Transcript Förädling av skogsbränsle genom torrefiering och

Förädling av skogsbränsle genom
torrefiering och efterbehandling
på uppdrag av
Slutrapport
Datum: 2012-09-28
Ingemar Olofsson och Martin Sjöström
C/O Umeå Energi
Box 224
90105 Umeå, Sweden
Telefon: +4670-5847391
E-post: [email protected]
Sammanfattning Skogsrester eller grenar och toppar (grot) är en värdefull källa till energi, men just på
grund av att det är restprodukt är det även behäftat med en mängd problem såsom
höga askhalter på grund av kontaminering vid fällning, uttag ur skogen och
efterföljande logistik. Dessa föroreningar påverkar bränslets
förbränningskarakteristik främst med avseende på ökad beläggningsbildning och
slaggningstendenser i en pannanläggning på grund av den låga asksmältpunkten.
Denna studie fokuserar på avlägsnandet av dessa föroreningar genom användandet
av delprocessen torrefiering följt av två olika typer av efterbehandlingar; 1)
vattentvätt och centrifugering, samt 2) sållning.
Torrefiering är en termisk och syrefri process där det material som skall behandlas
hettas upp till en temperatur av 240-340°C vid en uppehållstid på mellan 0 och 60
minuter. I detta fall var temperaturen 300°C och tiden 8 minuter vilket gav ett massoch energiutbyte på 81 respektive 86 %.
Torrefiering ger materialet nya, förbättrade egenskaper som delvis nyttjades i de
efterföljande behandlingsstegen, d.v.s. tvättning/centrifugering samt sållning. Vid
tvättningen i vatten avlägsnades en del av föroreningarna från det torrefierade och
mer hydrofoba materialet. Ytvattnet centrifugerades sedan bort. Vid sållningen
avlägsnades föroreningarna lätt bort från det torrefierade materialet.
Resultaten från försöken visar att de två testade behandlingsmetoderna fungerade
bra för att avlägsna en del av föroreningarna vilket i sin tur drastiskt höjde
asksmältpunkten för bränslet. Hög asksmältpunkt är önskvärt i princip i alla
förbränningssammanhang eftersom slaggning och beläggningsbildning då undviks i
rosterpannor och agglomerering/defluidisering undviks i fluidbäddspannor.
Samtliga försök kördes på fint huggna grenar och toppar med barren kvar. Materialet
var vinterskördad gran och visade sig innehålla stora mängder finfraktion i form av
barr, bark och annat finmaterial. Större bitar avlägsnades innan torrefiering för att så
långt som möjligt efterlikna den finfraktion som ibland kan falla ut som en bifraktion
vid exempelvis flisning på bränsleplan.
2
BioEndev Report
Innehållsförteckning
Sammanfattning ......................................................................................................... 2 1. Introduktion ............................................................................................................ 4 1.1 Skogsavfall, grenar och toppar (grot) ............................................................... 4 1.2 Torrefiering ....................................................................................................... 4 1.3 Syfte ................................................................................................................... 4 2. Metod....................................................................................................................... 5 2.1 Material ............................................................................................................. 5 2.2 Kontaminering .................................................................................................. 5 2.3 Torrefiering ....................................................................................................... 6 2.4 Tvättning och centrifugering ............................................................................ 9 2.5 Sållning ............................................................................................................ 10 2.6 Provtagning och analys ................................................................................... 10 3. Resultat och diskussion.......................................................................................... 11 3.1 Torrefiering ...................................................................................................... 11 3.2 Tvättning och centrifugering ...........................................................................12 3.3 Sållning .............................................................................................................14 3.4 Elementaranalys och beräknade asksmältpunkter .........................................14 4. Ekonomi och skalfördelar för en fristående torrefieringsanläggning ...................16 5. Diskussion och Slutsats ......................................................................................... 18 6. Referenser ............................................................................................................. 20 7. Acknowledgement ..................................................................................................21 Appendix 1 .................................................................................................................... 22 Appendix 2 .................................................................................................................... 23 3
BioEndev Report
1. Introduktion 1.1
Skogsavfall, grenar och toppar (grot) För 20 år sedan lämnades det mesta av hyggesresterna kvar i skogen, men nu har
medvetenheten om det globala klimatet och de ekonomiska incitamenten ökat och
det råder hög efterfrågan på marknaden för denna typ av biobränsle.
Det finns flera anledningar till varför grot inte har fått genomslag förrän de senaste 15
åren. Grot har i många fall förhöjd askhalt som kommer från inblåsande jordmineral,
men också från sand och lera som fastnar på materialet vid avverkning, uttag,
transport och hantering. Föroreningarna leder till låga asksmältpunkter som medför
problem såsom agglomerering i fluidiserande bäddar samt beläggningar och
slaggbildning i pannor. Grot har även förhållandevis låg energidensitet på grund av
hög fukthalt och låg densitet och blir därför med acceptabel ekonomi svårt att
transportera över längre sträckor.
Energidensiteten kan dock ökas genom att lägga groten i vältor i skogen och låta det
torka under en säsong. Men man får alltid en viss grad av biologisk nedbrytning och
det finns även risk för så kallade hot spots och självantändning, speciellt om groten
får ligga på hög i flisad form. Groten är även relativt inhomogen med avseende på
dels askhalt och sammansättning, men även med avseende på fukthalt vilket gör det
svårare att förutse hur materialet ska bete sig vid förbränningen. Vid flisning eller
sönderdelning av materialet blir ofta även fina delfraktioner över som mestadels
består av barr och annat finmaterial. Detta material har högre askhalt och är därmed
ännu mer problematiskt att elda. Vissa av dessa problematiska egenskaper kan dock
förbättras genom en värmebehandlingsprocess som kallas torrefiering.
1.2
Torrefiering Fördelen med att torrefiera ett material är att det får förbättrade och nya egenskaper
vilka är fördelaktiga vid hantering, lagring, malning, förbränning mm. De förbättrade
egenskaperna är; energivärde, malningsbarhet, hydrofobicitet, hållbarhet,
homogenitet med avseende på fukthalt och sammansättning [1]. Även risken för
biologisk kontaminering elimineras på grund av behandling i hög temperatur [2].
Efter torrefiering är biomassan mer lik fossilt kol i dess karakteristik och
sammansättning vilket gör det möjligt att samelda i kolkraftverk [3].
1.3
Syfte Syftet med projektet var att undersöka metoder att avlägsna en del av föroreningarna
i groten genom att först torrefiera materialet för att göra materialet mer hydrofobt
och sedan avlägsna dessa föroreningar genom vattentvätt. Även alternativa metoder
för att förbättra askans sammansättning och bränslets karakteristik skulle
undersökas.
4
BioEndev Report
2. Metod 2.1
Material Samtliga försök är utförda på fint huggna grenar och toppar med barren kvar.
Materialet var vinterskördad gran och visade sig innehålla stora mängder finfraktion i
form av barr och annat finmaterial. Då groten var vinterskördad och därmed inte
hade kommit i direktkontakt med marken samt att den flisades och torkades
omedelbart, resulterade detta i en biomassa som var förhållandevis fri från skörde/uttagsrelaterade föroreningar.
2.2
Kontaminering Groten kontaminerades med kontrollerade mängder sand och silt (typ av jordart med
tämligen små korn, innefattar mjäla och finmo [4]). Sanden bestod av Rådasand för
att simulera naturligt förekommande sand innehållande hög andel kisel och andra
asksmältpunktsnedsättande ämnen som kan förorena bränslet [5]. Silten var den fina
fraktionen av pinnmo från Degernäs, Umeå och tillsattes för att simulera en
förorening som är svår att avlägsna. Mängden tillsatta föroreningar var cirka 2% av
torrsubstansen (TS), 1% av vardera sand och silt [6] och sammansättningen för dessa
föroreningar återfinns i Appendix 1.
För att så långt som möjligt simulera beteendet hos naturligt förekommande
föroreningar och dess förmåga att vidhäfta vid groten blötlades sanden och silten i 20
liter vatten och blandades in med groten i en roterande trumma under ca 1 timme för
att säkerställa att föroreningarna blandades in homogent, se Figur 1. På grund av den
begränsade storleken på blandningstrumman utfördes denna inblandning i tre
satser/batcher. För att säkerställa samma kontamineringsgrad mellan satserna i
blandningstrumman baserades beräkningarna på torrvikt. Fukthalten (FH) på
biomassan mättes därför först upp med en fukthaltsbestämmningsvåg, Mettler
Toledo HB43, vilken hettar upp ett prov på 3-5 g till en temperatur av 105°C för att
ånga av vattnet. Differensen mellan start mvått och slutvikt mtorrt bestäms och FH
beräknas enligt:
å
å
Ekvation 1Fukthalten i procent.
där mvått och mtorrt är vikten på den blöta respektive den torra biomassan. Torrvikten,
mtorrt, på hela satsen beräknades sedan enligt:
· å
å
Ekvation 2. Fukthalten i procent.
5
BioEndev Report
Figur 1. Roterande blandingstrumma som användes för att kontaminera groten. Kapaciteten på
blandningstrumman var ca 1m3/batch.
2.3
Torrefiering Torrefiering är en process där biomassa hettas upp i en syrefri miljö till en
temperatur mellan 240-340°C vid en uppehållstid på mellan 0 och 60 minuter.
BioEndev:s torrefieringspilot som användes under detta experiment har en maximal
kapacitet på ~20 kg/h med en roterande trumma som torrefieringsreaktor, Figur 2.
Materialet som torrefierades torkades till en fukthalt <0,5% innan det lastades i
torrefieringspilotens bränslesilo. Från silon matades materialet med en matarskruv
ned till en förvärmare som matade materialet vidare in i den roterande trumman.
Därefter kyldes materialet ned i en kylskruv varefter det matades ut i en produktsilo.
6
BioEndev Report
Figur 2. Schematisk bild över BioEndevs torrefieringspilot.
Uppehållstiden i torrefieringstrumman detta experiment sattes till 8 min och
torrefieringstemperaturen bestämdes till 300°C. Uppehållstiden 8 minuter valdes för
att maximera produktionstakten och därefter bestämdes temperaturen till 300°C
(med erfarenhet från tidigare torrefieringstudier på grot [7]) för att säkerställa
tillräcklig torrefieringsgrad för att kunna se signifikanta skillnader mellan det råa och
obehandlade materialet och det torrefierade materialet.
Under torrefieringsprocessen frigörs vatten, kolmonoxid, koldioxid och andra
gasformiga kolväten, vilket i sin tur orsakar en viktminskning hos materialet [3]. I
litteraturen har ett massutbyte definierats för processen som beräknas enligt nedan.
Under torrefieringsprocessen förlorar materialet även en del av sin energi på grund
av de flyktiga gaskomponenterna som avgår, varvid ett energiutbyte kan beräknas
enligt nedan.
Torrefieringsprocessens massutbyte beräknas enligt:
Ekvation 3.
Där mråmaterial är massan på det torkade råmaterialet och mtorrefierat är massan på den
kylda och torrefierade produkten. Torrefieringsprocessens energiutbyte beräknas
som:
Ekvation 4.
7
BioEndev Report
Där LHVtorrefierat och LHVråmaterial är de effektiva värmevärdena på materialen före och
efter torrefiering.
Materialets torrefieringsgrad beräknas och är ett mått på hur nedbrutet biomassan är
i förhållande till det obehandlade materialet. Ett värde på 0% anger obefintlig
nedbrytning av biomassan och 100% anger helt nedbruten biomassa till
elementarpartiklarnas grundtillstånd.
Den inneboende kemiska bindningsentalpin i biomassan, chemical bond energy
(CBE), är en beräkning av den energin som krävs för att bryta samtliga bindningar i
dess huvudbeståndsdelar i form av lignin, cellulosa, hemicellulosa och
extraktivämnen och omvandla dessa till elementarpartiklarna (C, H, O, N, S) i dess
grundtillstånd, i form av grafit (C(s)), vätgas (H2(g)), syrgas (O2(g)), kvävgas (N2(g))
och svavel (S(s)). Obehandlad biomassa har relativt högt värde på CBE och termiskt
behandlad biomassa har relativt lågt värde på CBE på grund av partiell termisk
nedbrytning av de inneboende bindningarna i exempelvis hemicellulosan. Om CBE
för både råmaterialet och det torrefierade materialet är beräknade kan
torrefieringsgraden, TF°CBE, daf, beräknas som:
CBEtor ,daf
TF o CBE, daf = 1 −
CBE ref ,daf
Ekvation 5. Torrefaction
Där CBEref, daf och CBEtor, daf är kemiska bindningsentalpin på det råa respektive det
torrefierade materialet, på torrt och askfritt tillstånd.
8
BioEndev Report
2.4
Tvättning och centrifugering Ett av syftena med denna studie var att utföra försök för att avlägsna helt eller delar
av de tillförda sand- och siltföroreningarna från biomassan. Idén med tvättning i
vatten för att avlägsna föroreningar grundar sig i att materialet blir mer hydrofobt
genom torrefiering [2], vilket innebär att den torrefierade biomassan inte suger åt sig
lika mycket vatten som råmaterialet. Därmed kan de tyngre föroreningarna sjunka
vid tvätten medan det lättare torrefierade materialet flyter på ytan. Materialet
tvättades därmed i en bassäng under omrörning i 10 sekunder.
På grund av den ökade hydrofobiciteten hos det torrefierade och tvättade materialet
har det i teorin inte tagit åt sig fukt i någon nämnvärd utsträckning. Dock kan en del
vatten fastna/binda till ytorna genom kapillärkrafter varför även centrifugering
användes i omedelbar anslutning till vattentvätten för att avlägsna resterande
ytvatten.
Centrifugen som användes var en modifierad tvättmaskin med ett maximalt varvtal
på 1000 varv per minut med en yttre trumdiameter på 50 cm. Den tvättade
biomassan centrifugerades under olika lång tid som varierades mellan 3,5 och 120
sekunder. Den kortare tiden var precis så lång tid som krävdes för att centrifugen
skulle hinna varva upp till fulla varv. Spannet upp till 120 sekunder valdes för att ge
en bild av hur hårt ytvattnet var bundet samt hur lång tid avvattningen skulle kunna
tänkas ta.
9
BioEndev Report
2.5
Sållning Sållningsprocessen användes som en referens och alternativ metod till
tvätt/centrifugeringsprocessen i försök att separera groten i två fraktioner, d.v.s. ett
accept bestående av grot med lägre askhalt och en finfraktion bestående av fina
partiklar med hög askhalt där de mesta av föroreningarna samlades. Ett Mogensen E
0554 skaksåll med sållduk på 0,5x0,5 mm användes. Den förorenade, torrefierade
och torra biomassan matades in i skaksållet uppifrån (se övre högra hörnet i Figur 3)
och läts passera genom skaksållet. Acceptet (se nedre högra hörnet i Figur 3)
återfördes sedan till inloppet via två bandtransportörer. För att säkerställa hög
avskiljningsgrad i skaksållet samt att de två fraktionerna hade signifikanta skillnader
mellan varandra återfördes material under 5 minuter vilket gjorde att materialet
passerade skaksållet 20-23 gånger.
Figur 3. Uppställningen på skaksållet.
2.6
Provtagning och analys Provtagning och analys utfördes på samtliga steg i processen enligt Figur 4. Proven
togs ut enligt provdelningsprincipen där flertalet mindre prov togs ut från varje
batch. Sedan provdelades detta prov till ett mindre prov som var representativt för
hela batchen. Proven skickades sedan på analys till Bränslelaboratoriet i Umeå för
bestämning av; värmevärde (SS ISO 1928:1); askhalt (SS 18 71 71:1); syre (beräknat);
kol, väte, kväve (LECO-method 1); svavel (SS 18 71 77:1); klor (SS 18 71 54:1); och
10
BioEndev Report
flyktiga ämnen (SS ISO 562:1). För bestämning av asksammansättning skickades
proven till ALS i Luleå och analyserades enligt EPA med metoderna 200.7 (ICP-AES )
och 200.8 (ICP-SMS). Samtliga data återfinns i Appendix 1.
3. Resultat och diskussion 3.1
Torrefiering Vid torrefieringen avgår flyktiga ämnen från materialet varvid materialet tappar en
del massa. Massutbytet uppmättes till 81 % efter torrefieringen. Detta innebär även
att askhalten på materialet bör öka efter torrefiering eftersom askkomponenterna
inte avgår vid torrefiering [3]. I Figur 4 ses askhalten i de olika bränslena och
askhalten minskade tydligt genom torrefieringsprocessen. Detta fenomen kan
förklaras av den mekaniska bearbetning som transportörerna utsätter materialet för
och att en del av föroreningarna lossnade innan det ens hade nått bränslesilon. Dock
bör detta inte inverka på slutresultatet eftersom askhalten efter torrefiering
fortfarande var mer än dubbelt så hög som det icke kontaminerade råmaterialet.
6,0%
5,0%
4,0%
3,0%
2,0%
1,0%
0,0%
Grot rå
Grot rå kont.
Grot TF kont.
Grot TF kont. tvättad
Grot TF kont. Sållad
%‐TS
1,7%
5,7%
4,7%
3,4%
3,3%
%‐TS,in
1,7%
5,7%
3,8%
2,8%
2,7%
Figur 4. Askhalt i Grot som passerat olika behandlingsprocesser, både angivet som mass-% på
torrsubstans (%-TS) och mass-%/kg råmaterial på torrsubstans (%-TS, in).
Medelyttemperaturen på biomassan i slutet av torrefieringstrumman var 304°C vid
en uppehållstid på 8 minuter. Energiutbytet var 86 % vid en torrefieringsgrad,
TF°CBE,daf, på 18.4% [8]. Andra torrefieringskörningar med granflis [8] gjorda vid
samma inställningar gav mass- och energiutbyten på 80 % respektive 87 % vid en
torrefieringsgrad, TF°C.B.E,daf, på 12,3%. Den stora skillnaden mellan
torrefieringsgraderna av groten av 18,4% och granflis 12,3% kan till största delen
förklaras av att groten [7] av erfarenhet innehåller mer hemicellulosa än stamveden
från gran, men även av det faktum att granflisen hade betydligt större stycketjocklek
än groten och att den därmed inte torrefierades lika hårt eftersom värmevågen inte
11
BioEndev Report
går in i materialet lika snabbt. För ytterligare jämförelser, se Martin Nordwaeger et
al. 2012 [8].
Vid torrefiering ökar värmevärdet i bränslet genom avgång av flyktiga ämnen. Dessa
ämnen innehåller relativt stor andel syre varför C/H/O-förhållandet ändras i den
fasta produkten. Eftersom halten av energirikt kol (C) ökar i det torrefierade bränslet
ökar även värmevärdet, se Figur 5 (jämför Grot rå kont. med Grot TF kont.).
20,0
MJ/kgTS
15,0
10,0
5,0
0,0
VVeff,torrt
Grot rå
Grot rå kont.
Grot TF kont.
Grot TF kont. tvättad
Grot TF kont. Sållad
19,6
18,6
21,3
21,6
21,6
Figur 5. Effektiva värmevärdet (MJ/kt torrsubstans) på grot som passerat de olika
behandlingsprocesser.
Värmevärdessänkningen mellan den råa groten (Grot rå) och den råa förorenade
groten (Grot rå kont.) beror på utspädningseffekten av den tillförda inerta askan.
Omvänt beror ökningen av värmevärdet på det tvättade (Grot TF kont. tvättad) och
det sållade (Grot TF kont. sållad) torrefierade materialen i jämförelse med det
torrefierade materialet, på minskad askhalt.
Generellt sett avgår mellan 30-70% massprocent av bränslets klor i
torrefieringsprocessen, beroende på framförallt torrefieringstemperatur. Dock var
klornivåerna på eller under detektionsgränsen (100 mg/kg) för samtliga
biomassafraktioner förutom den förorenade och icke behandlade groten. Detta gör
att det för denna studie inte säkert går att säga hur mycket klor som avgick i
processen.
3.2
Tvättning och centrifugering Den initiala jämviktsfukthalten före tvättningsförsöken påbörjade uppgick till 11,1 %
för rå grot och 6,4 % för det torrefierade materialet. Efter snabbtvätten på 10
sekunder fick materialet rinna av i 3 timmar, varefter fukthalten bestämdes till i
medel 56,1 % på rå grot och 26 % på det torrefierade materialet. De observationer
som gjordes indikerade dock att en del av det tillförda vattnet var bundet till ytan och
12
BioEndev Report
inte hade absorberats av själva materialet. Därför användes en centrifug i försök att
avlägsna detta ytbundna restvatten.
Inför centrifugeringsförsöken tilläts inte materialen rinna av efter tvätten utan
centrifugerades omedelbart. De kombinerade resultaten från dessa tvätt- och
centrifugeringsförsök visas i Figur 6.
60%
Torrefierad
50%
Kontaminerad grot
Fukthalt
40%
30%
20%
10%
0%
0
20
40
60
80
100
120
tid (s)
Figur 6. Fukthalten i rå kontaminerad grot (Kontaminerad grot) samt kontaminerad torrefierad
grot (Torrefierad) som funktion av centrifugeringstid.
Den obehandlade biomassan höll en mycket hög fukthalt innan centrifugeringen.
Redan efter 10-15 sekunders centrifugering hade denna sänkts till <30 % för att
slutligen stabilisera sig på ca 25 % vilket är en fukthalt som mycket väl lämpar sig för
direktförbränning. Inga askhaltsanalyser gjordes på den råa tvättade groten.
För det torrefierade materialet visade det sig att den kombinerade tvätt- och
centrifugeringsmetoden var effektiv både med avseende på avlägsnande av
föroreningar (Figur 4) (askhalten minskade från 4,7 till 3,4%) och kvarvarande vatten
(Figur 6). Efter 10 till 15 sekunder hade fukthalten i det tvättade materialet nått ner
under 15 % och kort därefter stabiliserats på 12-14 %. Dessa låga fulthalter lämpar sig
ytterst bra för direktförbränning men även för ett eventuellt pelleteringssteg där det
normalt sett behövs fukthalter kring 11-12 % för att få pelletterna att binda ihop i
13
BioEndev Report
pressen. Vid ”normal” torrefiering i kombination med pelletering måste annars
materialet fuktas upp innan kompaktering.
3.3
Sållning Resultatet från sållningen föll väl ut. En signifikant ökning av askhalten i det
bortsållade materialet erhölls (42,9 %) samtidigt som askhalten i acceptet sjönk
avsevärt från 4,7 till 3,3 %. Dock kördes sållningsexperimentet under 5 minuter vilket
i sammanhanget är ganska lång tid. Troligtvis kan tiden för sållningen förkortas
avsevärt i framtida sållningsexperiment.
3.4
Elementaranalys och beräknade asksmältpunkter Elementaranalyser för de olika asksammansättningarna visas i Appendix 1 och
Appendix 2. Si, Al, Na, Fe och Ti minskar genom hela processen, till viss grad även K.
För att se detta måste halterna normaliseras mot torrefieringens massutbyte, d.v.s.
multipliceras med 0,81.
Mn och P förefaller vara helt opåverkade av samtliga behandlingsformer. Dessa är ej
tillsatta genom föroreningarna, men varken torrefiering, tvättning, centrifugering
eller sållning påverkar dessa halter. Igen måste halterna normaliseras mot
torrefieringens massutbyte, d.v.s. multipliceras med 0,81, för att detta ska kunna ses.
Även halterna av Mg och Ca förefaller vara tämligen opåverkade av behandlingen. Till
skillnad från Mn och P tillsätts dessa via Rådasand och bör därmed kunna avskiljas
genom tvätt/centrifugering eller sållning. Dock är halterna i Rådasand relativt låga
och osäkerheten vid provuttagen kan ha haft inverkan på analysresultatet
Beräkningar för asksmältpunkterna genom användning av det ternära fasdiagrammet
för systemet K2O-CaO-SiO2 med hög halt av SiO2 kan ses i Figur 7. Det framgår
tydligt att det förorenade provet når farligt låga asksmältpunkter av 1250°C. Särskilt i
rosterpannor kan dessa temperaturer uppnås i så kallade hot-spots där tillfälliga
luftstråk genom bränslebädden bidrar till kraftigare och intensivare förbränning och
därmed högre förbränningstemperaturer. Den höga temperaturen medför i sin tur att
en del av askan smälter och bildar slagg på rostret med driftsproblem och driftstopp
som möjlig påföljd. En hög asksmältpunkt är önskvärt i princip i alla
förbränningssammanhang eftersom slaggning och beläggningsbildning då undviks i
rosterpannor och agglomerering/defluidisering undviks i fluidbäddspannor.
Det bör påpekas att de specificerade temperaturerna i Figur 7 anger när askan är helt
smält och problem kommer att visa sig vid betydligt lägre temperaturer än vad
figuren visar, dvs. när askan börjar smälta och bli kladdig.
14
BioEndev Report
Figur 7. Asksammansättning i det ternära fasdiagrammet för systemet K2O-CaO-SiO2 och dess
ytor för smälta.
I Figur 7 kan man tydligt se att askans teoretiska smältpunkt höjdes 150°C till ca
1400°C när materialet gick igenom torrefieringsprocessen, vilket beror på att en del
av föroreningarna lossnade/avskiljdes av denna behandling. Att askhalten minskade
genom torrefieringsprocessen går även tydligt att utläsa i Figur 4.
Genom efterföljande tvätt/centrifugeringbehandling höjdes teoretiska smältpunkten
ytterligare 100°C till 1500°C alternativt 300°C till ca 1700°C när materialet sållades.
Tidigare studier [9] har visat att det även går att höja asksmältpunkten genom
inblandning av torv. Beräkningar på asksammansättning med 20%-ig inblandning av
torv från Stentjärn visar att teoretiska asksmältpunkten gick att höja ytterligare 50100°C i samtliga bränslefraktioner, se Figur 7, vilket resulterade i
asksmälttemperaturer på ca 1600°C för det tvättade och centrifugerade materialet
respektive 1800°C för det sållade materialet vilket får anses vara mycket högt och
därmed utom fara för substantiell slaggbildning i rosterpannor.
15
BioEndev Report
4. Ekonomi och skalfördelar för en fristående torrefieringsanläggning Ett principiellt flödesschema för en fristående torrefieringsanläggning återfinns i
Figur 8 och består av bränslemottagning, torksystem, torrefieringsreaktor, kylsteg
med tvättning/centrifugering som tillval, malning och kompaktering,
värmegenerering med panna och elgenerering som tillval. Det finns även möjlighet
att använda extern värme och el till processen.
Figur 8. Föreslaget flödesschema för en fristående torrefieringsanläggning
I Figur 9 visas den totala investeringskostnaden för olika storlekar på
torrefieringsanläggningar. I denna beräkning är anläggningarna fristående, det vill
säga de behöver endast kopplas upp mot elnätet men inte mot befintligt
distributionsnät för värme. De nyttjar samma teknik genom hela storleksspannet. En
anläggning med en produktionsvolym på 100 och 200 ktonTS/år innehållande ett
avancerat 2-stegs torkningssystem, värmeproduktion samt ångproduktion till
ångtorken, men ingen elproduktion och inget behov av extern värme kostar enligt
nedanstående beräkningar i storleksordningen 220 MSEK ±20% respektive 400
MSEK ±20%. För ytterligare information och värden kring dessa beräkningar se
Svanberg et al. 2012 [10].
16
BioEndev Report
Figur 9. Total investeringskostnad för en fristående torrefieringsanläggning.
Preliminära beräkningar för sammanlagda produktionskostnader vid olika storlekar
på anläggningen visas i Figur 10. Beräkningarna inkluderar investeringskostnader,
driftskostnader inkluderande internränta och avkastningskrav, kostnad för biomassa,
transporter till och från anläggningen. Dock innehåller beräkningarna inte övriga
och/eller ytterligare vinstmarginaler som eventuella delentreprenörer tar ut då dessa
varierar och därmed är svåra att uppskatta. De preliminära beräkningarna visar på en
nedre optimal produktionsvolym på ca 150 ktonTS/år. För ytterligare information och
värden kring dessa beräkningar se Svanberg et al. 2012 [10].
17
BioEndev Report
Figur 10. Ekonomi och skalfördelar för en fristående torrefieringsanläggning.
5. Diskussion och Slutsats Sammanfattningsvis har de båda metoderna för att avlägsna föroreningar sina för
och nackdelar och når i storleksordningen samma resultat. Dock behövs fler försök
för att avgöra vilken som är bäst lämpad med avseende på driftskostnader,
investeringskostnader och påverkan på miljön.
Direkt tvättning av förorenade torra skogsrester med en initial fukthalt på 11,1%,
direkt åtföljt av centrifugering, resulterade i en fukthalt på ca 25% vilket mycket väl
lämpar sig för direktförbränning.
Genom tvättningstesterna på det torrefierade materialet visades även på de ökade
hydrofoba egenskaperna hos det torrefierade materialet. Fukten på det tvättade
materialet visade sig till stor del vara bundet till ytan och hade därmed till största
delen inte absorberats av materialet. Om de förorenade skogsresterna däremot först
torrefierades åtföljt av tvätt samt centrifugering uppnåddes en fukthalt på 12-14%
vilket lämpar sig mycket bra för direktförbränning men framförallt för efterföljande
pelletering där man normalt sett behöver fukthalter kring 11-12 % för att få
pelletterna att binda ihop i pressen. Vid ”normal” torrefiering i kombination med
pelletering måste annars materialet fuktas upp innan kompaktering.
18
BioEndev Report
Båda dessa metoder kan dock potentiellt skapa ett vattenproblem eftersom fina
partiklar av torrefierat material kommer att blanda sig med tvättvattnet. Detta vatten
måste sannolikt renas innan det kan släppas ut i recipienten.
Det visade sig även vara möjligt att använda torrefiering i kombination med
tvättning/centrifugering eller sållning som en metod för att minska föroreningarna i
grot. Askhalten i den förorenade groten minskade från 5,7 % till 3,4 % i det
torrefierade och tvättade materialet och 3,3 % i det torrefierade och sållade
materialet.
Beräkningar av askans smältpunkt visade vidare att det förorenade materialet hade
en smältpunkt på kring 1250°C som genom tvättning ökade till 1500°C och genom
sållning till 1700°C. Inblandning av en speciellt utvald torv (Stentjärn A) ökade
asksmältpunkten ytterligare ca 50-100°C för alla studerade fraktioner.
Ett flödesschema för en fristående torrefieringsanläggning föreslogs och preliminära
beräkningar visar på en optimal nedre storlek motsvarande en produktionsvolym på
100-150 ktonTS/år. De preliminära beräkningarna visar på en investeringskostnad på
240 MSEK ±20% för anläggningen på 100 ktonTS/år och 420 MSEK för anläggningen
på 200 ktonTS/år.
19
BioEndev Report
6. Referenser 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Walton, R.A. and B.G.v. Bommel, A Compleate and Comprehansive Overview
of Torrefaction Technologies. 2011.
Bergman, P.C.A., Combined torrefaction and pelletisation The TOP process.
2005, ECN.
Bergman, P.C.A., et al., Torrefaction for biomass co-firing in existing coalfired power stations. 2005. p. 72.
Nordstedts, Nordstedts svenska ordbok. 2007.
Öhman, M., et al. Slag Formation during Combustion of Biomass Fuels. in
International Conference on Solid Biofuel, ICSB2009. 2009. Beijing.
Lindstrom, E., et al., Influence of sand contamination on slag formation
during combustion of wood derived fuels. Energy & Fuels, 2008. 22(4): p.
2216-2220.
Nordwaeger, M., et al., Parametric study on torrefaction of logging residues,
in Manuscript to be published. 2012.
Nordwaeger, M., et al., Parametric study on torrefaction of spruce wood, in
Manuscript to be published. 2012: Umeå.
Pommer, L., et al., Mechanisms Behind the Positive Effects on Bed
Agglomeration and Deposit Formation Combusting Forest Residue with Peat
Additives in Fluidized Beds. Energy & Fuels, 2009. 23: p. 4245-4253.
Svanberg, M., et al., Analyzing parameters affecting the size of a torrefaction
plant from a systems perspective. 2012: Gothenburg.
20
BioEndev Report
7. Acknowledgement Tack till forskarna på ETPC och SLU. Tack även till Efokus AB för samarbetet och
deras tålmodighet i projektet.
21
BioEndev Report
Appendix 1 Tabell för bränslets- och askans sammansättning i mg/kg.
α:
Test‐ metod Grot rå Grot rå förorenad Grot, förorenad torrefierad Grot, förorenad, torrefierad, tvättad Grot,
förorenad, torrefierad, sållad Grot
sålldamm Rådasand
Pinnmo Askaα SS 18 71 71:1 1.65% 5.65% 4.65% 3.45% 3.30% 42.90% Si Al Ca Fe K Mg Mn Na P Ti S C H N O ICP‐AES ICP‐AES ICP‐AES ICP‐AES ICP‐AES ICP‐AES ICP‐AES ICP‐AES ICP‐AES ICP‐AES SS 18 71 77:1 LECO CHN 1000 LECO CHN 1000 LECO CHN 1000 Calculated 616 39 5100 42 1740 528 324 51 476 10 260 514900 61900 3000 404000 15011 2255 5147 668 2648 633 356 898 533 60 300 500000 58000 4000 382000 9165 1355 6483 492 2690 736 445 550 690 48 300 557000 56000 5000 335000 4957 641 6441 362 2499 742 458 265 716 31 200 566000 57000 5000 338000 3937 457 6698 253 2599 760 483 177 781 14 300 572000 57000 5000 333000 143560 21334 17871 6953 12038 2714 1193 8458 1785 586 300 354000 35000 5000 185000 386000 50900 7600 7600 16700 1600 23300 506300 398334 46686 15453 30693 508834 Cl Flyktα SS 18 71 54:1 SS ISO 562:1 100 80.09% 200 75.70% 100 69.90% 100 70.10% 100 70.40% 100 41.40% % av torrsubstans.
Appendix 2 Tabell för askans sammansättning i olika delar i processen, normaliserade med avseende på massutbytet i torrefieringsprocessen.
3000
5100
15011
5147
7424
5252
4015
5217
3189
5425
2500
2000
Na
Mg
Al
mg/kg
Si
1500
P
S
Cl
K
1000
Ca
Mn
Fe
500
0
BioEndev Report
23