Transcript v: bränslekvalité utifrån askbildande element

 V: BRÄNSLEKVALITÉ UTIFRÅN ASKBILDANDE ELEMENT METODER FÖR ATT UNDVIKA/MINSKA ASKRELATERADE PROBLEM Detta är den femte (V) och sista i en serie av fem bulletiner som behandlar ämnet bränslekvalité utifrån innehåll av askbildande element. Man kan identifiera ett antal vägar och åtgärder för att undvika eller reducera ARP vid förbränning av skogsbiomassa. Dessa kan grovt sett delas upp i anläggningsrelaterade och i bränslerelaterade åtgärder. Här kommer den senare kategorin åtgärder beröras. SAMELDNING Biobränslen med ett ofördelaktigt innehåll eller balans av askbildande element, det vill säga bränslen som förorsakar askrelaterade problem som slaggning beläggningsbildning, korrosion och oönskade emissioner av gaser och partiklar, kan man i vissa fall korrigeragenom inblandning av andra bränslen. SLAGGBILDNING Strategierna kan vara olika; när risk för slaggbildning föreligger är en sådan att försöka förändra asksammansättningen bort ifrån de kritiska asksammansättningarna där aska smälter vid låga temperaturer. Enligt figur 1 i bulletin 4, kan detta åstadkommas genom att tillföra CaO eller MgO i form av ett bränsle rikt på dessa komponenter, alternativt att tillföra ett bränsle rikt på SiO2. De två första alternativen kan betraktas som en säkrare medan det sista kan vara riskablare eftersom sammansättningsmarginalerna är snävare (se figur 1, bulletin 4)). En annan strategi för att minska slaggproblematik är att minska mängden alkali (bulletin 4, figur 1 K2O (Na2O)) som kan delta i slaggbildningen. Ett sätt är att blanda med ett bränsle som innehåller en alkali‐absorbent som till exempel ett lermineral. Sådana mineral har ofta egenskapen att de ”spricker sönder” vid upphettning och reagerar med alkali till stabila högsmältande så kallade aluminiumsilikater. Effekten på positionen i figur X är att sammansätningen rör sig rakt bort från ”K2O (Na2O)” hörnet mot CaO‐SiO2 ”kanten”. Där är smälttemperaturerna relativt höga och slaggproblematiken mindre. Om detta förfarande kombineras med tillsats av CaO (MgO) kan effekten ytterligare förstärkas. Generellt sett är det alltså positivt och rekomendabelt, utifrån ett behov att minska slaggproblematik, att förändra asksammansättningen mot ”CaO(MgO) hörnet”. BELÄGGNINGSBILDNING PARTIKULÄRA EMISSIONER När det gäller beläggningsbildningar på värmeöverförande ytor och partikulära emissioner är det främst askkomponenter som förångats vid höga temperaturer i själva förbränningszonen, som utgör huvudproblemet. De aktuella komponenterna är alkali (framförallt K; KCl, eventuellt KOH) och sura gaser som framförallt SO2/SO3, HCl och CO2. Vid lägre temperatur senare i rökgasgången kommer alkalisalter att kondensera ut ifrån denna gasblandning, till smälta och/eller fasta partiklar som sätter sig på tillgängliga ytor och bidrar till att kladda fast även övrig flygaska (mindre bottenaskapartiklar) till ofta hårda beläggningar. Huvudstrategin är här att försöka förhindra eller minska avångningen av de gasformiga alkalikomponenterna, det vill säga att hitta metoder för att behålla dessa i bottenaskan. Genom att tillföra bränslen som är rika på ”reaktivt” kisel (SiO2) kan alkali (framförallt K2O) bindas i form av K‐silikat i bottenaskan. Därvidlag är dock stor försiktighet nödvändig, eftersom man då även riskerar att öka slaggbildningstendenserna (se figur 1, bulletin 4). En sådan åtgärd bör därför åtföljas av en ökning av CaO (MgO) innehållet. Ett annat effektivt men mindre riskabelt alternativ är att som beskrivs ovan, tillföra bränslen innehållande lermineral vilket förutom att reducera slaggbildningsrisken, också kan bidra till att fånga alkali och där med minska beläggningsbildningen. I frånvaro av alkali kommer de övriga gasformiga komponenterna (de sura gaserna) att förbli gasformiga till dess att temperaturen är tillräckligt låg för de tillsammans med vattenånga ska till kondensera till sura vattenlösningar. I stor utsträckning följer dessa med förbränningsgasen ut genom skorstenen, förutsatt att ingen gasrening finns. KORROSION Generellt sett är ofta miljön i en förbränningsanläggning problematisk ur korrosionssynpunkt. Både metalliska och keramiska konstruktionsmaterial på olika ställen i förbränningsanläggningen är utsatta för korrosion. De höga temperaturerna tillsammans med askans kemiska sammansättning gör att olika typer av kemiska reaktioner och angrepp är vanligt förekommande på exempelvis metallroster, keramisk infodring och värmeöverförande metallytor. Här följer en kortfattade redogörelse för förutsättningarna att reducera korrosion på värmeöverförande metallytor (se även bulletin 4). En avgörande faktor för denna typ av korrosion är sammansättningen på de kondenserade salterna. När det gäller rostfria stål (krominnehållande) har man observerat att alkalisalter uppvisar olika grad av korrosivitet. Alkalikarbonat förosakar den allvarligaste korrosionen, följt av alkaliklorid och alkalisulfat. Det senare saltet betraktas som mer harmlöst och höga halter kan i många fall accepteras. Eftersom smälttemperaturen är relativt hög för sulfatet kan den också ha deponerats i fast form på ytorna vilket bidrar till att ”sotningen” av den underlättas. Beträffande kloriden har den betydligt lägre smältpunkt och innebär förutom högre korrosivitet också större sotningsproblem. I praktiken har alkalikarbonaterna inte inneburit några större problem eftersom bildning som regel är blygsam (se bulletin 3, figur 1) på grund av proportionerna mellan alkali och de sura komponenter i askan. I vissa extremt alkalirika bränslen kan det dock bildas stora mängder karbonat som blir problematiska ur korrosionssynpunkt. Även i detta fall innebär kvarhållande av alkali i bottenaskan att man minskar risken för korrosion. I takt med ökande retention av alkali så kommer i första hand karbonat förhindras att bildas, följt av klorid och sist sulfat (se bulletin 3, figur 1). Det vill säga det farligaste saltet elimineras först, det näst farligaste sedan och det harmlösaste sist. Genom sameldning med kiselrika (reaktivt kisel) och/eller lermineralhaltiga bränslen kan dessa effekter uppnås. Ett annat sätt att minska korrosionsrisken är att tillsätta ett svavelrikt bränsle; svavlet oxideras så småningom till SO3(g) och realtionerna mellan de sura gaserna blir sådant att man förhindrar bildning av karbonat och klorid, det vill säga den gasformika alkalikomponenten räcker bara till för sulfatbildning (bulletin 3, figur 1). Analogt, åtminstone i princip, skulle man också kunna tillsätta ett fosforrikt bränsle, så rikt att P2O5(g) eller fosforsyra avgår och agerar analogt med SO3(g) (bulletin 3, figur 1). Bränslen med sådana höga halter fosfor är dock inte vanliga vilket innebär att fosfor i sådant fall måste tillsättas i form av ett additiv (se nedan). EXEMPEL PÅ ANVÄNDBARA SAMELDNINGSBRÄNSLEN Bark: Beroende på grad av extern kontaminering (framförallt sand och lera) kan bark innehålla varierande mängder kisel (SiO2). I figur 1 i bulletin 4 ges sammansättningen för fyra olika barkbränslen; 10 – 14, med ökande halter SiO2. Bark 10 har låg halt av SiO2 vilket sannolikt beror på frånvaro av extern kontaminering, samtidigt med en hög halt av CaO (och MgO), högre än för de tre stamvedsbränslen (1‐3) som finns i figuren. Beaktande att den totala askhalten i bark är cirka 5 viktsprocent, blir effektiva adderade mängden CaO (och MgO) vid sameldning med bark signifikant. Rörflen: Beroende på växtlokal och jordmån kan aska från rörflen innehålla upp till 80 – 85 viktsprocent SiO2. Detta kisel är reaktivt och kan effektivt användas för exempelvis alkaliretention till bottenaska. Försiktighet bör dock anbefallas om rörflen ska utnyttjas som sameldningbränsle för att undvika asksamansättningar som är kritiska ur slaggningssynpunkt (jfr. resonemang ovan). Den totala askhalten i rörflen är hög; mellan ca 4 och 10 viktsprocent. Torv: Torv har använts i sameldning med andra bränslen för att råda bot på ett antal askrelaterade problem. Innehållet av askbildande element varierar stort beroende på en mängd olika faktorer. Exempelvis har växtlokal, berggrund, jordmån, vattenförhållanden, växtlighet (moss‐ och gräsarter) samt ålder stor betydelse för det totala innehållet och koncentrationerna askbildande element. För att utnyttja torv vid sameldning för att reducera askrelaterade problem bör man ha en god uppfattning om problemens art och orsaken till problemen och vilka egenskaper (askinnehåll) hos torven man behöver. Man har identifierat ett antal positiva torvegenskaper i form av förhöjda halter av vissa askbildande element/mineral; kalcium, kisel, svavel och lermineral. Effekterna av dessa fyra element/mineral på askrelaterade problem har beskrivits ovan. Det bör dock betonas att höga halter av alla dessa komponenter inte existerar i alla torvar. Man måste alltså välja rätt torv för ett specifikt askrelaterat problem. Ofta kan dock torvarna innehålla höga halter av fler än ett av de fyra positiva elementen/mineralen och eftersom torv generellt sett har låga halter alkalimetaller, innebär bränslet ingen försämring med avseende på någon avgörade askrelaterad problematik. Därav kommer det att torv i många sammanhang betraktas som något av en ”universalmedicin” vid förbränning av problematiska biobränslen. Kommunalt reningsverksslam: Detta material håller relativt höga halter icke brännbart material. Om slammet är rötat (biogas extraherat) och avvattenat kan askhalten vara uppemot 40 viktsprocent. Denna aska innehåller som regel höga halter kisel, kalcium och svavel, vilket sannolikt innebär att slamet har samma positiva effekter som motsvarande i torv. Dessutom tillkommer höga fosforhalter och även aluminosilikater i form av zeoliter (tillsats i tvättmedel). Det har spekulerats i att både dessa askkomponenter har positiv effekt på kaliumretentionen och slaggbildningen. Praktiska försök (även i stor skala) har visat på positiva effekter, faktiskt liknade de man observerat för torv. En poäng i sammanhanget är att det rötade slammet är klassat som avfall och sameldning skulle därmed lösa ytterligare ett problem; det vill säga kvittblivningen av slammet. ADDITIV I de fall där man inte kan tillämpa sameldning för att åstadkomma en önskad förändring eller justering av askelementbalansen kan man använda sig av additiv som i mycket mindre mängder, men med högre koncentrationser av aktiva substanser kan användas i samma syfte. I sådana fall bör man ägna problematiken med att föra in och blanda additivet med bränslet en viss uppmärksamhet. För att uppnå en specifik positiv effekt med en tillsats måste denna ges möjlighet att reagera i tillräcklig utsträckning med bränsleaskan. Här följer några exempel på additiv som använts i praktiska tillämpningar. Kalk (kalcit, dolomit): Detta är som regel naturliga mineral som vid upphettning ”spricker upp” till reaktiv CaO (och MgO), det vill säga till bränd kalk. Även släkt kalk (Ca(OH)2) har använts som additiv. Kaolin, Lera: Även dessa additiv är naturligt förekommande mineral/mineralblandningar. Kaolin är ett betydligt mer renodlat material som huvudsakligen består av lermineralet kaolinit medan lera betecknar ett varierande mineralinnehåll av bland annat olika lermineral. Svavelinnehållande additiv (SO2, (NH4)2SO4, S): Svavel kan tillföras bränslet I form av en gas (SO2) eller i fast form som elementärt svavel. Ammoniumsulfat ((NH4)2SO4) har använts i form av en vattenlösning som dysats in lite senare i rökgaskanalen. Syftet har då varit dubbelt; dels att tillföra svavel för att hindra bildning av korrosivt alkaliklorid och dels att reducera NOx nivåerna (analogt med SNCR, ammoniaktillsats). FÖRFATTARE Dan Boström Christoffer Boman Jonathan Fagerström Markus Broström Rainer Backman Umeå Universitet Energiteknik och Termisk Processkemi (ETPC) Institutionen för tillämpad fysik och elektronik [email protected] 9.11.2011 Europeiska unionen
Europeiska regionala utvecklingsfonden
Gränsöverskridande samarbete över fjäll och hav