Undersökning av bäddagglomerering och beläggningstillväxt vid sameldning av torv och trädbränsle

Jan Burvall

SLU avd Kemi & Biomassa

Marcus Öhman

Oorganisk Kemi UmU/Energitekniskt Centrum Piteå

 

INNEHÅLL

SAMMANFATTNING

1. BAKGRUND

1.2 Motiv

2. MATERIAL OCH METODER

2.1 Försöksmaterial

2.2 Bränslen och bränsleblandningar

2.3 Kvantifiering av beläggningstillväxt och bäddagglomerering

3. RESULTAT

3.1 Kvantifiering av beläggningstillväxt och bäddagglomerering

4. DISKUSSION

5. REFERENSER

Bilaga 1.

SAMMANFATTNING

I projektet har bäddagglomerering och beläggningstillväxt kvantifierats på GROT som jämförts med blandningar av GROT och olika torvsorter. Försöken har genomförts i en reaktor typ bubblande fluidbädd på 5 kW. Torvinblandningen i GROT har varit 10 % respektive 30 % av den totala askmängden i bränslebladningen. Resultaten visar att torvinblandning i GROT med de torvsorter som undersökts alltid ger minskad beläggningstillväxt även vid låginblandning. För initial bäddagglomereringstemperatur erhölls som regel bättre resultat vid den högre inblandningsnivån. Resultaten visar att torv från olika torvtäkter har relativt stor inverkan på resultatet. Utifrån tidigare undersökningsteorier om asksmältegenskaper hos olika bränslen finns tydliga indikationer på att höga halter av lermineraler främst kisel och aluminium har en positiv effekt medan höga alkalihalter främst av kalium sänker den initiala smälttemperatur hos askan. Denna undersökning har ytterligare bekräftat detta. Torvinblandning med GROT verkar generellt ge positiv effekt genom minskade problem med asksintring och askpåslag som argumenterar för torv i fastbränsleeldning.

 

1. BAKGRUND

Askrelaterade driftsproblem tillhör de allvarligaste störningarna som förekommer vid biobränsleeldning. Beläggningar på konvektionsytor och svår slaggbildning på rosters leder till reducering av verkningsgraden och kostsamma diftstopp. Asksintring är speciellt problematisk vid fluidbäddeldning. Detta försämrar värmeöverföring och fluidiseringsegenskaper i bädden som leder till försämrad kontroll över viktiga styrparameter både ur miljö- och verkningsgradssynpunkt . I värsta fall måste sandbädden bytas ut i förtid vilket är en stor kostnad, särskilt under höglastperioden.

Från ett flertal värmeverk i Sverige finns indikationer på att sameldning av torv och trädbränslen ger mindre problem med slaggning/fouling än vid eldning t.ex. grenar och toppar "GROT". Dessutom anses flygaskan bli lättare sotbar vid sameldning. Erfarenheter från Finland visar att foulingproblem i överhettare är vanligt vid ren trädbränsleeldning. Från kraftvärmeverket i Kuusamo rapporteras att

³ 30 % torvinblandning i trädbränsle eliminerade de foulingproblem i överhettaren som uppstod vid ren trädbränsleeldning.

Vid Energitekniskt centrum i Piteå (ETC) finns en bubblande fluidbädd i pilotskala där agglomerering av ask- och bäddpartiklar kan studeras under väl kontrollerade betingelser. Denna analysmetod har rönt stort internationellt intresse. Vidare kan beläggningstillväxten kvantifieras genom ett sk. "kallt finger" vilket skall simulera en konvektionsyta.

1.2 Motiv

Projektet syftar till att i laboratorieskala undersöka hur sameldning av torv och GROT inverkar på askans initiala smältegenskaper och beläggningstillväxt.

2. MATERIAL OCH METODER

2. 1 Försöksmaterial

GROT: För att erhålla ett representativt material togs ett prov på 300 kg, säsongslagrat på hygget och flisat, från Södra Skogsenergi:s bränsleterminal i Boxholm.

Torv: För att erhålla ett brett försöksmaterial m.a.p. torvslag, humifieringsgrad och mineralsammansättning hos torven genomfördes provtagning på ett flertal torvtäkter:

Bredaryd

Ekenäsmossen

Espenäsmossen

Rastamossen (Gislaved)

Ringsmossen

Saltmyran

Tutaryd

Töttjamossen

 

2.2 Bränslen och bränsleblandningar

De åtta torvsorterna klassificerades utifrån dess innehåll och sammansättning av askbildande ämnen med hjälp av principal komponent analys. Utifrån klassificeringen

(Figur 1) valdes tre torvprover ut för att studeras närmare vid förbränning i en liten fluidbädd i pilotskala (5 kW). Proverna valdes ut för att för att representera så stor variation som möjligt av innehållet av de askbildande ämnena utifrån de åtta uttagna torvproverna. De tre utvalda bränslena, prover från Saltmyran, Ringmossen och Gislaved (kemisk sammansättning se Figur 2), sampelleterades med GROT-bränslet till pellets med diametern 6 mm. Två olika inblandningsgrader valdes, en låg (10% av total askmängd i bränslet) och en hög (30 % av total askmängd i bränslet). Tabell 1 nedan visar inblandningsgraden i % av TS och i % av total askmängd i bränslet. Figur 2 visar bränsleaskans sammansättning hos de studerade bränslena och bränsleblandningarna.

Figur 1. Klassificering med Principalkomponent analys

Tabell 1. Studerade bränslen och bränsleblandningar i pilot anläggningen.

Prov	Vikts-% av total askmängd i bränslet	Vikts-% av torr substans
1	100% GROT	100% GROT
2	10% Saltmyran; 90% GROT	6% Saltmyran; 94% GROT
3	10% Gislaved; 90% GROT	27% Gislaved; 63% GROT
4	10% Ringmossen; 90% GROT	5% Ringmossen; 95% GROT
5	30% Saltmyran; 70% GROT	20% Saltmyran; 80% GROT
6	30% Gislaved; 70% GROT	59% Gislaved; 41% GROT
7	30% Ringmossen; 70% GROT	19% Ringmossen; 81% GROT

Figur 2. Bränsleaskans sammansättning hos de studerade bränslena och bränsleblandningarna.

2.3 Kvantifiering av beläggningstillväxt och bäddagglomereringstendenser

Försöken genomfördes i en fluidbäddreaktor av typ bubblande bädd i liten pilotskala (5 kW), se Figur 3.

Figur 3. Schematisk bild över pilotreaktorn

Varje försök genomfördes under standardiserade förhållanden (se Figur 4, Tabell 2). Bränslena matades in vid en temperatur av 760°C till dess att ca 6 % aska (aska till bäddmaterial) matats in i bädden. Bädden utgjordes av silversand som till 99% bestod av ren kvarts. Bäddmaterialet siktades till en kornstorlek mellan 200 och 250 m m. Temperaturen höjdes sedan externt 3°C/min med elförvärmare till dess bäddagglomerering (eller första tendens) erhölls. En gasolflamma nyttjades för att simulera rätt förbränningsatmosfär. Maximal möjlig bäddtemperatur är 1020°C. Bäddtemperaturen kontrollerades inom ± 1°C och bäddsintringen kunde bestämmas med en precision på ± 5 °C. Under hela försökets gång hölls en fluidiserings-hastighet på 4*Umf samt en utgående syrgashalt på 6 % (våt). Umf är den minsta gashastigheten som behövs för att få en bädd bestående av partiklar att börja fluidisera.

Figur 4. Kontrollerade agglomereringsförsök på GROT.

Vid initial agglomerering ändras fluidiseringsförhållandena så att bäddtemperaturer och differanstryck över bädden ändras. I försöken registreras kontinuerligt fyra bädd-temperaturer och tre differanstryck man kan på så sätt se när processen "skenar iväg". För att med större noggrannhet analysera initial bäddagglomerering analyseras processdata med multivariat processkontroll (On-Line PCA och Off-Line PCA), d.v.s. alla parametrar studeras samtidigt.

 

Tabell 2. Sammanställning av inställda förbränningsparametrar

Driftparameter	Inställning
O2-inmatning	6 % våt
O2-uppvärmning	10 % våt
Statisk bäddvolym	400 ml
Kornstorlek	200-250 um
Inaskningstemperatur	760°C
Bäddmaterial	Silversand (99% SiO2)
Fluidiserings hastighet	4 * Umf
Askhalt	6 %

Under inmatningsfasen (normal förbränning) kvantifierades beläggningstillväxten med hjälp av ett s k kallt finger, bestående av en luftkyld probe med en löstagbar provring. Försöken utfördes för att simulera eventuella påslag som kan uppkomma på en panntub belägen någonstans i en pannas konvektionsdel. Den kylda proben är belägen 300 mm ovanför bädden. Gastemperaturen vid provstället varierade mellan 430 och 480 C under provtiden vid förbränning av alla bränsleblandningarna. Yttemperaturen på provringen ställdes in på 200 °C, denna bibehölls under hela provtiden (3 timmar) med hjälp av en regulator (Eurotherm 808) kopplad till en elektropneumatisk ventil. Provringarna vägdes före och efter försöken och differensen gav beläggningstillväxten.

3. RESULTAT

3.1 Kvantifiering av beläggningstillväxt och bäddagglomereringstendenser

Resultaten från agglomereringsstudien framgår av Figur 5. Det rena GROT bränslet visar tendenser till bäddaglomerering vid temperaturer relevanta för fluidbädd förhållanden, 800-950 °C. Ingen bränsleblandning ger en lägre agglomererings-temperatur än det rena GROT-bränslet. Variationer i bäddagglomererings-temperaturerna avspeglas av dels mängden inblandad torv dels av torvens sammansättning. Bränsleblandningen bestående av torvprov från Ringmossen har den signifikant högsta agglomereringstemperaturen 997 C respektive (över 1020 C) beroende på inblandningsgrad. Föreliggande beläggningstudie visar på en lägre beläggningstillväxt vid inblandning av torv (se Figur 6).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figur 5. Initial agglomereringstemperatur för de olika bränsleblandningarna

 

 

 

 

 

 

 

 

Figur 6. Beläggningstillväxt för de studerade bränsleblandningarna.

4. DISKUSSION

Anledningen till höjningen av agglommereringstemperaturen vid inblandningen av de olika torvproven med GROT kan sannolikt förklaras med att asksammansättningen i bädden ändras så att askan börjar smälta vid en högre temperatur. Sannolikt beror detta på torvens getteringeffekt som binder upp bl.a. Kalium. Torv innehåller lermineraler av olika slag och mängd beroende på torvbildande växtmaterial, omgivande bergrund, hydrologiska förhållanden mm. Ett av dessa lermineraler kan vara kaolinit som har visat sig vara en av de effektivaste getteringmineralerna. De utvalda torvproverna visar en stor skillnad på innehållet av askbildande ämnen. Provet från Ringmossen, som visade höja agglomereringstemperaturen mest innehåller höga andelar Al och Si medan provet från Gislaved innehåller mera alkali och därmed inte ger positiv effekt på agglomereringstemperatur och beläggningstillväxt jämfört med ren GROT. Den standardmetod som används för bestämning av askans smältförlopp ASTM D-1857-68 är utvecklad för kolaskor och är erfarenhetsmässigt ej tillräckligt känslig för att detektera begynnande smältning hos biobränsleaskor. Metoden visar emellertid att de flesta torvaskor som undersökts har jämförbar eller högre begynnande smältpunkt jämfört med GROT-bränslet (bilaga 1).

Mot bakgrund av de positiva resultaten som erhållits från flera värmeverk som sameldar torv/trädbränslen och verifierats i ETC:s fluidbädd motiverar ytterligare forskningsinsatser:

Ytterligare försök i ETC:s fluidbädd med provmaterial från fler torvtäkter för att erhålla säkrare resultat över de mineraler som inverkar på askagglomerering och beläggningstillväxt.

Praktiska försök i fullskalig drift kan förslagsvis genomföras i SLU:s panna på 140 kW, fabrikat Öko-Therm, för studier av beläggningstillväxt med GROT samt blandningar av torv/GROT. Panntypen tillverkas kommersiellt och är speciellt konstruerad för askrika bränslen.

Tillämpa försöksresultat från ETC:s fluidbäddreaktor i fullskalig fluidbädd med avseende på beläggningstillväxt och partikelagglomerering.

5. REFERENSER

1. Öhman, M. Nordin, A. 1998. Energy & Fuels, 12, s90-94.

2. Äijälä, M. Huikkonen, S. Technology is not a barrier for biomass power; experiences from 130 biomass power plants.

Bilaga 1.

Bränslekaraktäriseing

Värden angivna i % av torrsubstans

Bränsleprov	Askhalt %	Eff. värmevärde MJ/kg	Svavelhalt %	Initial asksmälttemp °C
GROT	2.8	19.6	0.05	1200
Bredaryd	1.5	20.4	0.12	1360
Ekenäs	2.2	21.0	0.24	1190
Espenäs	3.5	21.0	0.35	1300
Gislaved	0.9	19.8	0.14	1300
Ringsmossen	5.6	20.2	0.70	1320
Saltmyran	5.4	--	0.40	Ca 1100
Tutarud	1.9	19.8	0.16	1160
Töttja höghum	1.2	21.0	0.13	1310
Töttja låghum	1.1	19.7	0.14	1180

Parameter Metod

_________________________________________

Aska SS 187171

Värmevärde SS-ISO 1928

Svavel SS 187177

Asksmälttemp. ASTM D1857-68

Publikationer

Hem