Transcript vi: bränslekvalitet utifrån askbildande ämnen

 VI: BRÄNSLEKVALITET UTIFRÅN ASKBILDANDE ÄMNEN MÄTNINGAR I EN 2 MW VÄRMEPANNA I KÄLVIÄ, FINLAND Detta är den sjätte (VI) och sista bulletinen i en serie omfattande sex delar som alla handlar om bränslekvalitet utifrån askbildande ämnen INTRODUKTION Ett av syftena med Forest Power var att utvärdera den rådande situationen och utvecklingen av anläggningar för produktion av närvärme och småskalig fjärrvärme. En nyckelfråga för denna sektor är utvidgningen av den nuvarande skogsbränslemixen för att inkludera även andra sortiment än stamved. Det är idag välkänt och demonstrerat att sådana nya askrika sortiment kan orsaka ökade askrelaterade problem och partikelutsläpp. Inom ramen för samarbete mellan UmU / ETPC, Central Ostrobothnia University of Applied Sciences Centria och Central Ostrobothnia Forest Owners Association, genomfördes därför mätningar med olika skogsbränslen i en 2 MW rosterpanna i Kälviä, Kokkola, Finland. Vid denna anläggning användes obarkade stammar (så kallad energived) och projektet fokuserades på att också inkludera GROT (grenar och toppar) som ett kompletterande sortiment. Syftet var att bestämma förbränningsprestanda (effektivitet), askbeteende, beläggningsbildning och emissioner under olika last och bränsleförhållanden. Dessa aspekter tillsammans med åtgärder för att förebygga och minimera dessa problem är beskrivna i mer detalj i bulletinerna I‐V av ETPC, Umeå Universitet. I denna bulletin beskrivs resultaten från fältmätningarna. Med hjälp av dessa erfarenheter tillsammans med övriga utvärderingar och rekommendationer från Forest Power kan anläggningsägare förhoppningsvis hitta information som stöd i processen att utvidga sin bränslemix och ändå hantera ökade krav på effektivitet, tillgänglighet och miljöprestanda. METOD VÄRMEPANNAN Pannan (2 MW) var utrustad med en stegroster med en askskrapa på varje steg. Primärluften tillfördes genom rostret och flödet blev därmed tvärströms genom bränslebädden. Sekundärluften tillsattes ca en meter över bädden. I denna panna transporterades bottenaskan via ett vattenbad till en extern askcontainer. Ingen rökgasrening var installerad förutom en 180‐graders böj efter pannan där en del stora partiklar separerades från rökgasen. Driften av pannan var automatiserad och styrdes mot lastbehovet i nätet. Anläggningen kan anses typisk för detta segment vad gäller design, utrustning och drift. BRÄNSLEN OCH DRIFTSINSTÄLLNINGAR Två sortiment med flisade skogsbränslen användes vid denna studie; energived (EV) och GROT. Energiveden bestod av obarkade stammar av tall och björk från närområdet. GROT‐sortimentet bestod av grenar och toppar av gran, vilket i denna studie (inför mätningarna) ansågs vara ett sämre bränsle jämfört med energiveden. Eftersom förbränningen och pannans prestanda påverkas av lasten så gjordes experiment vid två olika uteffekter med energived. Totalt tre kampanjer genomfördes inom ramen för detta projekt vilka redogörs för i tabell 1. Figur 1. 2 MW värmepanna i Kälviä, Finland. Foto från Martti Härkönen, Centria. Tabell 1. Experimentella förutsättningar för de tre mätkampanjerna vid anläggningen i Kälvia. (EV = energived, GROT = grenar och toppar) Tid Bränsle (mix) Last Kampanj 1 Nov 2009 EV (100 %) 50 % Kampanj 2 Feb 2010 EV (100 %) 100 % Kampanj 3 Nov 2010 EV / GROT (50 / 50 %) 75 % MÄTNINGAR OCH ANALYSER Askanalyser utfördes av ALS Scandinavia AB och övriga bränsleanalyser gjordes av Bränslelaboratoriet Umeå AB. Tre prov (1l per prov) för varje bränsle(mix) skickades till respektive laboratorium. Medelvärden används i resultatdelen nedan. Bränsleproverna togs vid upprepade tillfällen i bränsleskruven på väg in i pannan. Utvärderingen avseende förbränningsprestanda baserades på rökgasmätningar (gas och partiklar) och andelen oförbränt i bottenaskan. Rökgaserna (CO, CH4, NO, SO2, HCl, O2) analyserades med ett FTIR‐instrument. Oförbränt i bottenaskan analyserades enligt standardiserad metod (SS 187187:1) för ändamålet. Andelen oförbränt i rökgasburna partiklar bestämdes med SEM‐EDS analys av filterprover. Partikelfilter användes som standardmetod för att samla totalmängden partiklar (PMtot) i rökgasen. Dessutom nyttjades en 13‐stegs impaktor för att bestämma storleksfördelningen av partiklar i intervallet 0,01‐10 µm. Partikelprovtagningen skedde från en horisontell rökgaskanal efter en rökgasfläkt och ca 3 m före närmaste böj. Prover av bottenaska och slagg samlades in från rostret under drift för senare kemisk analys. Omfattningen av slaggningsproblem utreddes också genom visuell undersökning under eldningskampanjerna samt genom intervjuer med servicepersonal. Deponering på värmeöverförande ytor undersöktes med en kyld beläggningssond tillsammans med information från partikelprovtagningen med impaktor. Beläggningssondens stålringar kyldes med PID‐
reglerad tryckluft från insidan mot börvärden i form av temperaturavläsning i sonden med termoelement. Yttemperaturerna vid dessa mätningar sattes till 350 respektive 500°C för de två ringarna. Sonden monterades i den heta zonen just innan värmeväxlingen. Bottenaska, slagg och partiklar analyserades avseende kemisk sammansättning med två olika kompletterande metoder. Dels SEM‐EDS som är medger grundämnesanalys och dels pulverröntgendiffraktion som avslöjar sammansättningen av kristallina komponenter. RESULTAT OCH DISKUSSION BRÄNSLE Analysdata för de i studien ingående bränslena ges i Figure 2 and 3. Ash and slag collection from tabell 2 tillsammans med två referensbränslen som grate and FTIR measurement. Photos from jämförelse. SV = stamved. Värt att notera från tabell 2 Anu‐Sisko Perttunen, Centria. är att GROT bidrar till ett torrare bränsle samt en högre askhalt jämfört med energiveden. Energiveden har dock ca dubbelt så hög askhalt som referens stamvedsbränsle. Tabell 2. Bränsleanalyser. EV (50% last) EV
(100% last) EV/GROT mix (75% last) EV Ref* SV Ref
Moisture at 105°C (%)
Ash content at 550°C
37,2‐40,6 0,8 37,0‐40,5
0,6
27,4‐30,8
1,2‐1,8
7,2‐7,3
0,3
Effective heating value (MJ/kg DS) Volatile matter (% DS)
Carbon (%) Hydrogen (%) Oxygen (%) 19,2‐19,3 19,0‐19,2
19,4‐19,5
19,2
82,5‐83,0 51,4‐51,9 6,2‐6,3 41,0‐41,4 83,6‐84,0
50,3‐50,6
6,2
42,4‐42,7
79,3‐81,2
51,1‐51,4
5,9‐6,0
40,6‐41,3
85,6‐85,7
51,1‐51,4
6,2‐6,3
42,0‐42,3
*Analys ej tillgänglig Askhalten höjs med inblandning av GROT, men inga stora skillnader i askans sammansättning noterades, vilket ses i figur 4. Detta är en viktig iakttagelse när askans beteende ska utredas. Det är dock viktigt att komma ihåg att skogsbränsleleveranser är mycket heterogena och att stora lokala variationer ofta förekommer. Energiveden som användes i Kälviä (EV) innehöll något mer kisel (Si) jämfört med den svenska energived som användes som jämförelse (EWref). Detta tyder på större inslag av kontaminering i form av sand och/eller jord i bränslet. Figur 4. Halter av askbildande ämnen i de olika testade bränslena/mixarna samt en svensk energivedsreferens och stamvedsreferens. GENERELL FÖRBRÄNNINGSPRESTANDA OCH GASEMISSIONER Andelen oförbränt i bottenaskan var överlag hög; 40 % i första kampanjen, 90 % i andra och 70 % i tredje. Värdena är baserade på enstaka prov varför repeterbarheten är dålig, men halterna överensstämmer med observationer under drift. För att förbättra utbränningen behöver uppehållstiden på rostret förlängas. Det kan göras antingen genom att ändra askskrapans intervall eller genom att minska bränsleflödet. Uppstår problem med för låga temperaturer på rostret kan det bli nödvändigt att använda bränslen med lägre fukthalt, samt eventuellt också justeringar av tilluftsluftflödena. Gasutbränningen bedömdes utifrån halterna av CO och CH4. Under de tre experimenten varierade CO både under och emellan kampanjerna med halter som överlag låg mellan 500 och 3000 ppm (torr gas normaliserad till 10 % O2). Syrehalten i rökgasen var förhållandevis stabil. Resultat från mätningarna av gasemissioner är sammanställda i tabell 3. Ett resultat som går att se är att utbränningen av CO och CH4 inte var fullständig. De högsta halterna observerades under fallet med 100 % last. Halterna oförbrända gaser bidrar dock endast till en mindre effektivitetsförlust i storleksordningen 1‐2 %. Ur effektiviseringssynpunkt kan förbättringar göras genom att justera syreöverskottet, temperatur och uppehållstid samt turbulens i den sekundära zonen. Under full last uppmättes 4‐5 % O2 med CO i intervallet 1500‐3000 ppm. Detta indikerar att överskottssyret vid 100 % last i kombination med pannans design inte räcker till för att fullständigt förbränna bränslet. Tabell 3. Gasemissioner (med FTIR) redovisade som medelvärden med standardavvikelse (inom parantes). B CO2
CO
7,7(0,3) 18,6(0,3)
10,7(0,2)
600(100)
4,6(0,4) 23,3(1,0)
12,5(0,3)
1200(400)
Kampanj 3 EV /GROT 50/50 % 5,1(0,6) 19,5(0,6)
(last 75 %) 12,8(0,4)
700(100)
Kampanj 1 Kampanj 2 EV 100 %
(last 50 %) EV 100 %
(last 100 %) O2 %
H2O
mg/MJ CH4 NO SO2 HCl
6(2) 3(1) 4(0)
35(16) 30(3) 10(1)
6(1)
9(2) 30(2) 40(4) 7(2) 4(0)
När det gäller sotbildning så visade visuella inspektioner ljusa filter, vilket indikerar låga halter oförbränt i uppsamlade partiklar. Analys med SEM‐EDS visade dock något förhöjda halter under den andra kampanjen. Detta är i linje med resultaten från gasmätningarna som också indikerade problem med utbränning vid hög last. För mer information om pannans effektivitet och verkningsgradsberäkningar hänvisas till bulletinen skriven av Martti Härkönen, Centria. SLAGGNINGSTENDENSER I figur 5 visas en sorts sammansättningstriangel som egentligen är ett förenklat ternärt fasdiagram (se vidare bulletin IV, figur 1). I detta visas asksammansättning för de aktuella bränslena tillsammans med en mängd andra skogsbränslesortiment. Bara huvudkomponenterna, d v s de viktigaste för askegenskaperna, visas här. Utifrån detta ses att bränslena eldade i Kälviä (A, B och C) har liknande asksammansättning som andra skogsbränslen, särskilt energived, grot och bark. Dessutom ses att skillnaden mellan de olika sortimenten inte är anmärkningsvärd stor, frånsett stubbar. Även om totalsammansättningen för de olika bränslena ligger på betryggande avstånd från de lågsmältande områdena (d v s med 100 % smälta), så innebär inte detta att de är oproblematiska eftersom delar av askan ändå kan vara smält och leda till problem. Heterogenitet och fraktionering kan också göra att delar av askan smälter (se diskussion i bulletin 4). I figurerna 6 och 7 visas elementarsammansättningar av bottenaska och slagg analyserade med SEM‐
EDS. De visar stora skillnader mellan kategorierna där den mest slående skillnaden är de låga kiselhalterna (Si) i bottenaskan. En mer detaljerad kemisk förklaring hittas i tabell 4 som innehåller XRD‐resultaten. Bottenaskan innehåller en viss andel oxider och karbonater, vilka saknas helt i slaggen. Askan innehåller typiska mineraler såsom Ca/Mg‐silikater, men i lägre halter än i slaggproverna. Detta är en indikation på att bottenaskan har uppdelats i en silikatrik, mer lågtemperatursmältande slagg och i en CaO/MgO‐rikare mer opåverkad fraktion. Tidigare forskning visar att kalium (K) spelar en nyckelroll i bildandet av lågtemperatursmältande slagg. I denna studie påvisas kalium i analyser med SEM‐EDS men inte med XRD vilket visar att kalium föreligger i en amorf K‐rik glasfas, osynlig för XRD. Den svåra slaggbildning som observerades under kampanjen i November 2010 förklaras därför inte av en signifikant annorlunda aska, utan sannolikt av en högre askhalt. Under denna kampanj observerades stora block med slagg i pannan, vilka störde bränslebäddens rörelse och förflyttade förbränningszonen närmare bränsleinmatningen. Slaggklumparna fick till slut tas bort manuellt. FLYGASKA – BELÄGGNINGAR OCH SMÅ PARTIKLAR I tabell 4 visas sammansättningen av cyklonaska. Det är uppenbart att den grövre fraktionen påminner om bottenaskan. Det stämmer med antagandet om att denna fraktion härrör från de minsta partiklarna i bottenaska som är tillräckligt små för att föras bort från bädden med rökgaserna. De små (submikrona) partiklarna samlas istället på de lägre stegen i impaktorn (platta 1‐6). Dessa visar en mycket homogen sammansättning bestående huvudsakligen av KCl och K2SO4. SEM‐EDS‐analyser (figur 8) överensstämmer med XRD (tabell 4), men visar också låga halter av zink (Zn). SEM‐EDS‐
analyser utfördes även på stålringarna från beläggningssonden (figur 9). Sammansättningarna indikerar att beläggningen bestod av både grövre askpartiklar (cyklon‐typ) och finare partiklar (submikrona) där de senare dominerar, främst i form av K2SO4. Eftersom denna är relativt högsmältande resulterar dess närvaro i ganska harmlösa beläggningar som är lätta att avlägsna och inte heller särskilt problematiska ur korrosionssynpunkt. Den långt mer problematiska KCl syns här i mycket mindre mängd, men kan inte försummas. I figur 10 visas resultat från mätning av partikelstorleksfördelning. Generellt visar resultaten två moder, en finmod som består av alkalisalter (tabell 4 och figur 8) och en grovmod som inte analyserats fullständigt i denna undersökning. Grovmoden består dock erfarenhetsmässigt av liknande komponenter som cyklonaskan. En jämförelse av storleksfördelningarna mellan de olika kampanjerna (figur 10) visar att vid låg last och EV 100 % är mängden grova partiklar mycket liten och den totala partikelmängden domineras av submikrona alkalisalter. Vid hög last, fortfarande EV 100 %, så är grovmoden betydligt mer framträdande. Förklaringen är de betydligt högre gashastigheter som råder vi höglastförhållanden och dessa sveper med sig mer av de små partiklarna (fortfarande stora dock (>1 µm) jämfört med de kondenserade partiklarna) i bottenaskan. Vid 75 % last och inblandning av GROT var grovmoden förhållandevis låg, i nivå med EV 50 % ‐fallet. Finmoden var dock högre. Förklaringen är antagligen att en ökning från 50 till 75 % inte är tillräcklig för att öka medryckningen av bottenaska och/eller att en ökande andel av bottenaska bildar slagg. Ökningen i finmoden beror sannolikt på den ökade askhalten i bränslemixen som i sin tur leder till en ca 50 %‐ig ökning av kaliumhalten i bränslet. Högre halter av förångat kalium leder till större mängder fina partiklar. De totala partikelkoncentrationerna i rökgasen vid de olika kampanjerna visas i figur 11 som PMtot, beäknat som massa på filter + massa i cyklon. Också PM9 och PM1 från impaktorn visas, vilket motsvarar halterna partiklar mindre än 9 respektive 1 µm (aerodynamisk diameter). Påverkan från bränsle och last som beskrivits i figur 10 ses också i figur 11, dvs. högre alkaliinnehåll i bränslet leder till (för samma bränsle) mer fina partiklar och högre last ger mer grova. CaO (+MgO)
2570
1‐3 Stem wood
4‐9 Different assortments of energy
wood and forest residues
10‐16 Different assortments of bark and needles
10
17‐24 Stumps
4
A: EW 50% Load
B: EW 100% Load
C: EW/FR 75% Load
14
2 111
3
12
8
B A
18
C
13
15
17
57
6 19
21
16
1436
2324
20
9 22
1727
K2O (Na2O)
~700
SiO2
Figur 5. Ett förenklat ”ternärt” fasdiagram (förenklat genom att K2O och Na2O samt CaO och MgO har adderats, respektive) där endast ett antal isotermer för fullständig uppsmältning återges. Asksammansättningen (med avseende på komponenterna i diagrammet) för ett antal trädbaserade bränslen finns markerade i diagrammet. Figur 6. SEM‐EDS‐analyser av bottenaska. Medelvärden och standardavvikelser från 6 prover. Figur 7. SEM‐EDS‐analyser av slagg. Medelvärden och standardavvikelser från 6 prover. Tabell 4. XRD‐analyser (viktprocent) av bottenaska (BA), slag, cyklonaska och PM1 (FM). Nov. 2009
BA SlaggCykl. FM
SiO2
KAlSi3O8
NaAlSi3O8
(quartz)
(microcline)
(albite)
MgO
CaO
Ca(OH)2
CaCO3
K2Ca(CO3)2
K2SO4
K3Na(SO4)2
CaSO4
KCl
(periclase)
(lime)
(portlandite)
(calcite)
(buetschlite)/(fairchildite)
(arcanite)
(aphtialite)
(anhydrite)
(sylvite)
Ca5(PO4)3(OH) (apathite
Ca3Mg(SiO4)2
Ca2MgSi2O7
CaMg(SiO3)2
Ca2SiO4
CaMgSiO4
KAlSiO4
SUM
(merwinite)
(åkermanite)
(diopside)
13
4
4
2
6
13
Feb. 2010
BA SlaggCykl. FM
1
1
2
6
2
2
14
12
4
5
8
15
5
10
5
3
4
16
21
4
6
5
93
4
4
12
10
21
13
12
6
4
48
66
4
27
5
25
4
99
1
90
96
10
4
2
7
(monticellite)
(kalsilite)
7
18
6
6
11
11
4
5
Nov. 2010
BA SlaggCykl. FM
99 101 100
14
17
13
4
2
19
20
31
45
15
33
25
3
10
8
100
10
99 100 100
100 100
0 100
Figur 8. SEM‐EDS‐analyser av partiklar (PM1). Medelvärden och standardavvikelser från 6 prover.
Figur 9. SEM‐EDS‐analyser av beläggningar (sondprover). Medelvärden och standardavvikelser från 6 prover. Figur 10. Partikelstorleksfördelningar (aerodynamisk diameter) från impaktorprover. Medelvärden med standardavvikelser markerade. Figur 11. Partikelemissioner som PMtot (filter+cyklon) och PM9 samt PM1 (impaktor). Medelvärden med standardavvikelser angivna. FÖRFATTARE Christoffer Boman Jonathan Fagerström Dan Boström Markus Broström Rainer Backman Umeå Universitet Energiteknik och termisk processkemi (ETPC) Institutionen för tillämpad fysik och elektronik [email protected] Anu‐Sisko Perttunen Kari Manninen Martti Härkönen Lasse Jansson Central Ostrobothnia University of Applied Sciences [email protected] Pentti Etelämäki Central Ostrobothnia Forest Owners Association [email protected] 9.11.2011 Europeiska unionen
Europeiska regionala utvecklingsfonden
Gränsöverskridande samarbete över fjäll och hav