n KEMITEKNIK/GASSER Bestemmelse af koksindholdet i biomasse Ved at benytte multivariat dataanalyse kan koksindholdet i biomasse forbrændt ved høje opvarmningsrater kvantificeres. Det er essentielt for arbejdet med at opnå en bedre forståelse for udbrændingen af biomasse i kraftvarmeværker. Af Anna Leth-Espensen, Peter Glarborg og Peter Arendt Jensen, DTU Kemiteknik Klimaforandringer har øget interessen for produktion af strøm og varme med mere miljøvenlige metoder. De genanvendelige energikilder udgjorde ca. 3,6 procent af den samlede energimængde brugt i verden i 2017, og tendensen er stigende [1]. Mange steder omlægges energi- og varmeproduktion til mere klimavenlige metoder, for eksempel hos Ørsted, hvor kul ikke længere vil blive brugt i kraftværker fra 2023. For at sikre en stabil varme- og energiforsyning må andre mere klimavenlige løsninger anvendes, og til denne gruppe regnes forbrænding af biomasse. Biomasseforbrænding kan foregå ved forskellige processer. I Danmark produceres en stor del af strøm- og varmeforsyningen i pulverfyrede kedler. Forbrænding af biomassepartiklerne sker ved en afgasning efterfulgt af oxidation af den dannede koksrest. Ved biomasseforbrænding sker en stor del af energifrigivelsen ved forbrænding af de flygtige afgassede produkter. Det er i modsætning til kulafbrænding, hvor koksforbrændingen giver det langt største bidrag. Fraktionen af biomasse, der omdannes til koks, er blevet undersøgt ved en række eksperimenter, og det har vist sig, at den kan variere en del afhængigt af driftsforholdene. Ved modellering af fyrrumsprocesserne og for at opnå en forbedret forståelse af udbrændingen er det væsentligt at have kendskab til den dannede koksmængde. Koksindholdet varierer som funktion af blandt andet opvarmningshastighed, omgivelsernes temperatur og indholdet af kalium [2]. På basis af resultater fra tidligere udførte forsøg er det ved hjælp af multivariat dataanalyse muligt at præsentere en formel [2], der kan bestemme koksindholdet i biomasse under betingelser, der svarer til suspensionsfyring. Den dækker både træ og andre bioenergiafgrøder. Formlen er testet med uafhængigt data fra litteraturen og bestemmer koksindholdet med en RMSEP (Root mean squared error of prediction) på 0,9 vægt% (tør, askefri basis) for træ og 1,1-2,7 vægt% (tør, askefri basis) for andre bioenergiafgrøder. Betingelser i suspensionsfyrede kedler Suspensionsfyring foregår i kedler, hvor biomassestøv blæses ind i swirl-stabiliserede flammer og brænder ved høje temperaturer. Biomassestøvet består af partikler med en omtrentlig størrelse på 100 µm - 2 mm. Temperaturen i fyrrummet ligger typisk i intervallet 1000-1900 K. Denne kombination gør, at opvarmningsraten for partiklerne i nogle tilfælde kan overstige 105 K/s [3]. Forskellen på kul og biomasse Suspensionsfyring foregår ofte i anlæg, der oprindeligt er designet til fyring med kul. Kul- og biomasseforbrænding adskiller sig på en række punkter. På grund af fibrene i biomasse er det mere energikrævende at findele disse, og kulpartikler i suspensionsfyrede anlæg vil derfor typisk være mindre. Desuden er indholdet af flygtige gasser højere og brændværdien mindre for biomasse [4]. De uorganiske forbindelser i biomasse vil også ofte være mere problematiske for driften på grund af risiko for belægning og korrosion. Forbrænding af en biomassepartikel Når biomassepartikler brænder under suspensionsfyring, foregår flere processer samtidigt. Groft sagt kan biomassefyring beskrives af de følgende processer: opvarmning, frigivelse af vand, frigivelse af flygtige gasser og tjære, omdannelse af tjære til gas, forbrænding af flygtige gasser og forbrænding af koks. En simplificeret oversigt over denne proces kan ses i figur 1. Processen, hvor der frigives gasser og tjære under iltfattige betingelser, kaldes pyrolyse. De gasser, der frigives gennem pyrolyse, forbrænder langt hurtigere end koksen. For at modellere biomassepartikelforbrænding korrekt er det derfor vigtigt at bestemme, hvilken fraktion koksen udgør. Figur 1. Skematisk oversigt over forbrænding af biomassepartikler. Multivariat dataanalyse Multivariat dataanalyse, også kendt som kemometri, kan bruges til at beskrive kemiske og biologiske datasæt, så sammenhænge kan belyses kvantitativt. Kemometriske metoder er beskrevet grundigt andetsteds [5]. 18 Dansk Kemi, 100, nr. 4, 2019 -
Download PDF fil
Se arkivet med udgivelser af Dansk Kemi her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her