Neue Rohstoffsortimente für die Holzpelletsproduktion Einfluss eines erhöhten Rindenanteils auf die Verbrennungseigenschaften

Transkript

1 Neue Rohstoffsortimente für die Holzpelletsproduktion Einfluss eines erhöhten Rindenanteils auf die Verbrennungseigenschaften DI Dr. Walter Haslinger, DI Dr. Günther Friedl, DI Elisabeth Wopienka, DI Waltraud Emhofer Abstract Holzpellets werden in zunehmendem Maße aus Hackschnitzel hergestellt. Es ist davon auszugehen, dass diese Veränderung der Rohstoffbasis zu erhöhten Aschegehalten im Brennstoff führt und zu Schwierigkeiten bei der Nutzung führen kann. Die vorliegende Arbeit kommt zum Schluss, dass moderate Anteile (< 5%) sauberer Rinde zu keinen wesentlichen Verschlackungen führen. Bei Verunreinigung oder / und sehr hohen Rindenanteilen ist mit Verschlackungsproblemen jedenfalls zu rechnen. 1. Einleitung Die Rohstoffbasis für die Pelletsproduktion unterliegt einer kontinuierlichen Veränderung. Sie ist bestimmt vom Angebot an Nebenprodukten aus der holzverarbeitenden Industrie und vom Wettbewerb um diese Rohstoffe mit der Papier- und Plattenindustrie. Verarbeitet werden einerseits Hobel- und Sägespäne. Andererseits wird aufgrund der aktuellen Schwäche der holzverarbeitenden Industrie in zunehmendem Maße auch Hackgut als Ausgangsmaterial für die Pelletsproduktion eingesetzt. 2. Zielsetzung Die vorliegende Arbeit setzt sich mit den möglichen Auswirkungen der veränderten Rohstoffsituation auf die Qualität der Pellets, insbesondere der Veränderung der Verbrennungseigenschaften auseinander. Vor allem der Einfluss eines erhöhten Rindenanteils, sowie des daraus resultierenden erhöhten Aschegehalts auf die Verschlackungsneigung wird untersucht. Neben den brennstoffbezogenen Einflussgrößen wird auch der Einfluss der Feuerungstechnologien auf die Bildung von Schlacke untersucht. Dabei wird auf die Ergebnisse von verschiedenen Forschungsprojekten, die von BIOENERGY (vormals Austrian Bioenergy Centre) im Auftrag und in Zusammenarbeit mit zahlreichen Industriepartnern durchgeführt wurden, zurückgegriffen [1]. Analoge Betrachtungen zur Schlackebildung werden von Öhman et al. [2] für Holzpellets mit einem Aschegehalt von 0,7% bis etwa 2% durchgeführt und von Carvalho et al. [3] für landwirtschaftliche Brennstoffe (Stroh, Mais-Ganzpflanze und Miscanthus). 3. Methode Die Untersuchung der Schlackebildung in Pelletsfeuerungen erfolgt in drei Schritten: (1) Auswahl und Analyse der Versuchspellets, (2) Auswahl und Charakterisierung geeigneter Versuchsfeuerungen und (3) Durchführung von Abbrandversuchen. 1

2 3.1. Versuchsbrennstoffe Als Versuchsbrennstoffe werden Pellets aus folgenden Rohstoffen herangezogen: Brennstoff 1: Fichte (Sägespäne) Brennstoff 2: Fichte (Sägespäne, 2% Rinde) Brennstoff 3: Fichte (Sägespäne, 5% Rinde) Brennstoff 4: Unbekannt A Brennstoff 5: Unbekannt B Brennstoff 6: Blauholz (Sägespäne, mit nicht definierter Menge an Rinde) Brennstoff 7: Birke (Hackschnitzel) Die Brennstoffe 1-3 wurden in einem Betrieb kontrolliert hergestellt, dessen Produktion nach ÖNORM M 7135 zertifiziert ist. Die Brennstoffe 4 und 5 wurden von Projektpartnern beigestellt, weil sie am Markt zu Verschlackungsproblemen geführt haben. Der Brennstoff 6 stammt aus einer nach DIN zertifizierten Produktion. Brennstoff 7 stammt aus einer nicht-zertifizierten Produktion. Die Analysedaten sind in Abschnitt 4.1 zu finden Versuchsfeuerungen Um den Einfluss der Feuerungstechnologie auf die Schlacke- und Emissionsbildung zu bestimmen, werden die in Abschnitt 3.3 beschriebenen Abbrandversuche in 5 Feuerungen durchgeführt. Diese unterscheiden sich durch folgende Kriterien: Technologie Brennkammermaterial Brennstoffzufuhr Regelungsstrategie Feuerung A Brennertopf aus Metall von oben Brennkammertemperatur Feuerung B metallisches Brennteller Unterschub Brennkammertemperatur Feuerung C Brennschale aus Metall von oben Brennkammertemperatur Feuerung D ungekühlte Feuerfest-BK von oben Lambda-Sonde Feuerung E gekühlte Feuerfest-BK von der Seite Lambda-Sonde Tabelle 1: Hauptmerkmale der Versuchsfeuerungen 3.3. Abbrandversuche Die Neigung zur Schlackebildung der einzelnen Pelletschargen wird in standardisierten Abbrandversuchen ermittelt. Für die Brennstoffe 1-5 wird während eines 72 Stunden dauernden Versuchs die Abgaszusammensetzung bestimmt, sowie mehrere charakteristische Temperaturen in der Brennkammer und im Glutbett aufgezeichnet. Die anfallenden Aschefraktionen sowie Proben von Ablagerungen und Schlacke werden gesammelt. Von ausgewählten Proben wird die chemische Zusammensetzung analysiert. Zur Bestimmung des Einflusses des Anlagenbetriebs werden folgende Versuche durchgeführt: Volllast - Betrieb mit Nennlasteinstellung Teillast - 30 oder 50% der Volllast Lastwechsel - vorgegebenes Lastwechselprogramm 2

3 Brennstoff 6 wird in Feuerung A einem rund 50 Stunden dauernden Abbrandversuch unterzogen, bei dem in 6 Stunden Intervallen die Rostreinigungsintervalle von 80 bis 360 min variiert werden. Brennstoff 7 wird nur brennstofftechnisch analysiert, aber keinem Abbrandversuch unterzogen, da er nur mit D = 8 mm vom Hersteller zur Verfügung gestellt werden kann. 4. Ergebnisse In den folgenden Tabellen und Abbildungen werden die Ergebnisse der wichtigsten Analysen nach ÖNORM sowie die Ergebnisse der Verbrennungsversuche hinsichtlich der Verschlackungsneigung der untersuchten Brennstoffe dargestellt Brennstoffanalysen Tabelle 2 zeigt die Analysen ausgewählter Pelletschargen nach Qualitätsparametern der ÖNORM M Der Wassergehalt der Pellets liegt bei allen untersuchten Chargen innerhalb des Grenzwertes der Norm (< 10%). Nr. Brennstoff D Abrieb H u,wf a S N Cl mm % MJ/kg m% mg/kg Trockensubstanz Nr. 1 Fichtenspäne 6 2,00 18,87 0, Nr. 2 Fichtenspäne+ 2% Rinde Nr. 3 Fichtenspäne + 5% Rinde 6 0,83 18,66 0, ,19 18,83 0, Nr. 4 Unbekannt A 6 n.b. 18,65 0,51 53 n.b. 72 Nr. 5 Unbekannt B 6 n.b. 18,62 0,90 57 n.b. 101 Nr. 6 Blauholz (Sägespäne + Rinde) 6 1,35 18,70 1,28 72 < Nr. 7 Birke (Hackschnitzel) 8 2,30 18,80 0,55 n.b. n.b. n.b. ÖNORM M ,3 >18,0 <0,50 <400 <3.000 <200 Tabelle 2: Brennstoffeigenschaften ausgewählter Brennstoffchargen (Werte die nicht der Norm entsprechen sind kursiv dargestellt; D Durchmesser; H u,wf wasserfreier Heizwert; a Aschegehalt; S,N,Cl Gehalt an Schwefel, Stickstoff und Chlor in den Pellets; n.b. nicht bestimmt) Die Versuchsbrennstoffe 3, 5, 6 und 7 liegen beim Aschegehalt über dem Grenzwert der ÖNORM M Der Aschegehalt und die Werte für S und N steigen mit steigendem Rindengehalt praktisch linear an (Brennstoffe 1-3). Signifikant erhöht, aber noch innerhalb der Grenzwerte sind S und N bei Brennstoff 6. Zusätzlich durchgeführte Ascheschmelzuntersuchungen bei den Brennstoffen 1-4 und 6-7 weisen für den Brennstoff 4 eine Erweichungstemperatur von C und für Brennstoff 6 eine Erweichungstemperatur von C auf. Im V gl. dazu liegt der Ascheerweichungspunkt aller anderen untersuchten Brennstoffe (1-3 und 7) bei >1.300 C. 3

4 4.2. Einfluss der Feuerungstechnologie Tabelle 3 zeigt den Einfluss der Feuerungstechnologie auf die Schlackebildung. Betrachtet man ausschließlich die in Feuerung A durchgeführten Versuche so ist überdies der Brennstoffeinfluss eindeutig nachweisbar. Bei den kontrolliert hergestellten Pelletschargen (Nr. 1-3) konnten nur geringe Mengen an Schlacke (kleine verschmolzene Stücke) bei jenen Brennstoffen festgestellt werden, die mit Rinde versetzt waren. Die beiden unbekannten Brennstoffe vom Markt (Nr. 4, 5) führen in allen Feuerungen, die mit diesen Brennstoffen betrieben wurden, zu zum Teil erheblicher Schlackebildung. Die nach DIN hergestellten Pellets (Nr. 6) wurden nur in der für alle Versuche verwendeten Feuerung A eingesetzt und führten dort ebenfalls zu erheblicher Schlackebildung. Die in den Versuchen mit den Brennstoffen Nr. 4-6 aufgetreten Schlacken, haben zu Betriebsstörungen geführt oder würden in den meisten Feuerungen nach ausreichender Betriebsdauer dazuführen. Das Ausmaß der Schlackebildung ist in den Abbildungen 1 (Schlacke der Brennstoffe Nr. 4, 5) und 2 (Schlacke von Brennstoff 6) zu sehen. Jene 3 Brennstoffe (Nr. 4-6), die zu signifikanter Schlackebildung führen, weichen allesamt von der ÖNORM M 7135 ab. Feuerung Brennstoff A B C D E Nr. 1 Nr. 2 ~ Nr. 3 ~ ~ ~ Nr. 4 - Nr. 5 - ~ Nr vorh., ~ geringe Mengen vorh., nicht vorh., - kein Versuch Tabelle 3: Neigung unterschiedlicher Pelletschargen zu Schlackebildung (Nr. 1 bis Nr. 3 kontrolliert hergestellt nach ÖNORM M 7135, Nr. 4 und Nr. 5 vom Markt, Nr. 6 nach DIN 51731) Bei den Versuchbrennstoffen Nr. 4 und Nr. 5 konnte eine bis zu 50fache Erhöhung der Konzentration der Elemente Aluminium, Silizium und Eisen festgestellt werden. Die Erhöhung der Konzentrationen dieser Elemente lässt mit hoher Wahrscheinlichkeit auf eine Verunreinigung des Brennstoffs schließen. 8 mm l cm ---l Abbildung 1: Schlacke nach 7 Volllastbetriebsstunden in Feuerung A mit Brennstoff Nr. 5 (li.), Schlacke nach 6 Volllastbetriebsstunden in Feuerung C mit Brennstoff Nr. 4 (re.) 4

5 Bei Versuchbrennstoff Nr. 6 sind die Elemente Aluminium und Eisen um das 15- bis 20fache erhöht, Silizium sogar um das 100fache. Es ist nicht eindeutig nachweisbar, ob hiefür der Rindenanteil, sonstige Verunreinigungen oder eine Kombination von beidem (am wahrscheinlichsten) verantwortlich sind. Abbildung 2: Schlacke nach 6 Volllastbetriebsstunden in Feuerung A mit Brennstoff Nr Schlussfolgerungen Die kontrolliert hergestellten Pellets mit geringen Anteilen an sauberer Rinde (bis 5%) führen in einer rein brennstofftechnischen und analytischen Bewertung zu keinen Abweichungen von der ÖNORM M In Abbrandversuchen wird überdies nachgewiesen, dass die so konditionierten Pellets nur im Fall eines Rindenanteils von 5% Schlacke in geringem Ausmaß verursachen. Alle im Rahmen der Versuche eingesetzten Feuerungen sind dazu in der Lage die Versuchspellets mit einem Rindenanteil von bis zu 5% störungsfrei zu verbrennen. Pellets, deren Aschegehalte den Grenzwert der ÖNORM überschreiten und deren erhöhte Aschegehalte auf Verunreinigungen oder/und Rindenanteilen zurückzuführen sind, können zwar mit Ausnahme des Aschegehalts alle anderen Grenzwerte einhalten, führen aber feuerungsunabhängig zu Schlackebildung. Abhängig vom Rost- und Rostabreinigungssystem führen die untersuchten Pellets mit erhöhten Aschegehalten zu Störungen im Betrieb der Feuerungen. Das Gesamtbild der Untersuchungen zeigt, dass moderat erhöhte Rindenanteile zwar zu einer entsprechenden Erhöhung des Aschegehaltes führen. Solange der Aschegehalt aber unter dem Grenzwert der ÖNORM M 7135 bleibt, ist davon auszugehen, dass ein störungsfreier Betrieb der Pelletsfeuerungen möglich ist. Es wird dennoch empfohlen, bei der Ausweitung der Rohstoffbasis auf Hackschnitzel größtmöglichen Wert auf Qualitätskontrolle zu legen und entsprechende Qualitätssicherungsmaßnahmen zu gewährleisten. Die vorgestellten Ergebnisse wurden im Rahmen von Projekten des Kplus-Programmes erarbeitet und mit Mitteln des Bundes, der Länder Steiermark und Niederösterreich sowie der Stadt Graz gefördert. Unser Dank gebührt weiters den am Projekt beteiligten 23 Firmenpartnern und den wissenschaftlichen Partnern (FJ-BLT, HFA, JR, ofi, VT-TU Wien). Summary A growing share of wood pellets is produced from wood chips. This change in the raw material basis may lead to increased ash contents and to malfunctions during the 5

6 utilization of these pellets in small scale combustion systems. The presented paper concludes that moderate shares (< 5%) of clean bark will not cause operational malfunctions, whether it may be expected that contamination and / or too high bark contents will lead to slag formation and operational malfunctions independently of the small scale combustion technology applied. Quellen 1. FRIEDL, G.; et al. (2007): 7. Industrieforum Pellets, Oktober ÖHMAN, M.; et al. (2004): Biomass and Bioenergy 27, 585 ff. 3. CARVALHO, L.; et al. (2007): 9 th International Conference on Energy for a Clean Environment, Póvoa De Varzim, Portugal, Juli