| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Trinopdelt forgasning af imprægneret affaldstræ

4 Hundrede timers forsøg

• 4.1 Formål
• 4.2 Beskrivelse af forgasseren
• 4.3 Anlægsskitse og måleprogram
  • 4.3.1 Anlægsskitse
  • 4.3.2 Prøvetagning og analyse
• 4.4 Forsøgets udførelse
• 4.5 Præsentation af resultater
  • 4.5.1 Luft-, brændsels- og temperaturforløb
  • 4.5.2 Kemisk sammensætning af forgasningsgassen
  • 4.5.3 Massebalancer
  • 4.5.4 Energibalance og virkningsgrader
  • 4.5.5 Massebalance for tungmetaller
• 4.6 Delkonklusion

4.1 Formål

Som led i dette projekt er der udført ca. 100 timers drift med affaldstræ på et pilotanlæg placeret hos Thomas Koch Energi A/S. Forsøget har til formål at eftervise høje energimæssige virkningsgrader gennem længerevarende drift, samt at danne ramme for et måleprogram for tungmetaller og dermed masseregnskab for As, Cu og Cr.

4.2 Beskrivelse af forgasseren

Forgasseren er baseret på en fixed-bed trin-opdelt proces, designet efter De laCotte princippet. Forgasseren er opbygget og monteret i TKE’s forsøgshal i Gadstrup, og består af følgende hovedkomponenter:

• Brændselshåndtering
• Forgasser (bestående af internt opvarmet pyrolysezone, gas forbrændingszone og forgasningszone).
• Askeudladning
• Tør glasrensning
• Partikelfilter
• Motor-generatoranlæg
• Styring, regulering og overvågningsanlæg

Tjæreindholdet i produktgassen er meget lavt, typisk 10-20mg/Nm³, hvilket gør anlægget velegnet til motordrift efter afkøling og simpel (tør) rensning af gassen.

Ved drift forbruger anlægget ca. 40-80 kg brændsel i timen, svarende til en indfyret effekt på op til 350 kW.

Man har tidligere eftervist, at forgasser-processen er stabil, når man fyrer med rent træ (skovflis med et fugtindhold på 30%), og man har opnået en ren gas med et tjæreindhold på højst 20 mg/Nm³, hvilket er meget lavt i forhold til andre forgassertyper:

Forgasseren har under forsøgene kørt med en koldgasvirkningsgrad på ca. 55%. Årsagen til den relativt lave virkningsgrad er det høje indhold af uomsat biomasse i asken. El-virkningsgraden er på et pilotanlæg udstyret med gasmotor og el-generator målt til 20%, men forventes at nærme sig 30% på fremtidige anlæg på 1-1,5 MW_t størrelsen.

Figur 2. Skitse med energi-strømme mellem hovedkomponenter: Brændsel, forgasser, motor/generator.

Figur 2 illustrerer energi-indholdet i strømmene i forgasningsanlægget. Energi-indholdet i brændslet er normeret til 100%. Energibalancen er ikke fuldstændig afstemt, men illustrerer alligevel udmærket forholdende i anlægget. Koldgasvirkningsgraden er brændværdien af produktgassen (96 kW) divideret med brændværdien af den indfyrede biomasse (175 kW) – i dette eksempel 55%.

4.3 Anlægsskitse og måleprogram

4.3.1 Anlægsskitse

Figur 3, nedenfor, viser en principskitse af anlægget. Hovedkomponenterne fremgår af skitsen, der desuden viser de 5 målepunkter, der bruges i forbindelse med forsøget. Tabel 1 giver en yderligere beskrivelse af målepunkterne, og skal således sammenholdes med anlægsskitsen.

Tabel 1: målepunkter på anlægsdiagram.

Desuden foretages en række målinger på anlægget (hovedsageligt tryk og temperatur), som er nødvendige for optimal styring og regulering.

Figur 3. Skitse af forsøgsopstilling. Bilag 7 viser skitse i fuld størrelse.

4.3.2 Prøvetagning og analyse

Vi analyserer det indfyrede brændsel og cyklon-, bund- og filteraske fraktionerne fro tungmetallerne (kobber, krom og arsen). Idet støvkoncentrationen i produktgassen er lav, og idet vi antager, at kun en lille andel af den samlede mængde metaller udkondenserer på partikler i produktgassen ved de høje temperaturer, har vi valgt ikke at analysere denne strøm for tungmetaller.

Disse analyser danner, sammen med registrering af massestrømmene, grundlag for opstilling af en massebalance, der således kaster lys over metallernes opførsel i anlægget.

CCA flis

For hver påfyldning af CCA-flis i doseringstanken udtages en delprøve på 300 – 400 g. Alle delprøver samles til én i en lufttæt beholder, og der udføres en enkelt analyse på råprøven.

Bundaske

Al bundaske opsamles i tønder, som hver har kapacitet til ca. 2 timers drift. Askeprøver fra 4 tønder, jævnt fordelt over forsøget, er analyseret.

Cyklonaske

Den totalt producerede cyklonaske opsamles i tønder. Forsøget genererede 3 tønder hvoraf asken fra de to første er blevet analyseret.

Filteraske

Der er analyseret aske fra et enkelt patronfilter.

4.4 Forsøgets udførelse

Driften på pilotanlægget i Gadstrup blev udført i perioden fra 3/12/2003 til 11/12/2003. I nogle indledende dage blev anlægget fyret med almindeligt træflis, og mandag den 8/12/2003 blev brændslet omskiftet til affaldstræ. I perioden fra 8/12/2003 til torsdag 11/12/2003 var forgasseren i kontinuerlig drift med affaldstræ – svarende til ca. 100 timer.

Det imprægnerede træbrændsel er repræsentativt for affaldstræ, der foruden CCA-behandlet træ også kan indeholde creosol-behandlet træ som jernbanesveller og elmaster. Figur 4 illustrerer affaldstræet benyttet i forgasseren efter neddeling til en passende størrelse.

Figur 4. Det benyttede affaldstræ i pilotanlægget hos TKE A/S.

4.5 Præsentation af resultater

4.5.1 Luft-, brændsels- og temperaturforløb

Den indfyrede brændselsmængde blev registreret ved hjælp af vejeceller under flisdoseringstanken jf. Figur 3. Under forsøget blev der indfyret i alt 2.740 kg CCA-flis svarende til 38 kg flis/h. Tabel 2 viser resultatet af flisanalysen på basis af den indleverede prøve. Resultater på vandfri basis kan ses i bilag 3.

Tabel 2: Analyse af CCA-flis.

Indfyringsforløbet af flis kan ses af Figur 5. Trendkurven viser 15 minutters middelværdier renset for ”dårlige data” fremkommet under f.eks. påfyldning af flis.

Figur 5. Indfyret flis i forsøgsperioden.

Luftmængden blev målt med ved hjælp af en blænde placeret mellem luftblæseren og den kolde varmeveksler (se Figur 3). TKE skønner, at der er en lækageluft i størrelsesordenen 10 % i alt, hvoraf hovedparten går igennem forgasseren. En lille del af lækageluften går igennem utætheder i cyklon, filtre og rørsystem og deltager således ikke i forgasningsprocessen. Med korrektion for lækageluft er der i forsøgsperioden indfyret i alt 3.700 kg luft i forgasseren svarende til 51 kg/h. Luftforbruget under forsøget illustreres i Figur 6.

Figur 6. Luftforbrug.

Figur 7. Temperaturer.

Figur 7 viser temperaturforløbet i perioden. Heraf ses, at koksbed’en i store træk har opereret i et temperaturområde mellem 800°C og 1100°C.

Figur 8 viser billeder af forsøgsanlægget.

Figur 8. TKE forgasseren (til venstre) samt nærbillede af kokstønde (til højre).

4.5.2 Kemisk sammensætning af forgasningsgassen

Produktgassen blev analyseret for hovedkomponenterne CO, CO₂, H₂, CH₄, N₂ og O₂ med en såkaldt mikro-gaskromatograf (MikroGC) med to kolonner (Molsieve 5A og PLOT Al₂O₃/KCl). Gassen blev tørret og renset for organiske komponenter inden den blev analyseret i MikroGC’en.

Gassammensætningen var nogenlunde konstant i hele driftsperioden, og Figur 9 (nedenfor) viser analyseresultaterne for to længere måleperioder:

1. Natten mellem 8. og 9. december, 2003
2. Natten mellem 10. og 11. december, 2003

Figur 9. Gasanalyser fra den 9/12.

Figur 10. Gas analyser fra den 10/12.

Et gennemsnit af de målte gassammensætninger ses i Tabel 3, hvor gennemsnittet er opgjort for hver af de to måleperioder. Forskellen i sammensætning beror sandsynligvis på mindre forskelle i driftstilstanden for de pågældende perioder.

Tabel 3. Gennemsnitlig sammensætning af forgasningsgassen i volumenprocent for de to måleperioder.

Usikkerheden på H₂ – bestemmelsen er lidt større end for de andre gaskomponenter.

4.5.3 Massebalancer

Den overordnede massebalance er vist i Tabel 4. Da blænden til bestemmelse af den producerede gasmængde sandsynligvis har været besat med belægninger, og derfor ikke har målt korrekt, er gasmængden bestemt som summen af den indfyrede flis- og luftmængde fratrukket mængden af produceret aske.

Tabel 4. Overordnet massebalance.

Både bund-, cyklon- og filteraske indeholder koks (ikke fuldt omsat biomasse) i forskellige andele..

Tabel 5 viser C, H, N og O balancen bestemt på baggrund af analyserapporter, gassammensætning og massestrømme. I forbindelse med bestemmelse af brint- og ilt-balancen er produktgassens vandindhold bestemt vha. den matematiske model over en medstrømsforgasser beskrevet i kapitel 4.5.2 samt bilag 2.

Som det ses, er der fundet en tilfredsstillende sammenhæng mellem ind- og udgående strømme.

Tabel 5. Massebalance for C, H, N og O.

Askebalancen giver ikke helt så pæne resultater. Sammenlignes den indgående askestrøm i CCA flisen med den udgående askestrøm i koksstrømmene (bundaske, cyklonaske og filteraske) ser balancen ud som vist i Tabel 6:

Tabel 6. Askebalance.

Det ses, at der er målt 21 % mere aske i de udgående strømme end i den indgående flis. Det er forventeligt, at der er en større afvigelse ved askebalancen, da askemængderne udgør en meget lille del af den samlede massestrøm.

Usikkerhed på prøvetagning af delprøver af flis og koks vurderes at være hovedårsagen til afvigelsen, idet det erfaringsmæssigt er vanskeligt at foretage repræsentative delprøver af faste massestrømme.

4.5.4 Energibalance og virkningsgrader

Energibalancen er beregnet vha. en stationær, matematisk model over en medstrømsforgasser. Modellen er udviklet af Felicia Fock og Kirstine Thomsen, 2000, DTU, MEK.

Tabel 7 viser resultatet af beregningerne. Beregningsforudsætninger kan ses i bilag 2.

Tabel 7. Energibalance.

En forskel på ca. 2 % mellem ind- og udgående energistrøm er yderst tilfredsstillende.

Koldgasvirkningsgraden, der er defineret som

LHV_gas* m_tørgas / LHV_brændsel * m_brændsel

er beregnet til 55,2 %, hvor

LHV_gas Nedre brændværdi af den tørre produktgas

m_tørgas Massestrøm af den tørre produktgas

LHV_brændsel Nedre brændværdi af det indfyrede brændsel

m_brændsel Massestrøm af det indfyrede brændsel.

Årsagen til den relativt lave koldgasvirkningsgrad er, at andelen af uforbrændt i koksresten desværre var meget høj under forsøgene – typisk svarende til 13% af den indfyrede effekt. I en optimeret forgasser, som vil have et betydeligt lavere indhold af uforbrændt biomasse i koksen, vil koldgasvirkningsgraden sandsynligvis kunne blive op mod 85%.

4.5.5 Massebalance for tungmetaller

På baggrund af de målte massestrømme samt laboratorieanalyserne kan der stilles følgende massebalance op for arsen, krom og kobber:

Tabel 8. Tungmetalbalance.

* Den normerede fordeling findes ved, at alle målte CCA-andele i askefraktionerne skaleres således, at summen svarer til en 100 % genfinding i forhold til analysen på CCA-træet.

Af tabel 8 ses, at genfindingen af tungmetallerne i asken varierer fra 83 % til 93 % af den i brændslet indfyrede tungmetalmængde, ringest for As og bedst for Cu.

Erfaringsmæssigt stemmer denne type massebalancer ofte inden for ±25% mellem ind- og udgående strømme, så en højeste afvigelse på 17% er umiddelbart tilfredsstillende.

Ifølge resultaterne af askebalancen (se Tabel 6), hvor der måles mere aske ud med koksresterne end ind med CCA træet, kunne det dog forventes, at også CCA balancen ville udvise denne tendens. En forklaring kan være, at prøvetagningen på brændslet har været behæftet med en relativ stor usikkerhed. Der er generelt mange fejlkilder i forbindelse med prøvetagning på et inhomogent materiale, og i nærværende tilfælde er der taget relativt små prøver, og de er ikke udtaget i ”faldende strøm”, som er den bedste procedure ved inhomogene materialer.

Normeres resultaterne af fordelingen af CCA findes, at 97% af krom, kobber og arsen emitteres med bundasken. Modsat det forventede genfindes også arsen stort set kun i bundasken (se afsnit 3.2).

Figur 10 og 11 viser grafiske opstillinger af tungmetalbalancen.

Figur 11. Genfindingsprocenter i asker set i forhold til indfyrede mængder i flis.

Figur 12. Fordeling af kobber, krom og arsen på restprodukttyper.

4.6 Delkonklusion

Under hele forsøget kørte anlægget stabilt, driften var kontrolleret og processen uden overraskelser. Forgasseren producerede under hele forsøget en kontinuert gasstrøm, og gaskvaliteten var som forventet af en medstrømsforgasser fyret med tørt træ på trods af, at der blev konstateret indbrud af falsk luft i forgasseren. Logistikken omkring prøveudtagning var effektiv.

Som forventet kunne næsten 100% af krom og kobber indholdet i affaldstræet genfindes i bundasken fra forgasseren, hvilket er hensigtsmæssigt i forhold til en senere udvinding og genanvendelse af disse stoffer.

Mod forventning blev også langt den største andel af affaldstræets arsen indhold (ca. 95%) genfundet i bundasken. Dette er uheldigt, da arsen jf. kapitel 1.2, er uden genanvendelsesmuligheder og meget giftigt, hvilket kræver stabilisering og deponering. Det er derfor helt nødvendigt, at bundasken fra forgasseren oparbejdes i en specialproces, der udskiller Cu og Cr fra As.

I alle askefraktionerne er der fundet bortglødeligt indhold på mellem 70% og 80% - en høj værdi, som enten kræver efterbehandling eller en bedre kulstofomsætning i forgasseren, såfremt asken skal deponeres. En bedre omsætning af brændslets kulstofindhold vil ligeledes forbedre energivirkningsgraden.

Driften af forgasseren er stadig omkostningstung på grund af den nødvendige høje bemanding.

Forgasseren bør forbedres på følgende punkter:

• Styring og regulering
• Design af riste og askeudtag
• Design af reaktorkammer

Forgasseren har potentialer til - med investeringer og udvikling - at blive en teknologi, der kan omsætte CCA-imprægneret træ på en effektiv og bæredygtig måde.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 August 2007, © Miljøstyrelsen.