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

Brændstofvurderinger på husdyrgødninger

4 Forbrændingstekniske forhold

• 4.1 Indledning
• 4.2 Mulighed for forbrænding uden støttebrændsel
• 4.3 NOx-emission
• 4.4 Fosfor i asken

4.1 Indledning

Husdyrgødningernes egenskaber vil sammen med forbrændingstekniske forhold afgøre, hvor velegnede de er som brændsler, dvs. om en god energiudnyttelse er mulig samtidig med en acceptabel miljøbelastning. Det belyses, om prøverne overhovedet vil kunne brænde uden støttebrændsel. Ud fra brændselsanalyserne belyses risikoen for miljøbelastning, som ligger udover, hvad man vil forvente fra fyring med almindeligt halm.

4.2 Mulighed for forbrænding uden støttebrændsel

For overhovedet at kunne brænde uden støttebrændsel må materialets effektive brændværdi være større end energibehovet til at opvarme tørstoffet, forbrændingsluften samt opvarme og fordampe det indeholdte vand. For at kunne brænde så effektivt, at CO og andre brændbare bestanddele udbrændes til vand og CO₂, skal forbrændingstemperaturen desuden kunne nå op på mindst 800 °C og gerne 850 ^oC eller derover. Den adiabatiske flammetemperatur er den maksimalt opnåelige forbrændingstemperatur. Der er ingen garanti for at en forbrænding når op på den temperatur. Det afhænger af anlægsdesign og drift. Omvendt kan det konkluderes, at hvis den adiabatiske flammetemperatur er lavere end 800 °C, vil man aldrig kunne opnå en fuldstændig forbrænding.

Energibehovet til opvarmning af tørstof, forbrændingsluft og vand samt fordampning af vand er beregnet ud fra en referencetemperatur på 25 grader C. I beregningen indgår følgende størrelser: Vands varmefylde er 4,18 kJ/kg K. Vands fordampningsvarme ved kogepunktet er 2257 kJ/kg K. Tørstoffets varmefylde antages at være svarende til sandsten 0,71 kJ/kg. Sidstnævnte spiller en meget lille rolle. Selv hvis tørstoffets varmefylde antages at svare til vands, rykker det ikke på konklusionerne.

I tabel 8 er de beregnede størrelser vist for de aktuelle prøver, og i søjlen længst til højre er det angivet, om materialet repræsenteret ved den pågældende prøve vil kunne brænde af sig selv uden støttebrændsel.

De materialer, som vil kunne brænde selv, er 1. Hestegødning, 3. Svinegyllefiber fra Samson, 6. Rugeægshønegødning, 7. Slagtekyllingegødning og 8. Gyllepiller.

De materialer, som vil kunne brænde selv, men som ligger meget tæt på grænsen for ikke at kunne det, er 4. Svinegyllefiber fra Kemira og 5. Blandet gyllefiber efter afgas. I og med energibehovet for opvarmning og fordampning af vand i disse materialer ligger så tæt på grænsen, vil selv mindre ændringer i brændværdi kunne betyde, at materialet alligevel ikke kan brænde selv uden støttebrændsel.

Et materiale vil slet ikke kunne brænde. Det er 2. Kvæggyllefiber fra Kemira.

Den adiabatiske flammetemperatur fortæller, hvor høj forbrændingstemperatur, der maksimalt kan opnås, ud fra den givne brændselssammensætning og ud fra brændslets brændværdi. For at opnå fuldstændig forbrænding og derved udbrænde de brændbare komponenter fuldstændigt til vand og CO₂, viser erfaringerne, at det er nødvendigt med en adiabatisk flammetemperatur på 800 til 850 °C. Hvis ikke CO udbrændes ordentligt, vil energiudnyttelsen være dårlig, og der vil opstå luftforurening med CO og sandsynligvis også med PAH og andre uforbrændte kulbrinter.

Beregning af røggassens varmefylde og andre forhold, som spiller ind på den adiabatiske flammetemperatur, er foretaget ved hjælp af et beregningsprogram, som FORCE Technology har udviklet. Beregning af den adiabatiske flammetemperatur følger beregningsmetoder beskrevet i bogen ”Forbrænding, teori og praksis”. For at gennemføre beregningen skal der estimeres nogle røggasmængder m.m. og disse vil hænge sammen med, hvilken størrelse anlæg der fyres ind i. I beregningen er der antaget et mindre anlæg på 600 kW.

Der er udvalgt fire prøver for beregningen: Én med højt vandindhold og tilsvarende lav brændværdi, som vi forudser ikke kan brænde uden støttebrændsel, én som ligger lige på grænsen til at kunne brænde uden støtte brændsel, én som forudses sagtens at kunne brænde uden støttebrændsel samt én der forudses at kunne brænde uden støttebrændsel, og som samtidig har højt askeindhold. Resultaterne af beregningerne er vist i tabel 9.

De beregnede temperaturer i forhold til de effektive brændværdier er afbildet grafisk i Figur 1. Der er i grafen tilføjet en værdi fra bogen ”Forbrænding, teori og praksis” gældende for naturgas, som har en effektiv brændværdi på 48 MJ/kg og en adiabatisk flammetemperatur på 1900 °C.

Figur 1. Beregnet adiabatisk flammetemperatur som funktion af effektiv brændværdi for de 4 udvalgte prøver af husdyrgødning samt 1 litteraturværdi for naturgas.

Ud fra Figur 1 kan den adiabatiske flammetemperatur skønnes for de øvrige 4 prøver. Derved fås de i tabel 10 anførte samlede resultater for de enkelte prøvers mulighed for at brænde uden støttebrændsel og mulighed for at kunne opnå fuldstændig forbrænding. Kun prøve 6. Rugeægshønegødning, prøve 7. Slagtekyllingegødning samt prøve 8. Gyllepiller ser ud til at kunne opfylde begge forhold. De faktiske forbrændingsbetingelser vil afgøre, om muligheden for at opnå fuldstændig forbrænding bliver opfyldt i et givet anlæg.

4.3 NO_x-emission

Ud fra vurdering af brændselskvaliteten i kapitel 3 ses det, at i forhold til halm er især indholdet af nitrogen højt i nogle af prøverne. Nogle typer af biomasse indeholder dog tilsvarende høje indhold, f.eks. korn og frø med 2 – 4 vægtprocent nitrogen i tørstoffet.

Brændslets nitrogen kan omdannes til NO_x (”Brændsels-NO_x”) og til frit nitrogen (N₂). NO_x er en luftforurening, der reguleres af emissionskrav og afgift.

Fyring med rent træ og halm giver NO_x-værdier omkring 100 – 300 mg/m³ ifølge Miljøstyrelsens Arbejdsrapport nr. 11 (2008).

Sammenhængen mellem nitrogenindhold og NO_x-dannelse har blandt andet været undersøgt i for bindelse med forbrænding af resttræ med lim-indhold, såsom MDF- og spånplader. Marutzky og Schriever er refereret i Miljøstyrelsens Miljøprojekt nr. 358 fra 1997. De skriver i en artikel fra 1986, at selvom nitrogenindholdet i spånplader er 10 til 20 gange højere end i rent træ, ses kun en 2 til 4 gange højere NO_x-emission ved fyring med spånplader. En anden undersøgelse (Reisinger) refereret i samme rapport fra Miljøstyrelsen fandt, at et nitrogenindhold i brændslet på 5 % gav en NO_x-emission på 375 – 560 mg/m³ ved 11 % oxygen, mens en tredje undersøgelse (Nussbaumer) fandt, at knapt 3 % nitrogen gav 980 mg/m³ NO_x ved 11 % oxygen.

Nussbaumers resultater er gengivet grafisk i Miljøstyrelsens Arbejdsrapport nr. 11 (2008) og er også gengivet i figur 2 nedenfor.

Figur 2. NO_x-emission som funktion af nitrogeninhold i brændslet. I er NO_x-emissionen som funktion af nitrogen-indholdet. II er omdannelses-graden i % af maksimal mulig NO_x. Nussbaumer, gengivet i Miljøstyrelsens Arbejdsrapport nr. 11 (2008).

Som et billede på worst case for Brændsels-NO_x, kan man beregne den mængde NO_x, som teoretisk vil blive dannet, hvis alt brændslets nitrogen bliver omdannet til NO_x. For de 8 prøver af husdyrgødninger er beregnet den maximalt mulige Brændsels-NO_x idet der er antaget, at der dannes samme mængde tør røggas per kg gødning som ved halm. Det er en rimelig antagelse, fordi den effektive brændværdi på vand- og askefri prøvebasis er af samme størrelse for prøverne som for halm, dvs. omkring 20 MJ/kg. Resultaterne er vist i tabel 11.

Litteraturværdierne viser, for lave nitrogenindhold, at det er op til ca. 50 % af den maximalt mulige NO_x, som bliver dannet. For høje nitrogenindhold bliver der kun dannet 5 – 10 % af den maximalt mulige NO_x.

I tabel 11 gives derfor et bud på, hvad NO_x-koncentrationen ville være, hvis hhv. 5 % og 50 % af den maximalt mulige NO_x blev dannet. Der er henregnet til 11 % oxygen for at kunne sammenligne med de tidligere nævnte litteratur-værdier. NO_x er beregnet som NO₂. Det skal bemærkes, at MDF- og spånplader har et lavt vandindhold, under 10 %. Gyllepillernes vandindhold på 11 % er ligeledes lavt, mens de øvrige prøver har vandindhold fra 23,7 % til 78,5 %. Det er ikke undersøgt, hvilken rolle vandindholdet spiller på dannelsen af Brændsels-NO_x.

Det erindres, at NO_x også kan dannes ved oxidation af det frie nitrogen i forbrændingsluften. Det sker i den varme forbrændingszone og sker ved høj forbrændingstemperatur, lang opholdstid og luftoverskud en smule over støkiometrisk forbrænding. Disse forhold aktiverer luftens oxygen, som bliver meget reaktivt og omdanner luftens nitrogen til NO, som siden oxideres videre til NO₂ (”Termisk NO_x”). Den adiabatiske flammetemperatur for det mest tørre brændsel, 8. Gyllepiller, er dog kun på knapt 1300 °C. Ved denne temperatur er risikoen for dannelse af Termisk-NO_x ikke så høj.

Samlet set er det vanskeligt at vurdere mere nøjagtigt, hvor stor den samlede NO_x-koncentration i røggassen vil blive, fra Brændsels-NO_x og Termisk-NO_x, uden at kende forbrændingsbetingelserne, der har stor betydning for dannelsen af Termisk-NO_x og uden at vide præcist, hvor meget af brændslets nitrogen, som rent faktisk vil blive omdannet til Brændsels-NO_x. Man må dog konkludere, at der for nogle af gødningerne er en forhøjet risiko for at NO_x vil dannes i større mængder end hvad der ses fra fyring med halm og andre, velkendte biobrændsler, hvor emissionerne typisk ligger omkring 100 – 300 mg/m³. Mængderne vil muligvis svare til, hvad der ses ved forbrænding af MDF- og spånplader. Det vil sige op til knapt 1000 mg/m³ (n,t) ved 11 % oxygen.

4.4 Fosfor i asken

Næringsstoffet fosfor anses for i fremtiden at kunne blive en knap ressource. Fosfors værdi som næringsstof hænger sammen med dets tilgængelighed for afgrøderne. Traditionelt betragtes det ud fra fosfor-forbindelsens opløselighed, men en nyere undersøgelse tyder på, at det ikke giver et tilstrækkeligt billede af tilgængeligheden. Undersøgelsen belyste tilgængeligheden af fosfor i aske fra forgasning. Ved den aktuelle forgasningsmetode blev askens temperatur holdt lavere end hvad man ser ved en normal forbrænding, og der var en reducerende atmosfære med lavere oxygenindhold end ved forbrænding. Det viste sig, at selvom asken herfra havde opløselighed på niveau som forbrændingsaske, så var tilgængeligheden bedre.

Indholdet af fosfor i asken ved forbrænding af de otte typer af husdyrgødninger er højt for alle otte prøver, men specielt højt for svinegyllefiber fra Kemira anlæg med polymer, blandet gyllefiber, gyllepiller og slagtekyllingegødningen.

Det kan derfor undersøges, om resultaterne fra den nyere undersøgelse kan reproduceres og, hvis de kan, overvejes, om en eventuel energiudnyttelse af husdyrgødning bør foregå på en måde, så asketemperaturen holdes lavere end ved en normal forbrænding.

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

Version 1.0 September 2010, © Miljøstyrelsen.