 100 41. 1 100 41. 1 100 53. 1 300 65. 1 100 41. 1 500 65. 1 500 65. 1 500 65. 1 500 41. 1 500 41. 1 100 53. 1 300 65. 1 500 41. 1 500 65. 1 100 65. t 100 53. 1 300 100 500 100 500 100 300 100 500 100 500 100 500 500 300 500 100 100 500 300 80 20 20 80 20 50 80 20 20 80 20 20 80 50 80 80 80 20 SO 20 20 80 20 20 50 80 80 80 20 20 20 80 50 80 80 20 80 50 42 Optimeringsförsök (responsytemodell) Resultaten från screeningsförsöken (SCR) visade att det är inmatningshastighet, luftflöde och luftförhållandet som har störst inverkan på uppbindningen av svavel. Den egentliga optimeringsstudien kunde därför begränsas till dessa tre parametrar. En ny design, den här gången för att ta fram en responsytemodell (RSM) kring optimat, lades därefter ut på "lagom" avstånd (se Figur 7) i riktningen mot ökad svaveluppbindning. För att nu bättre kunna fastställa ickelinjära samband användes en "central composite design" enligt Figur 8. Varje parameter undersöks vid dessa försök på fem nivåer (+ +, +, 0, -, --), vilket ger bättre förutsättningar för anpassning av icke linjära modeller (krökta responsytor).

22 Figur 7 Responsyta från screening-undersökningen sed centnmpunkteraa för de båda designerna SCR och RSM. Responce surface fro» the screening with the centra» of the two designs SCR and RSM.»i >*=: i i ^t -!, Figur 8 Central composite design för tre parametrar. Central co^osite design for three paraaeters. I tabell IV och V framgår nivåerna på de tre parametrarna samt slutgiltig försöksplan.

Tabell IV Undersökta parametrar och nivåer vid optimeringsförsöken. Factors and levels for the optimization study. 23 Bränsle Luft Luftförh Ffirtortnma LOAD AIRFLOW AIMATIO Enhet rpb (ku) *%in X pri*/tot -- 22.3866 114.773 44.92-27.5 125 53.1 0 35 140 65.1 * 42.5 155 77.1 47.6134 165.227 85.28 Eftersom övriga parametrar ej påverkar uppbindningen av svavel så ställdes dessa i stället in för att erhålla mindre CO enligt de för CO utvärderade resultaten från screeningsförsöken. Tabell V Försöksplan - RSM. Experimental design - RSM ÖP LOAD n» AIRFLOW <fc>/mn AIRRATIO X 10 3 2 4 5 15 9 12 11 13 1 6 16 8 7 14 17 47.6134 27.5 42.5 42.5 27.5 35 22.3866 35 35 35 27.5 42.5 35 42.5 27.5 35 35 140 155 125 155 125 140 140 165.227 114.773 140 125 125 140 155 155 140 140 65.1 53.1 53.1 53.1 77.1 65.1 65.1 65.1 65.1 44.9185 53.1 77.1 65.1 77.1 77.1 85.2815 65.1

24 43 Verifierande långtidsforsok Utifrån resultaten från optimeringsstudien utfördes avslutningsvis verifierande långtidsförsök (3 h) vid de framtagna optimala förhållandena. Dessutom utfördes motsvarande försök för jämförelse vid "normala" förhållanden och vid ytterligare en inställning i utkanten av den undersökta domänen (ref)- Vid den "normala" inställningen eftersträvades en syrehalt på 5 % och 60 % primärluft för att så verklighetsnära förhållanden som möjligt skulle efterliknas. En syrehalt på drygt 6 % fick dock användas för att ej producera orimligt höga halter CO. Effekten valdes till samma som medelförsöken i screeningsstudien, d v s 5 kw. Sameldning av olika bränslen skulle kunna resultera i nya typer av problem, såsom sintring av bädden och ökad grad av beläggningar i konvektionsdelen. Ett flertal undersökningar, bl a i Finland av M. Hupa 151617 har berört problem med ökad beläggningsgrad i industriella pannor (dock ej FBC) vid sameldning, på grund av den ökade sulfatbildningen. Även nyttjandet av kalksten som absorbent har visat sig ge problem med beläggningar 18. Variationen mellan olika anläggningar och olika bränslen är dock stor. Somliga uppvisar aldrig några problem medan andra tvingas elda ned efter bara två till tre månader pga centimetertjocka beläggningar på tuberna. För att om möjligt kvantifiera eventuell beläggningstillväxt vid våra försök konstruerades därför en luftkyld, termostaterad provtagningssond ("kallt finger") med löstagbar provring. En liknande sond användes av Hupa 19 och han visade att metoden lämpar sig väl även för korttidsprov (5 min - 42 h). Sonden består av ett inre rör för inledning av kylluft samt ett yttre rör för utgående luft. På detta rör monteras en löstagbar provring, 10 mm bred och 17.5 mm i ytterdiameter. Scndtemperaturen kontrollerades med en Eurotherm 808 temperaturregulatcr, kopplad till en pump för luftkylning och under provperioden hölls sondtemperaturen konstant på 450±30oC. Mätningar utfördes, efter det att optimeringsstudien var slutförd under långtidsproven (3 h), vid stabila förhållanden. All flyg- och bottenaska samt förbrukat bäddmaterial samlades upp för analys och massbalanser.

\ 25 Utvärderingen indikerade att bäddtemperaturen var starkt kopplad till SO 2 -emissionen. Därför utfördes även en försöksserie där bäddtemperaruren varierades med i övrigt så konstanta förhållanden som möjligt. Detta genom att variera temperaturen på primärluften. Övriga parametrar var inställda som vid "optimal-fallet". ' 4 Jämförande försök med kol och biobränsle (lucern) Lucera är ett gräs som innehåller extremt mycket Ca och K, något mer än höstskördat rörflen och timotej (se Figur 3). Det lämpar sig därför väl för sameldning med kol som inuehåller mer svavel än torv. En nackdel med gräset är möjligen de låga smältpunkter som de höga alkali-haltema kan ge i vissa fall. Fem försök att elda enbart lucern utfördes och de slutade alla med sintring av bädden efter ca en timma vid bäddtemperaturer på 8OO-88O0C (detta utan byte av bäddmaterial). Vid sameldning i fluidbäddar skulle, å andra sidan, bildning (och borttransport) av sulfat och klorider även kunna förhindra anrikning av lågsmältande silikat och därmed minska risken för eventuella sintringsproblem med t ex kaliumrika energigrödor. Då reaktorn ej var utrustad för kontinuerlig byte av bäddmaterial bedömdes kol/lucernblandningen dock som för "besvärlig" för en lika omfattande försöksplan som vid torvstudien. En annan orsak var bränslets eventuella inhomogenitet p g a att blandningen ej gick att pelletera. Jämförande försök utfördes i stället med motsvarande förhållanden som vid optimal-fallet enligt ovan, dvs samma effekt, syrehalt och luftförhållande. Dessutom genomfördes även med denna bränslekombination motsvarande försöksserie för att studera bäddtemperaturens effekt. i

26 5. RESULTAT Alla resultat finns sammanställda i tabeller och figurer i Bilaga C. Nedan kommer de viktigaste resultaten, framför allt de som berör SO 2, att redovisas. 5.1 Resultat från screeningsförsök - SO 2 Effekterna av de sju olika parametrarna på utbytena (SO 2, NO, CO, CO 2, O 2 ) har utvärderats statistiskt enligt Box m fl 20. Utvärderingen bygger på anpassning av en regressionsmodell till uppmätta data. Screening-modellen består, enligt tidigare, endast av linjära termer och kan skrivas som: SO, = CO + Cl "LOAD +C2'AIRFL0W + C3*AIRRATIO + De skalade (med varandra jämförbara) koefficienterna C1-C7 (Coeff) samt sannolikheten (P) att koefficienterna enbart är slumpmässiga framgår av Tabell VI. Tabell VI Resultat - screening. Skalade (jämförbara) koefficienter visar effekterna av de olika parametrarna på SO,. Results - screening study. Regression on SO2, 1 Tern Coeff St. err. P Conf. int. (0.95) Constant LOAD AIRFLOW AIRRATIO PREHEAT1 PREHEAT2 EXTHEAT1 EXTHEAT2 S s 8 8 72.857V 8.20001 2.00626-4.465-1.20749 1.85376-1.13124 0.372511 1.73117 0.0000 1.8865 0.0012 I.8865 0.3104 1.8865 0.0374 1.8865 0.5352 1.8865 0.3469 I.8865 0.4951 1.8865 0.8471 /- 3.81026 /- 4.15214 /- 4.15214 /- 4.15214 /- 4.15214 /- 4.15214 /- 4.15214 /- 4.15214

27 Resultaten från de inledande screeningsförsöken visade att, av de sju studerade parametrarna, var det bränsleinmatningshastighet (effekt) och luftförhållande som påverkade uppbindningen av svavlet mest. Luftflödet hade något mindre betydelse men har ändå tagits med i de fortsatta optimeringsförsöken eftersom luftmängden påverkar syrehalten mest och därför borde kunna inverka på svavelbindningen. Trots att modellen enbart består av linjära termer beskriver den ändå verkligheten bra inom det undersökta området. Detta framgår av Figur 9, där modellens predikterade SO 2 -halter har avsatts mot de verkliga observerade. 100 Slope» 0 714572 PSM*.- 1 000. M.rc«pl-20 7957 P.,000 o o> o Ol o 00 40 10 O 2D IE i2raj 0 Predic o»ml o S-«./h (*) o "40 50 60 Observed Figur 9 Predikterade aot observerade S0 2 -emissioner från screeningsförsöken. Predicted vs observed SO 2 emissions from the screening study. 70 80 90 Inga avvikelser, driftstörningar eller felmätningar har förekommit även om ett visst "naturligt brus" inte går att undvika vid denna typ av processer. Bäddmaterialet byttes efter var sjätte försök och detta har ej heller påverkat resultaten. Figur 7 visar mer konkret inverkan av de viktigaste parametrarna bränsleinmatning (LOAD) och luftförhållande (AIRRATIO).

28 52 Resultat från screeningsförsök - övriga emissioner Eventuell minimering av SO 2 -emissionerna från en anläggning bör ej utföras så att det sker på bekostnad av andra emissioner. Åtgärder för begränsningar av t ex NO står också ofta i konflikt med åtgärder för att minska SO 2. Det behöver dock inte alltid vara så, då bildning och reduktion av NO även det är komplexa förlopp som dessutom ofta är reaktor- och bränslespecifika. Därför är det extra viktigt att, vid driftsoptimeringar, samtidigt kunna utvärdera de primära åtgärdernas effekter på alla emissionerna SO 2, NO, CO och N 2 O. I Bilaga C återfinns även resultaten för de övriga analyserade emissionerna. Här framgår att NO minskar med ökad bränsleinmatning, ökad andel primärluft och högre temperatur på primärluften. CO-halten beror mest av effekt och luftförhållande. Av figurerna i Bilaga C (predikteiade mot observerade halter) framgår att modellen för NO relativt väl beskriver hela det undersökta området, medan modellen för CO endast klarar att beskriva höga CO-emissioner. Förmodligen krävs en annan modell för att beskriva mekanismen vid låga halter. Avsikten med screeningsstudien var, enligt tidigare, endast att sålla fram de viktigaste (dominerande) parametrarna. Bättre modeller för alla emissioner map effekt, luftmängd och luftförhållande erhölls vid optimeringsstudien och en noggrannare utvärdering presenteras i kapitel 5.4 utifrån optimeringsresultaten. Inga analyser av N 2 O har utförts inom detta projekt. I andra småskaliga undersökningar har framkommit att höga initiala halter av N 2 O inte h-nner reduceras med de uppehållstider som kan åstadkommas i en reaktor av denna storlek. I verkliga anläggningar (SFB) verkar förhållandena dock vara sådana att N 2 O kan brytas ned. Vid sameldning i stor skala och eventuella modifieringar av driften för optimering av svaveluppbindning bör dock även N 2 O-emissionerna beaktas. 1

29 53 Resultat från optimeringsforsök - SO 2 Även resultaten från optimeringsstudien presenteras i form av tabeller över regressionsmodeller (Bilaga C). Av Tabell VD framgår att bränsleinmatningshastigheten (LOAD) har den mest signifikanta effekten på SO 2 -emissionen men dessutom påverkar luftflödet och olika samspelseffekter. Tabell VII Resultat - optimering. Skalade (jämförbara) koefficienter visar effekterna av de olika parametrarna på SO 2. Results - optimization Regression on StC, s Ter» COeff St. err. P Canf int. (0.95) Constant LOAD AIRFLOW AIRRATIO L0MT2 LOAD*AIRFLOW LOMPAIRRATIO AIRFL0V2 AIRFL0WURRAT1O A1RRATKT2 46.4016 S 19.5686 s -4.97654 s 0.274132 s 8.30095 s 0.777503 s 2.67751 s -4.43408 s -4.6725 s -0.0641871 6.11251 0.0001 2.87049 0.0002 2.87048 0.1266 2.87049 0.9266 3.15941 0.0340 3.75047 0.8417 3.75047 0.4984 3.15937 0.2032 3.75047 0.2529 3.15939 0.9844 /- 14.4535 /- ii.7875 /- < i.78748 /- tl78749 /- 1'.47067 /- 11.86829 /- 11.86829 /- 7.47057 +/- 8.86829 /- 7.47063 Återigen är P sannolikheten att koeficienteraa enbart är slumpmässiga. Det framgår att modellen innehåller flera mindre signifikanta termer som egentligen mest bidrar till "brus". Efter "polering", dvs reducering av antalet mindre signifikanta termer, erhölls en modell enligt Tabell VIII. Koeficienteraa och den prediktiva förmågan är i stort sett den samma för de båda modellerna, men den "polerade" modellen är betydligt enklare. Tabell VIII Samma som Tabell VII men för "polerad" modell. Same as Table VII but "polished" model Regression on 902, s Ter» Coeff St. err. P Conf. int. (0.95) Constant LOAD AIRFLOW LQAD'2 AIRFL0V2 AIRFLOV*AIRRATIO S s s s s 46.319 19.5683-4.97434 8.31594-4.41555-4.67625 3.80256 0.0000 2.37848 0.0000 2.37848 0.0605 2.50105 0.0068 2.50101 0.1052 3.10763 0.1605 /- 8.36934 /- 5.23498 /- 5.23496 /- 5.50473 /- 5.50466 /- 6.83982 w

Av figurerna 10, 11 och 12 framgår resultaten tydligare. 30 155 / / / / 1 in - * - RFLOW 140 1 to - 130 125 ( ' ~ \ \ \ 28 30 32 34 36 3C. (*) LOAD (i»^ / \ / \ ^ \ 40 / / \ \ \ \ \V, 42 Figur 10 Inverkan av LOAD och AIRFLOW pé SO 2. (AXRATIO=50%). SO, ve LOAD and AIRFLOW I AIRRATIOB50% ). '8 mn.<*) 30 32 34 36 38 40 42 LOAD (rp«) Figur 11 Inverkan av LOAD och AIRFLOW på SO,. (AIRATIO=75%). JO, VS LOAD and AIRFLOW (AIRRATIO=75%). Figur 12 Inverkan av LOAD och AIRFLOW på SO 2. (AIRATIO=100%). 8O 2 vs LOAD and AIRFLOW (AIRRATIO=100%) 42

31 Inget direkt optimum (begränsat) verkar existera inom de praktiska gränserna utan svaveluppbindningen ökar med minskad last, ökad luftmängd och i sista hand ökad andel primärluft. Figurerna 10 och 11 ovan täcker in det experimentellt undersökta området, medan Figur 12 är resultatet av extrapolering utanför praktiskt möjliga inställningar. Det är det maximala primärluftsflödet på 120 dm 3 /min som begränsar luftflödena och i Figur 13 framgår de praktiskt möjliga inställningarna bättre. Figur 13 Inverkan av AIRFLOW och AIRRATIO på SO 2 vid bränsleinmatning på 28 rpm. Effect of AIRFLOW and AIRRATIO on SO 2. LOAD = 28 rpm. Figuren visar att ca 80 % av svavlet skulle kunna bindas upp, vid en bränsleinmatning på 28 rpm (3.4 kw), en total luftmängd på 160 dm 3 /mm och ett luftförbållande på 75 % primärluft. Denna inställning valdes också som "optimal" vid långtidsförsöken. Ännu lägre effekt och mer luft skulle resultera i ännu bättre uppbindning av svavel men då produceras i stället alltför höga CO-emissioner. För att även försöka utvärdera de kemiska och fysikaliska parametrarnas effekt på svaveluppbindningen har även bäddtemperatur (BT), O^ uppehållstid i bädden ( i r bci ), uppehållstid i fribordet (Tf^) och CO tagits med som responser vid utvärderingen. En entydig utvärdering av dessa samband skulle, enligt resonemanget i kapitel 4, emellertid kräva en separat design där dessa parametrar varierades oberoende av varandra, vilket

är en praktiskt omöjlighet. Utifrån vår design och enkla parameterstudier kan dock indikationer om viktiga samband erhållas 32 Bäddtemperaturen är liksom alla gas-halter medelvärde av uppmätta data under försöken, medan en uppskattning av variationer i uppehållstider har beräknats enligt följande: Relativa förändringar i uppehållstider i bädd och heta zonen ovan bädden (bäddytan - avkylning) ges av T rot =X Bed +x Freeb där **" W TBprim Totala flödet genom bädden antas vara summan av primärluftsflödet och det extra gasflödet som produceras vid förbränningen. Det extra flödet från förbränningen härrör i huvudsak från bränslets väte, då bildningen av CO 2 förbrukar samma mängd syre som mängd bildat CO 2. Tillskottet är relativt konstant inom de studerade intervallen och resulterar endast i en faktor 1.068 gånger högre flöde och har därför ej beaktats i beräkningarna. Bäddhöjden ökar linjärt med fluidiseringsbastigheter. från minsta fluidiseringshastigheten (5.73 cm) och uppåt, enligt Koefficienten k bestämdes vid stabila förhållanden (långtidsförsök vid optimum) till 6.30 s/m 3. Uppehållstiden ovanför bäddytan är summan av uppehållstiderna i reaktorns olika delar enligt: 298(0.22-Å flgd ) 298-0.2425, 298-1.3065 ^ Freeb n Bed m 'Prim a»»pri

Figurerna 14 19 visar rådata över S0 2 -emissioner och motsvarande data på bäddtemperatur, Oj, uppehållstid i bädden, uppehållstid i fribordet, CO- och NO-halt. 33 ji 81 DUMP Figur 14 halter och motsvarande temperaturer. SOj emission vs bed temperature j: j 8 > «* H M * Figur 15 8Ov-halter och Botsvarande O 2 -halter. SO 2 emission vs Oj. I *f J oo c ic si» us o MO «ao o ao»"o «MOTiMf Pigur 16 SO 2 -halter och Botsvarande uppehallstider i bädden. SO, emission vs retention time in the bed. 14 U >«II I.»».» Figur 17 SO 2 -halter och Botsvarande uppehallstider i fribordet. S0 2 emission vs retention time in the freeboard. J: o j8 J «_ '.»»»"»»«' o oas i * MO 400 too wo CO(a«/MJ) Figur 18 80,-halter och motsvarande CO-halter. SO, emission vs commission. NO<» /MJ) Figur 19 SOj-halter och motsvarande mo-halter. 80, emission vs MO emission.

34 Då alla dessa parametrar, här liksom i storskaliga undersökningar, ej varierades oberoende av varandra kan inga definitiva slutsatser dras utifrån Figurerna 14-19. De olika parametrarna är kopplade till varandra och samvarierar oftast kraftigt, vilket kan illustreras av Figurerna 20-22. i D 13 14»»o wo»so no BCDTEMP Figur 20 CO och Figur 21 O 2 och motsvarande O 2 -halter motsvarande bäddtemperatur. CO vs O 2 O 2 vs bed temperature. * 5 8 7>M MO» 700 >W (00 MO BEDIEM Figur 22 CO och Botsvarande bäddteaperaturer. CO vs bed temperature På grund av dessa samvariationer är det alltid svårt att korrekt utvärdera driftsdata, trots skenbart klara samband enligt t ex Figurerna 14,15 och 18. För fullständig utvärdering av dessa kemiska och fysikaliska parametrars effekt på olika responser bör alltså designade försök helst utföras. Då detta ofta ej är möjligt att utföra fullt ut kan processens naturliga variation, i viss mån, utnyttjas för "utsortering" av parameter för parameter. För att t ex studera syrehaltens betydelse kan datasetet sorteras med avseende på de övriga parametrar som kan tänkas ha betydelse. I vårt fall uppvisade uppehållstiderna inget samband med varken

\ 35 SO2, temperatur, O 2 eller NO och kan därför antas ha liten betydelse för svavelinfångningen inom det undersökta intervallet. Figur 23 visar sedan SO 2 -halten som funktion av O 2 -halt för olika bäddtemperaturer (± looq. m * /> ff>so B*dT-841 B«dT-SO9 * BadT-750 «BadT-B08 B«dT-859 * BadT-730 B«JT-8«4 B*d1V359 c c c c c c c c 1 S S T * 11 IS» oa, «(dry) Figur 23 SO 2 BOB funktion av O 2. SO 2 vs O 2. I Figur 24 har i stället S0 2 -emissionen avsatts som funktion av bäddtemperatur för olika O 2 -halter (± 0.4%). 02-2% 1 It, 0 D O *«0 02-4t 02-6% o 02-8% 02-10% * 02-12% 02-14% 740. *c Figur 24 SO 2 -eaissioner och aotsvarande bäddtiiaperaturer. 8O 2 va bed temperature.

Då utvärderingen bygger på momentanvärden ocb inte medelvärden Över en längre tid är den endast tillförlitlig för snabba gasförlopp. Vid studier av t ex svavelabsorbtion med konventionella absorbenter, där uppehållstiden för en absorbentpanikel i bädden är relativt lång och reaktionerna är mer eller mindre diffusionskontrollerade kan sådana jämförelser ge överestimerade samband. Vid t ex lägre syrehalter under kortare tider, avgår det en större mängd svavel som tidigare bundits upp till absorbenter i bädden. Reaktionerna, vid utnyttjande av ett biobränsles "alkali", är förmodligen relativt snabba och ej diffusionskontrollerade och de bildade sulfaterna följer dessutom förmodligen med rökgaserna ut ur reaktorn. Figurerna ovan kan därför antas beskriva processen relativt väl, trots de momentana värdena. 36 Motsvarande utvärdering med CO, dvs med konstant bäddtemperatur och syrehalt, visade inte på något signifikant samband mellan SO 2 och CO. Slutsatsen är således att det i första hand är bäddtemperatur och syrehalt som påverkar uppbindningen. Om responsytorna för bäddtemperatur ocb O 2 presenteras tillsammans med SO 2 framgår också dessa gemensamma trender (Figur 25). Figur 25 SO,, O, ocb baddteaperatur SOB funktion av last ocb luftflöde. SO 2, O 2 and bed temperature vs load and airflow.

37 5.4 Resultat från optimerinfsforsök övriga emissioner COhalten påverkas framför allt av last och luftmängd enligt Figur 26 men ökad andel primärluft ger också något högre CO-halter. Figur 26 Inverkan av bränsleinaatning (LOAD) och luftaängd (AIRFLOW) på CO. Effect of LOAD and AIRFLOW on CO. Av de kemiska och fysikaliska parametrarna är det låga temperaturer och O 2 -halter som uppvisar starkaste korrelationen med höga CO-halter. När parametrarna last, luftmängd och luftfaktor utnyttjas för minimering av SO 2 och NO kan CO-balten hållas nere något med inte alltför kalla väggar i fribordet enligt resultaten från screeningsstudien. Av Figur 27-29 framgår huvudsambanden mellan NO och driftsparametrama.

38 NO(«t/MJ) _TlO (*) Figur 27 Responsyta för MO vid en bränsleinaatning på 35 rps. Response surface for HO, DOAD = 35 rp». NO(«t/MJ) L IOAC (rpaj Pigur 28 Responsyta för NO vid luftförhållandet 50 %. Response surface for NO, AIRRATIO=50%. _. JJ J4 M» <0 4J LOAD ln>m) Pigur 29 Responsyta för NO vid luftförhållandet 75%. Response surface for NO, AIRRATIO=75%. Bildning och nedbrytning av NO är dock extremt komplexa processer och ingen modell baserad på enbart driftsparametrar verkar kunna beskriva NO-emissionen helt korrekt (se Bilaga C). Enskilda driftsparametrar eller enkla kombinationer av dessa räcker inte riktigt till för att signifikant kunna beskriva sambanden inom hela det undersökta området. En bidragande orsak kan eventuellt vara en stark inverkan av CO, där högre CO-halter ger lägre NO-halter (Figur 30). Figuren indikerar dessutom att den undersökta domänen skulle behöva beskrivas med två olika modeller (mekanismer), en vid lägre COhalter (< 100 ppm) med bl a lägre temperatur och en annan modell vid högre CO-halter (hög temperatur, låg O 2 ). Alla dessa data är medelvärden för hela provtiden (20 minuter) och för att ytterligare penetrera CO-haltens eventueua effekt på NO-emissionen har även momentanvärden från rådata studerats. I Figur 31 har NO och CO avsatts mot O 2 för hela optimeringsstudien och Figur 32 visar NO mot CO för olika syrehalter.

39 ii 8 -KO HD <0O MO MO CO(/KI) Figur 30 MO-emissioner och motsvarande CO-emissioner. MO emissions vs CO emissions. Figur 31 MO och CO mot O 2. NO and CO vs O 2. 9 o D 02-1% Q 02-5% 1 8 4 Ay. é o «O * o ' «02-7% O2-*% * 02-11% 4 02-11% O2-1S% 4 ** 20 40 60 80 CO, pfw (dry) 100 120 140 Figur 32 NO mot CO för olika o 2 (t 0.4%) NO vs CO for different C 2 (i 0.4%).

40 Figurerna indikerar att NO-emissionen skulle vara starkt negativt korrelerad till COhalten men då CO, O 2 och bäddtemperaturen är återigen så kraftigt korrelerade till varandia kan tyvärr inga helt säkra slutsatser dras angående dessa kemiska parametrar. Slutsatsen är således att sambanden mellan driftsparametrarna och CO respektive NO är relativt väl bestämda. För att erhålla bättre modeller och ökad förståelse om de kemiska och fysikaliska parametrarnas effekter krävs att dessa parametrar innefattas i designen och därmed varieras oberoende av varandra. Detta är oftast omöjligt i riktiga förbränningsreaktorer men förhoppningen är att vår reaktor skall kunna modifieras för även denna typ av studier. Att, i verklig drift, minimera en summerad total "miljörespons" skulle kunna vara ett sätt att beakta alla emissioner samtidigt. Figur 33 visar resultatet från ett exempel på en sådan respons, där de olika emissionerna har antagits vara lika skadliga, dvs summan av alla normaliserade halter har studerats. Givetvis kan olika bedömningar (A-E) vägas in i beräkningen av den totala "miljöresponsen": "MiUörespons" = A*NO + B*NO 2 +C*SO 2 +D*CO (+ E*N 2 O) Figur 33 Exempel på effekten av last och luftmängd pä en total miljörespons. Example of the effect of load and airflow on a total environmental respons.