Transcript Framtidens pelletsfabrik

Projekt SWX-Energi
Rapport nr 3
Framtidens pelletsfabrik
BICEMA AB
2
Förord
Rapporten Framtidens pelletsfabrik bygger på underlag framtaget av Agne Mattson, BICEMA AB, på uppdrag av projekt SWX-Energi. När inte annat anges i
bild/figurtext är bilder och figurer enligt BICEMA AB.
Rapportens syfte är främst att beskriva möjliga teknikutvecklingar vid pelletstillverkning och vilka möjligheter det ger inom Värmlands, Dalarnas och Gävleborgs
län.
Dagens pelletsproduktionsteknik kan sammanfattas som sönderdelning och sammanpressning av bioråvara av växlande kvalitet i maskiner som har sitt ursprung
för fodertillverkning. Pellets är en bulktransportform av energi som har många fördelar men också inbyggda brister både fysikaliskt och kemiskt.
Dagens bränslepellets kan jämföras med produktion av etanol som fordonsdrivmedel. På fordonsbränslesidan satsas för att få fram bättre och effektivare produkter
genom ny teknik och nya tankesätt.
Det forskas och testas för att förbättra dagens pelletsproduktionsteknik och det går
att göra förbättringar, men det råder brist på kunskap om det är långsiktigt värt att
satsa på dagens eller ny teknik.
För att visa industrin på de möjligheter som finns att utveckla pelletstillverkningen
genom nya råvaror, maskiner och processanpassning, har en konceptstudie genomförts av BICEMA AB. Den omfattar hantering av råvara fram till färdig pellets i
framtidens pelletsfabrik år 2020.
Teknik för hela kedjan från råvara till ny eldningsutrustning finns redan i befintlig
industri liksom tankar om hur den nya pelletstillverkningen kan byggas upp. Frågan är bara om och när någon vågar/vill pionjärsatsa.
2010-06-29
Lars Persson
Projektchef, SWX-Energi
O653-77211, 070-2117896
[email protected]
Jonas Berghel
Projektledare, delprojekt Pellets
054-7001247, 070-3471026
[email protected]
3
Innehållsförteckning
Förord ..................................................................................................................... 3
Sammanfattning .................................................................................................. 5
Inledning ................................................................................................................ 6
Pelletskvalitet ....................................................................................................... 8
Teknikval för framtidens pelletsfabrik ..................................................... 10
Aktuella frågor vid förbättringsåtgärder i befintliga anläggningar:................ 11
Aktuella frågor i samband med ombyggnationer: ............................................. 11
Aktuella frågor i samband med nybyggnation: .................................................. 11
Råvaror................................................................................................................. 12
Lagring av råvara ............................................................................................. 14
Torksystem .......................................................................................................... 15
Processval ............................................................................................................ 16
Pelletspress .......................................................................................................... 19
Ekonomi ............................................................................................................... 20
Standardpellets ...................................................................................................... 20
Superpellets ............................................................................................................ 20
4
Sammanfattning
För att visa industrin på de möjligheter som finns att utveckla pelletstillverkningen
genom nya råvaror, maskiner och processanpassning, har ett projektarbete genomförts. Det omfattar hela pelletskedjan från råvara till färdig pellets i en tänkt framtida pelletsfabrik.
Kunskaper har hämtats från både massaindustri och boardindustri där sammanpressning av fibrer har pågått mycket länge. Genom att sammanföra närliggande
branschkunskap med pelletsindustrins kunskaper finns goda möjligheter till att utveckla ny teknik.
För att kunna bygga en processkedja som både kan styras och regleras krävs att
man har kännedom om råvarans egenskaper. Genom att skapa ett så homogent material som möjligt, lika långa, lika tjocka, lika fukthalt, etcetera får man ett bra material för processen. Nyckelordet är lika för att minska inbyggda spänningar i pelletsen.
En modern boardfabrik har en högre tekniknivå än dagens pelletsfabriker. Genom
att välja relevanta delar från boardindustrin uppnår man möjlighet att åstadkomma
väsentligt förbättrad produktkvalitet i en utvecklad bränslepellets.
För att åstadkomma en superpellets, en produkt med mycket bättre hållfasthet och
mindre benägenhet till fuktupptagning krävs att man skapar en högre temperatur
och att pressförloppet sker inom det plastiska området. Det innebär då att ett stabilt
slutläge kan uppnås med lägre presskraft och att materialets egna ligninbindningar
aktiveras till en mycket stabil slutprodukt med överlägsna egenskaper.
Investeringsbeloppet blir 3-4 gånger högre än för dagens standardfabriker. Det ger
en effektivare process, råvaruflexibelt sänkta råvarukostnader med samtidigt högre
produktkvalitet, samt väsentligt sänkta torkningskostnader. Det gör att det går att
tillverka en avancerad produkt med jämn kvalitet, och med totalkostnad per ton i
samma nivå som med dagens pelletsteknologi. Dessutom med en klar potential att
sänka totalkostnaden med 5 till 15 %.
5
Inledning
Värmland, Dalarna och Gävleborg bildar en region, där skogsindustri och bioenergi
har stor betydelse för sysselsättning och ekonomi. Efterfrågan på biobränslen ökar
successivt. De olika sortiment, som tas ur skogen eller som genereras i de industriella processerna, kompletterar varandra på ett för alla regionens parter positivt sätt.
Det är viktigt att behålla förutsättningarna för en långsiktig och hållbar tillgång till
biobränslen.
År 2008 gjorde Gävle Dala Energikontor, i samband med ansökan om projekt
SWX-Energi, en genomgång av vilka kvantiteter ej utnyttjad förnybar bioråvara
som fanns att tillgå inom de tre länen Värmland(S), Dalarna(W) och Gävleborg(X).
Sammanställningen grundade sig på tidigare genomförd inventering. Den omfattade förnybar bioenergiråvara som beräknades kunna bli ekonomiskt utnyttjbar inom
en tidsrymd på 5-10 år, beroende på hur snart teknik och lösningar utvecklas för att
utnyttja tillgångarna till fullo. Enbart tillgångar som ej konkurrerade med naturvårdsanspråk, skogsindustri och livsmedel- och foderförsörjning togs med. De tre
länen är samtliga skogslän och i runda tal var tillgången ca 3 TWh skogsråvara per
län och gemensamt ca 1 TWh inom jordbruksmark och långsiktigt förnybar torvmark.
Ett sortiment inom biobränslen är bränslepellets (pellets). I Sverige är bränslepellets en produkt som på 30 år utvecklats från produktionsvolymer på några 10 000
ton/år från början av 1980-talet till idag en volym av 1,8 – 2,0 miljoner ton/år.
Fördelarna med att förädla/komprimera biobränslen med en fukthalt kring 10 %
eller därunder kan sammanfattas med att det:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Ger ett enhetligt bränsle
Ger lagringsbeständighet
Ger enklare lagring och transport
Kan produceras året om = lägre kostnader
Ger ett högre värmevärde
Ger en ökad pannverkningsgrad
Ger möjlighet till snabb pannreglering
Ger renare rökgaser
Ger mer lättskötta bränsleanläggningar
Gör att eldningsanläggningar kan regleras till lågt effektuttag
Pellets har inte bara fördelar. Det finns åtskilligt att utveckla för att det ska bli ett
mer konkurrenskraftigt bränslesortiment.
De problemområden som kan identifierats i kedjan från råvara till färdig värme
med bränslepellets är:
•
•
•
•
•
Smulbildning
Transporthållfasthet
Dammbildning
Tillverkningsprocess
Omlastning
6
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Förpackning
Leverans
Användning
Råvaruflexibilitet
Energieffektivitet
Torkning
Miljötorkning – inga VOC-utsläpp (VOC=lättflyktiga organiska föreningar)
Emissioner vid tillverkning
Process och styrning
Kostnadseffektivitet
Om man vill möta kraven från användarna av pellets och enkelt kunna anpassa sig
till olika råvaror kommer det att ställas nya krav på produktionskedjan för pellets.
Dagens pelleteringsteknik är en kvarleva från foderindustrin och är inte optimerad
till att pressa ihop träfiber. En konceptstudie bör kunna hämta kunskap från både
massaindustri och boardindustri, där sammanpressning av fibrer har pågått mycket
länge. Genom att sammanföra närliggande branschkunskap tillsammans med pelletsindustrins kunskaper finns goda möjligheter att utveckla ny teknik.
Även genom att använda nya råvaror skapas nya möjligheter. Genom att göra en
framtidsstudie kan man visa på de tekniksprång som kan komma att ske inom en
10-års period. Syftet med den här rapporten är att beskriva möjlig teknikutveckling
i pelletstillverkningen, samt hur detta påverkar användning av biobränslen i SWXlänen.
Målet är att beskriva vad en ökad efterfrågan av biobränslen innebär för följande
områden:
•
•
•
•
Hur man möter ett ökat krav på pelletskvalitet
Råvarans betydelse på pelletsprocesskedjan.
Framtidens pelletsfabrik
Pelletsekonomi
7
Pelletskvalitet
Bränslepellets framställs genom sammanpressning av ett finfördelat material med
låg fukthalt. Beroende på hur bränslepellets kommer att användas ställs det olika
kvalitetskrav som påverkar slutprodukten. Om användning är som bränsle direkt,
blir ett viktigt kvalitetskrav att bränslepellets ska klara transport och hantering fram
till förbränning. Om användningsområdet är råmaterial för uppslagning och "pulvereldning" är inte hållfastheten lika viktig. Då ställs istället ökat krav på materialets ingående partikelfördelning och egenskaper som ger "jämnhetskaraktär" vid
uppslagningen före eldningen. Kvalitetsegenskaper för hållfasthet, sönderdelning
och form med mera kan byggas in före pelleteringen.
Pelletskvalitet klassas enligt parametrar som hållfasthet och andelen finfraktion,
fukthalt, askhalt, längd, asksmältpunkt, densitet och värmevärde. Vissa kvalitetsegenskaper beror av råvaran, och andra på en kombination av råvaran och pelleteringsprocessen. Det finns en kvalitetsklassificering av pellets, SS 18 71 20, där
kvaliteten delas in i tre grupper, se tabell 1, nedan.
Tabell 1. Kvalitetsklassificering av pellets, SS18 71 20
För att klassas som pellets får diametern ej överstiga 25 mm. Diametrar som förekommer är 6, 8 och 10 mm, varav 8 mm är den vanligast förekommande i Sverige.
Olika diametrar har olika egenskaper, och generellt sett ger mindre pellets en jämnare förbränning. Vid övergång från en diameter till en annan kan det krävas justeringar i förbränningsprocessen, det går till exempel lättare att blåsa in luft i en bädd
med stora pellets än med små, och små brinner ut snabbare. Matarskruvar kan också behöva justeras. Stora diametrar kan ge problem i matarskruvar i små anläggningar.
För längden finns det endast en övre gräns. Eftersom den är beroende av diametern,
gör större diameter att längre pellets tillåts. Långa pellets kan fastna i fallschakt och
matarskruvar. De bryts dessutom lätt sönder vid bulkblåsningar och i matarskruvar,
med damm och finfraktion som följd. Långa pellets innebär ofta lägre bulkdensitet.
Alltför korta pellets är inte önskvärt. Korta pellets ger en större andel ändyta i rela8
tion till volymen, och det är till största delen ändytorna som är upphov till finfraktionerna. Är längden mindre än diametern, blir det den som avgör brinntiden för
den enskilda pelletsen, det vill säga att pelletsen inte i lika hög grad kan betraktas
som ett homogent bränsle. För att kunna finjustera förbränningen är det önskvärt
med liten variation i längd, så att inmatningen per varv på matarskruven kan hållas
konstant.
Densitet och hållfasthet är viktiga kvalitetsmått, och de har ett starkt inbördes samband. Hållfastheten mäts genom ett skaknings- och sållningstest, varvid andelen
avskilda finfraktioner noteras. Mätningarna görs vid producentlagret. Pelletsen
kommer att genomgå en omild behandling på sin väg från producent till kund och
till sist in i förbränningen. Bulkblåsningar sliter hårt liksom matarskruvar. Bestämningen ger därför endast en fingervisning om den slutliga mängden finfraktion vid
förbränningen.
Problem med finmaterial innebär bland annat svårighet att kontrollerat tillföra rätt
mängd bränsle, med volymmatande skruvar, relaterat till inställda luftkvoter och
bra förbränningseffektivitet. Det fina materialet har också en tendens att bli kvar i
lagret och kan ge problem och igensättningar i matningssystemet. Hälsofara och
risk för dammexplosioner finns vid hantering av pellets med stor andel finfraktion,
se figur1.
Figur 1. Inlastningsficka: för avdamning i luftsikt innan pelletsen förpackas i påsar
9
Teknikval för framtidens pelletsfabrik
Bakgrunden och ursprunget till dagens maskinval och produktionsupplägg är anpassat för lantbruksbehov och tillverkning av djurfoderpellets. Råvarorna för djurfoder skiljer sig dock väsentligt i jämförelse med trä- och cellulosafiber. Det innebär andra förutsättningar när det gäller storleksanpassning, torkning och komprimering med mera.
Idag aktuella fabrikskoncept har vanligen en volymmatande teknik. Ingående material har över tiden varierande storleksfördelning, fukthalt och volymvikt, vilket ger
ostabil systemfunktion snarare än styrbarhet till jämn produktkvalitet inom valda
kriterier. Ingående material torkas och överstor fraktion mals i hammarkvarn med
såll före pelleteringspressen. Det ger en storleksreduktion på det överstora råmaterialet (säg > 8 mm). Vid malning av den torra grova fraktionen produceras då samtidigt som biprodukt motsvarande ökad mängd damm och finfraktion, material som
är orsaken till många av de olägenheter man vill undvika.
Massandel i %
längd efter sållning
Figur 2. Normal fraktionsfördelning efter malning.
Volymmatning skapar ibland problem då det finns variationer i densitet och fukthalt. Processystemet och styrningsstrategin bör därför relateras till massan vid
100 % TS (TS = torrsubstans) i respektive processteg och samhörande fuktkontroll.
För att komma vidare med nödvändiga förbättringar och kunna öppna för bättre
framtida vägval i teknikutveckling gällande kvalitet och ekonomi, krävs att man
inför processbaserade maskin- och systemlösningar. Det kan göras med förebilder
bland annat från skivindustrin, där lång erfarenhet finns om teknik för förädling av
cellulosabaserade råvaror.
10
Framtidens fabrik behöver vara uppbyggd så att man kan hantera och ta emot en
mer varierad råvarubas.
Beroende på om man planerar förbättringsåtgärder i den löpande verksamheten,
ombyggnad av befintlig fabrik eller att bygga en ny fabrik, är möjligheterna till
förändring olika.
Nedan finns en sammanställning över vilka frågor, som kan vara intressanta att
utreda när man planerar en förändring:
Aktuella frågor vid förbättringsåtgärder i befintliga anläggningar:
• Bindningskvalitet (hållfasthet)
• Bränslekvalitet (slaggbildning m.m.)
• Maskinslitage-(Matriser-Rullar)-Materialfrågor-Maskindesign
• Kapacitet gångtid på matriser och rullar
• Materialets fukthalt och behov av torkning
• Form- och storleksjämnhet
• Kvalitetsspecifikation på råvaror
Aktuella frågor i samband med ombyggnationer:
• Maskinval, möjlighet till processändring
• Råvarufrågor, ökad flexibilitet
• Förbehandling av råvara.
• Defibrering
• Fraktionering
• Energieffektivisering vid torkning
• Pelletering (gångtid relativt förbehandling)
• Lagring-Transport-Förbrukning
Aktuella frågor i samband med nybyggnation:
• Processval
• Produktflexibilitet-Kvalitet
• Ekonomi, Investering-Drift-Underhåll
• Teknikval som kan ge nya produktfördelar
• Fiberegenskaper och funktionskvalitet vid produktion respektive användning
11
Råvaror
Inom SWX-länen finns ca 9 TWh skogsbiobränsle och ca 1TWh torv/åkerbränsle
ej utnyttjad förnybar bioenergiråvara. Om man skulle använda detta i en enda pelletsfabrik krävs 8 000 driftstimmar per år med kapaciteten 250 ton/timme eller 10
fabriker med mer rimliga 25 ton/timme.
Så enkelt är det nu inte att all råvara kommer att bli tillgänglig för pelletsproduktion. Det blir konkurrens om råvaran med värmeverken, drivmedelsindustrin och
kanske även annan kemisk industri. Övriga användningsområden för biomassa
kommer att påverka tillgängligheten. Den framtida betalningsförmågan kommer att
avgöra var råvarutillgången hamnar.
Av de 9+1 TWh, som är tillgängliga inom SWX-länen, bedöms biomassa i storleksordningen 2-3 TWh bli tillgänglig för biobränsleförädling. Detta betyder att 2-3
nya anläggningar på 25 ton/h utspridda i de tre länen kan byggas. Det vill säga 2-3
anläggningar med en kapacitet av ca 200 000 årston per anläggning.
Anläggningarna placeras lämpligen så att transporterna av skogsråvaran minimeras.
Med tanke på dagens råvarubalans är det troligt att det i första hand blir nyetableringar inom Värmlands och Dalarnas län.
Råvarorna som används till förädlade biobränslen kan delas in i tre nivåer beroende på förädlingsgrad, se figur 3 nedan.
Nivå 1, torrflis och kutterspån är torkade och processade material från sågverken.
De kräver liten förbehandling innan de kan pelleteras.
Nivå 2, flis och sågspån kräver en torkning från ca 50 % fukthalt till ca 10 %.
På nivå 3, skogen (grot, stubbar, m.m.) och energigrödor (+torv) har ingen förprocess skett. Detta ställer ytterligare krav på hanteringen och om dessa sortiment ska
användas krävs en välplanerad process före pelletering på grund av råvara kontaminerad med jord, grus, med mera.
Figur 3. Insatser i processkedjan och därmed kostnader. Olika nivåer på förädling
av biobränsle
12
Sågspån blir successivt en knappare råvaruresurs i pelletsindustrins expansion. Nya
pelletsråvaror medför att handelsvaror i form av till exempel helträd, grot, flis,
hackade eller rundbalade stråbränslen, eller annat kan bli aktuella.
Dominerande kostnadsdel i färdig pellets är råvaran, som uppgår till 50-65 % och
därefter torkning med 15-20%. För kostnadseffektivitet behöver man därför aktivt
kunna köpa de olika råvaror som finns tillgängliga lokalt med den för dagen bästa
prisbilden.
Vid utformning av processanläggningar måste man ta hänsyn till skillnader vid
processdesign och dimensionering om det är fråga om cellulosaråvaror eller foderråvaror. En viktig parameter är att göra olika material likformiga i processen, till
exempel storleksfördelning, se figur 4 nedan.
Figur 4. Olika styckestorlek på ingående råvaror
För att kunna bygga en processkedja som både kan styras och regleras krävs att
man har kännedom om råvarans egenskaper. Genom att försöka skapa ett så homogent material som möjligt, lika långa, lika tjocka, lika fukthalt, och så vidare får
man ett bra material för processen. Nyckelordet är lika för att minska inbyggda
spänningar i pelletsbränslet. Om spänningarna minimeras ökar pelletskvaliteten.
13
Lagring av råvara
Naturlig vedråvara har vanligen en vattenhalt av ca 50 %. För att torka ner vedråvaran till 10 % vattenhalt behöver man avdunsta 889 kg vatten per ton Ts.
Lagras vedråvaran ca 3 månader, bland annat för att ta bort en del av terpener för
tall, och om den samtidigt utsätts för nederbörd, är det inte ovanligt att råvaran tar
upp fukt till ca 60 % vattenhalt, se figur 5 nedan. Innebörden blir då att man behöver torka bort 1324 kg vatten per ton Ts. Man har genom den valda lagringen skapat ett extra och onödigt torkningsbehov av 435 kg vatten per ton Ts. Vid en produktion av 200 000 årston motsvarar det att man skaffat sig ett extra onödigt torkbehov av 87 000 ton vatten för avdunstning. Det innebär en extrakostnad för 84
GWh torkenergi.
Figur 5. Spånlager som är utsatt för sol, regn och vind.
14
Torksystem
Torkprocessen för pelletsproduktion ger möjlighet till energieffektiv el- och värmeproduktion om det finns ett närliggande värmebehov till exempel fjärrvärmenät.
Nyetableringar har under en tid därför gärna skett i utkanten av små och medelstora
samhällen. Etableringarna har visat sig ha en potential att vara kostnads-, miljö-,
och energieffektiva.
Inom pelletsindustrin kan man vid nyetableringar använda ångtorkar och slutna
rökgastorkar, se figur 6 nedan. I ett slutet torksystem är en minimering av den tillförda energin per torkad enhet bara en del av energioptimeringsproblematiken. Den
andra delen består i att maximera elproduktionen och den totala återvinningsbara
energin i kondensorn. Överslagsberäkningar tyder på en mycket god lönsamhet
med hög energieffektivitet och låg miljöbelastning för en sådan anläggning.
Figur 6. Rökgasvärmd roterande trumtork för spåntorkning.
Rökgaser tillförs för torkning och går med förångat vatten ut via skorsten. Torkningsångorna ut innehåller bland annat från torkgodset avgivna terpener. På sikt
kommer inte utsläpp av dessa att accepteras. Både energimässigt och miljömässigt
finns det betydande tekniska och ekonomiska potentialer att, i kombination med
elproduktion, sluta torkningsprocessen och torka indirekt med överhettad ånga.
Inom pappersindustrin har man under en längre tid arbetat hårt med att energieffektivisera sina anläggningar med den uttalade målsättningen att öka elproduktionen.
Investeringskalkylerna har blivit mycket fördelaktiga på grund av ökade elpriser
och elcertifikat.
15
Processval
Sågspån är idag grundråvaran vid framställning av pellets. Sågspånets karaktär
bestäms av sågsnittets bredd som vanligtvis är ca 3 mm i dagens sågverk. (1 mm av
sågsnittet betyder ca 10 % för utbytet av sågat virke, sågtekniken eftersträvar därför
ett så smalt sågsnitt som möjligt men tillräcklig bredd för stabilitet på sågklingan
eller sågbandet för att åstadkomma formnoggrannhet på det sågade virket.)
I dagens processer går råmaterial, i huvudsak sågspån, först till ett torkningssteg
och därefter till hammarkvarn för malning av oacceptabel överstor finfraktion och
då skapas på samma gång en motsvarande mängd oönskad dammande finfraktion
Figur 7. Bild till vänster ovan visar ett sågspån som uppdelats i tre storleksfraktioner med sållning: Grovfraktion 28 % > 2,57 mm, mellanfraktion 44 % >0,88<
2,57mm och finfraktion 28 % < 0,88 mm. Bild till höger ovan visar ett annat ingående material uppdelat i en, fin mellan, respektive grov fraktion.
Den grova fraktionen har mindre yta per vikt, mellanfraktionen har något större yta
per vikt och finfraktionen har störst yta per vikt. Den fina fraktionen torkar snabbare och blir övertorr, mellanfraktionen får medelvärdet och den grova fraktionen blir
fuktigare än genomsnittet.
Om ingående material i den pressade pelletsprodukten får ett inbyggt fuktspridningsspann, eftersträvar den färdiga produkten att gå i balans till materialets jämviktsfuktkvot med omgivande luft. Det torra materialet tar upp fukt och frigör då
värme som gör att pelletsens inbyggda mekaniska spänningar från pressteget frigörs och kan förorsaka att pelletsen faller isär.
16
För att optimera pelletsens hållfasthet behöver man processmässigt kunna styra det
ingående materialets storleksfördelning, som är en viktig parameter för en processmässigt styrd fuktspridning ut från torkningssteget.
För att uppnå jämnhet i torkningsgrad på de olika delfraktionerna i torkprocessen,
är det viktigt med begränsad spridningen i finfraktion - grovfraktion in till torkningsprocessen. Det vill säga, att ett bredare spann på storleksfördelning för nya
råvaror in i processen kräver en malningsteknik (anpassad till cellulosamaterial)
som gör att vi kan styra till och producera en väl sammanhållen storleksfördelning
in till torkningsprocessen. Detta är viktigt för att uppnå en hög torkningskvalitet.
Övertorkade fraktioner är den främsta orsaken till att pellets faller isär till följd av
hygroskopisk värmeutveckling vid fuktupptagning och anpassning till godsets jämviktsfuktkvot och därmed frisläppta inre spänningar.
För optimering av förbränningsegenskaperna är det viktigt att man genom en styrbar process kan välja partikelstorleksfördelningen på materialet som en enskild
pellets sammansätts av, och att detta sker med jämn förutsägbar slutkvalitet, se figur 8 nedan.
Figur 8. Flis med trycksatt defibrering vid 165°C, som har överförts till långa smala fiberknippen med god bindningsförmåga utan dammande egenskaper och flis
med icke trycksatt defibrering, som har överförts till ett homogent material som ej
dammar.
För att göra superkvalitet på pellets, en kvalitet som inte finns idag, kan man göra
en uppdelning av malgodset vid defibreringen, före torkning och komprimering.
Kvalitetsfaktorn för optimal funktion vid förbränningsprocessen är specifik yta, det
vill säga yta per vikt på de enskilda frilagda partiklarna. Bland annat påverkas utsläppsdata genom en sådan kvalitetsoptimering av partikelemission och förbränningsverkningsgrad. Det gäller för NOX- nivå, kolmonoxid och andel oförbrända
kolväten, m.m.
17
Det går att nå betydande optimeringspotential genom att förbättra inre funktionsegenskaper för nya produkt- och funktionsändamål. En viss produktspecifikation
kan, trots kanske högre kostnad, ge en värdefullare ny total systemfunktion och
innebära kostnadsfördel i slutänden. Högtemperaturprocesser är bland annat ett
sådant område där man till exempel kan minska el- och oljebehov.
Tekniken i en modern boardfabrik har en högre teknologinivå än dagens pelletsfabriker. Genom att välja relevanta delar från en sådan process uppnår man möjlighet
att åstadkomma väsentligt förbättrad produktkvalitet i en utvecklad bränslepellets.
Man kan använda flera olika råvaror men processa dessa till likhet, vilket innebär
möjlighet till väsentliga kostnadsbesparingar.
Figur 9. Samband mellan ligninets fukthalt och smälttemperatur fritt efter Goring
1971.
Dagens pelletspressningsförlopp sker huvudsakligen inom det elastiska materialområdet under kurvan i figur 9. I slutfasen av pressförloppet nås kurvan underifrån.
En mekanisk kompression av det ingående materialet krävs till en nivå över brottgränsen för att en pellets inte skall återfjädra och falla sönder vid utmatningen ur
pressmatrisen.
För att åstadkomma en superpellets, en produkt med god hållfasthet och minskad
benägenhet till fuktupptagning, krävs att man använder en högre processtemperatur
och att pressförloppet sker inom det plastiska området ovanför kurvan i figur 9. Det
innebär då att ett stabilt slutläge kan uppnås med lägre presskraft och att materialets
egna ligninbindningar aktiveras till en mycket stabil slutprodukt.
18
Pelletspress
En tillverkad pellets idag har främst optimerats som en lagrings- och transportform
för energi. Pelletsen byggs vid pressningen upp av ett utgångsmaterial som komprimeras till ett slutläge.
Kan beskrivas från: 1 Övergripande storlek 2 Inbördes geometri 3 Partiklarnas yta
4 Ytans kemiska egenskaper, se figur 10.
Figur 10. Bilden överst till vänster är ett torkat originalsågspån som pressats till
pelletsen överst till höger. Bilden nedan till vänster ett defibrerat returmaterial
som pressats till pelletsen till höger
Slutprodukten pellets framställs via en kombination av ovan illustrerade delegenskaper, som tillsammans utgör en komplex kedja av fysikaliska och kemiska faktorer. Vald produktionsprocess påverkar mikrostruktur, produktegenskaper, mekaniska bindningar, kemiska bindningar och slutligen produktens funktionsegenskaper.
Nedan visad pelleteringspress (figur 11) är principiellt intressant på så sätt att man
har två mot varandra roterande och pressande helmatriser. Den ”fria ytan i pressnypet” blir på så sätt dubbelt så stor och får ett dubbelriktat materialflöde, i jämförelse med i dag vanligaste pelletspressarna som har en hålmatris och flera ”täta
pressrullar” med materialflödet åt ett håll. Högre linjetryck i pressnypet ”för dubbelvalspressen” och en tjock matris gör också att man kan åstadkomma hög densitet på pelletsen. Pressprincipen bör genom att ”den är dubbelt öppen” också vara
väl lämplig för fibervaror och väl förbehandlade årsväxter. (Tillverkare AVS Slovakia,s.ro Bratislava)
Figur 11. Pellets press med dubbelvalsar Tillverkare AVS Slovakia,s.ro Bratislava.
19
Ekonomi
Standardpellets
Kostnadstruktur för pellets
1%
5%
1%
9%
6%
3%
52%
21%
2%
Råmaterial
Byggnad
Torkning
Malning
Pelletering
kylning
Lager
övrigt
Personal
Figur 12. Ungefärlig kostnadsstruktur för standardpellets
Beroende på tillgång kan den lokala prisbilden för råvaror variera och ge variation
av tillverkningskostnaden vid fabrik, se figur 12. För en standardpellets är råvarukostnaden den stora kostnadsposten uppgående till 50 till 65 % vilket enligt dagens
prisbild är 600–780 kronor/ton. Nästa stora kostnadspost är torkningskostnaden,
uppgående till 15-20 % = 180-240 kronor/ton.
Superpellets
För en modern boardfabrik med kapaciteten 200 000 årston är investeringskostnaden i storleksordningen 650 miljoner kronor. Kostnaden per producerad kubikmeter och ton skivprodukt blir inte högre i kronor/ton i en jämförelse med dagens pelletsteknologi.
Med en tekniskt sett mer sofistikerad pelletsprocessanläggning och trots en högre
investeringskostnad, 3-4 gånger högre än dagens standardpelletsfabriker, är det
möjligt att tillverka en produkt med överlägsna egenskaper jämfört med dagens.
Vi använder arbetsnamnet Superpellets på en tänkt produkt framställd inom samma kostnadsnivå som dagens standardpellets och med potential för en minskad
totalkostnad med 5 till 15 %. Sparmål nås genom olika grad av ny energieffektiv
teknik och process som medger stabil kvalitetsproduktion med olika nya råvaror.
Kostnadsminskning fås genom högre processeffektivitet, halverad torkningskostnad, (eventuellt elproduktion) och ett aktivt köp av lokalt tillgängliga billigare råvaror, som ger en maximalt ekonomiskt fördelaktig råvarumix.
Med en anpassad utvecklad teknik och en produkteffektivare process kan man
kostnadseffektivt producera en jämn och god Superkvalitet i ett utökat sortiment
som framtida marknader efterfrågar.
20
21
Projekt SWX-Energi omfattar Värmlands, Dalarnas och Gävleborgs län.
Projektägare: Region Gävleborg
Delprojektansvariga: Högskolan Dalarna och Karlstads Universitet
Projektbudget: 32 miljoner kronor
Projekttid: 2008-2011
www.regiongavleborg.se/verksamhet/swxenergi
Projektet delfinansieras av Europeiska Unionen.
Finansiärer
Offentliga
EU, Norra Mellansverige
Region Gävleborg
Region Dalarna
Högskolan Dalarna
Karlstads Universitet
Gävle Dala Energikontor
Värmlands Energikontor
Privata
Energimyndigheten
Banverket
Säffle kommun
Gävle Energi
Hofors Energi
Borlänge Energi
Fortum Värme AB
Neova
Mellanskog
Naturbränsle
Bruks Klöckner
Rapporter
1) Säffle biogas – Förstudie
2) Skogsskötselmodeller anpassade för skogsbränsleuttag – några exempel
3) Framtidens pelletsfabrik
22
23