Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

This report was written by Sofia Ericson and describes the degree thesis with the title: "Connections between the growing site of bio fuel, the chemical composition of bio fuel ash and the deposit growth in a bio fuel fired boiler." The purpose of this degree thesis was to avoid melted deposit growth in the bio fuel fired boiler at ENA Kraft in Enköping.

Potassium and sodium are known to lower the melting point of bio fuel ashes and are therefore not wanted in the trees in higher amounts than necessary for the growth. Silicon is also known to be important for the deposit growth but it is not possible to say in general if higher or lower contents of silicon is better. The relation between silicon and other chemical substances is more important than the total amount of silicon.

Literature studies on the subject resulted in a hypothesis saying that bio fuels from soils with high clay content are most likely to cause deposit growth in biomass fired boilers, because of their rich content of nouris hment such as for example potassium.

To confirm or reject this hypothesis, samples of soil, bio fuel and deposits where gathered and analysed. AnalyCen in Lidköping performed the analysis of the fuel samples and the deposit samples. The soil samples were analysed by the Swedish University of Agricultural Sciences in Uppsala. The melting points of the fuel ashes were analysed at Termiska Processer in Nyköping by the student performing the degree thesis.

The melting point analysis showed, all according to the hypothesis, that the fuel ash derived from the soil with high clay content melted at lower temperatures than the other ashes. Further analysis showed that the melted material contained mainly iron oxides and the fuel analyses showed that the melting sample ash had a higher content of iron oxides compared to the other sample ashes. This proves an unexpected effect of iron in bio fuel, but further soil analyses has to be done to explain the connection between the soil and the amount of iron in the trees.

Three different means were used to explain the results of the fuel analyses, the Seger formula from the ceramic industry, ratios from the glass industry and phase diagrams for systems of two or three compounds. The Seger formula can be declared insufficient in predicting melting points of bio fuel ashes because it is not considering the forming of low temperature melting eutectics. The ratios used in this degree thesis are adjusted to suit boilers with fluid beds, and they should therefore be considered to be rather uncertain when used on ashes from grate fired boilers. The use of phase diagrams is a good way to make complicated systems of melting points foreseeable, but these diagrams are not fully developed and can therefore not be used in all situations.

Målet med detta examensarbete var att undersöka hur växtplatsen påverkar
trädbränslens kemiska sammansättning och vilken inverkan det får på
beläggningsbildningen när bränslet förbränns i en rosterpanna. Begreppet
trädbränsle avgränsades i detta fall till att innefatta endast avverkningsrester (grot)
från gran.
Efter inläsning av ämnet formulerades en hypotes som sade att granar som vuxit på
lerrik jord ger den grot som är mest benägen att bilda beläggningar i pannan under
förbränningen. Lerrika marker har goda förutsättningar att förse växter med den
näring de behöver, och ibland även mer än så, eftersom lerpartiklar håller kvar
näringsämnen i ett växttillgängligt tillstånd. Näringen utgörs av baskatjoner som
till exempel K+, Ca2+.
Kalium och natrium är kända som ämnen som sänker smältpunkten hos askor,
vilket innebär att de har stor inverkan på beläggningsbildningen. Även kisel är ett
viktigt ämne, men dess påverkan på beläggningsbildningen är mycket komplicerad.
Det är inte totalhalten kisel som är intressant utan snarare förhållandet mellan kisel
och främst alkalimetallerna kalium och natrium.
För att styrka eller motbevisa hypotesen har provtagning och analys av
beläggningar, jord och bränsle ägt rum. Beläggnigsprover togs från fyra platser i
pannan där prov tagits regelbundet i många år. Ursprungligen valdes de platserna
för att det under normal drift bildas relativt mycket beläggningar där. Platser för
provtagning av jord och bränsle valdes med hjälp av jordartskartor och
terrängkartor som visar skogens utbredning. Fyra platser med jordarterna glacial
lera, morän, ”urberg” (jord i fickor på urberg) och svallgrus pekades ut på kartan
och de exakta koordinaterna hittades sedan med hjälp av en GPS- mottagare. På
varje plats grävdes fyra gropar och från varje grop togs två jordprov ut. Ett prov
togs från blekjorden under det översta förnalagret och ett från rostjorden ungefär
30 cm längre ner. Groparna grävdes som på ett kryss med granen, från vilken
bränsleprovet togs, i mitten. Bränsleproven utgjordes av grenar växande nära
marken på den utvalda granen.
Beläggningar och bränsleprover skickades till analysföretaget AnalyCen i
Lidköping för analys av askoxider och spårämnen. Jordproverna analyserades av
institutionen för markvetenskap vid Sveriges lantbruksuniversitet i Uppsala och där
bestämdes pH-värde, mängd lättlösliga katjoner och mängd utbytbara katjoner.
De inaskade bränsleprovens smälttemperatur undersöktes av examensarbetaren
själv på Termiska Processer utanför Nyköping. Där användes två olika metoder,
nämligen roterugn och uppvärmning i stillastående deglar.
Smältpunktsförsöken vid Termiska Processer visade, helt enligt hypotesen, att den
”lerväxta” granens aska började visa tecken på smältning redan vid 800 °C. Askan
från den gran som vuxit på ”urberg” visade tveksamma tecken på begynnande
smältning vid 950 °C, medan ingen smältning alls kunde observeras för askorna
från de granar som vuxit på morän och svallgrus.