Info - Byggeri og Teknik Dato: 17-4-29 Forfattere: Martin Nørregaard Hansen, AgroTech, Jens Kristian Kristensen og Erik Fløjgaard Kristensen, begge Århus Universitet, DJF, Institut for Jordbrugsteknik Forbrænding af fiberfraktionen fra separeret husdyrgødning Der er stigende interesse for at kunne udnytte energipotentialet i landbrugsrelaterede biomasser for at øge andelen af vedvarende og CO2-neutral energi. I den forbindelse er der behov for at få undersøgt muligheden for at udnytte energipotentialet af den faste fiberfraktion af separeret husdyrgødning. Denne undersøgelse søger at afklare, hvordan samfyring af fiberfraktioner og halm påvirker energiudnyttelsen og miljøpåvirkningen ved forbrænding i decentrale forbrændingssystemer. Resultaterne af forsøgene viser, at det med en forholdsvis enkel teknologi er muligt at forbrænde fiberfraktionen sammen med halm i mindre stoker halmfyringsanlæg. Fibrenes høje vandprocent og askeindhold betyder dog, at fiberfraktionen maksimalt kan udgøre halvdelen af den indfyrede masse. Forbrændingen af fiberfraktionen bidrager positivt til energioutput ved samfyring med halm. Selv med den største mulige mængde indfyrede fiberfraktion (5 %) udgør energiproduktionen fra fibrene dog kun ca. 2 % af kedlens totale energioutput, mens de 8 % kommer fra halmen. Denne teknik kan derfor kun benyttes på steder, hvor der er et varmebehov, som er betydeligt større end energiindholdet i fiberfraktionen. Samfyring af fiberfraktion og halm øgede ikke markant emissionen af NOx sammenlignet med emissionen ved afbrænding af ren halm. Til gengæld blev det fundet, at forbrænding af fiberfraktionen markant forøgede støvemissionen fra skorstenen i forhold til emissionen fra forbrænding af halm. Støvet indeholder bl.a. synlige sorte partikler, som vil kunne give gener ved nedfald i lokalområdet. Et evt. kommercielt anlæg, bør der derfor være udstyret med et effektivt røgrensningssystem. Det var stor forskel på forbrændingsegenskaberne for forskellige typer fiberfraktioner, og der er behov for en nøjere kortlægning af, hvad der betinger den store forskel. Herunder bør det undersøges, om det er muligt at forbrænde en større andel af fiberfraktioner ved at indfyre og blande halm og fiber på en måde, så fiberfraktionen ikke afgiver fugtighed til halmen og derved hæmmer forbrændingen. Baggrund I Danmark produceres der årligt mere end 3 mio. tons husdyrgødning, hvoraf hovedparten håndteres som gylle. I dag separeres under 5 % af den producerede gyllemængde, men der er forventning om, at denne andel vil stige betragteligt i fremtiden. Ved separeringen opdeles gyllen normalt i en eller flere vandige fraktioner, der indeholder hovedparten af gyllens indhold af plantetilgængeligt kvælstof og kali, og en tørstoffraktion (fiberfraktion), der indeholder hovedparten af gyllens tørstof, fosfor og organiske kvælstof. Hovedparten af fiberfraktionen udnyttes i dag enten som en jordforbedrende og fosforholdig gødning i planteproduktionen, eller tilføres biogasanlæg for at øge biogasproduktionen. I områder med høj husdyrtæthed og lang afstand til biogasanlæg, kan der imidlertid være problemer med at udnytte fiberfraktionen. I disse områder kan forbrænding af fiberfraktionen være et attraktivt alternativ. Forbrændingen kan dels begrænse omkostningerne ved transport af fiberens fosforindhold og kan samtidig føre til fortrængning af fossilt brændsel med CO 2 -neutral energi. Problemet med forbrændingen af fiberfraktionen er den begrænsede viden om fyringstekniske muligheder i mindre og forholdsvis enkle anlæg, herunder udledningen af miljøskadelige gasser, fiberens reelle brændværdi, samt forbrændingens indvirkning på gødningsværdien af asken efter forbrændingen. Der er derfor behov for under praksisnære forhold at få bestemt forbrændingens effekt på udledningen af forurenende gasser og partikler, samt at få udført kontrollerede fyringsforsøg med dette brændsel, hvor emissionerne, energiproduktionen og gødningsværdien af asken bestemmes. Sammensætningen af fiberen afhænger af den benyttede separationsteknologi og af gylletypen. Under normale forhold er tørstofindholdet i de producerede fiberfraktioner mellem 2 og 3 %. Det lave
tørstofindhold sammenholdt med fiberens høje indhold af uorganiske forbindelser betyder, at fiberen ikke kan forbrændes i traditionelle fyringsanlæg til halm eller flis uden forudgående tørring. Denne tørring kan være problematisk, da den kan føre til lugtgener og tab af ammoniak. Undersøgelser har imidlertid vist, at fiberen kan forbrændes sammen med halm i traditionelle halmfyringsanlæg. Fiberfraktioner har sammenlignet med halm et langt højere indhold af kvælstof og af uorganiske partikler. Disse forhold kan betyde, at forbrændingen kan føre til forøget udledning af miljøskadelige stoffer som eksempelvis kvælstofilter (NOx), kulilte (CO), drivhusgassen lattergas (N 2 O) og partikler. Denne undersøgelse vil derfor søge at afklare, hvordan forskellige fibertyper og blandingsforhold mellem halm og fiber påvirker energiudnyttelsen og miljøpåvirkningen ved forbrænding af halm og fiber. Undersøgelsen afdækker, hvilke blandingsforhold der er praktisk mulige og mest optimale for en optimal forbrænding, og hvordan blandingsforholdet indvirker på forbrændingens miljøpåvirkninger i form af partikelforurening og NOx udledning. Desuden vil undersøgelsen søge at udvikle en metode til bestemmelse af udledningen af lattergas ved forbrænding af fiber. Undersøgelsen, der blev gennemført på fyringslaboratoriet ved Institut for Jordbrugsteknik, Aarhus Universitet, er gennemført i samarbejde med Landscentret, Plan & Miljø, og er støttet af EU's landbrugsfond for udvikling af landdistrikterne og af Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri, Direktoratet for FødevareErhverv. Fyringsanlæg Blandingen af halm og fiberbiomasse blev afbrændt i et forsøgsanlæg bestående af et 2 kw REKA stokerfyr. Stokerfyrets kedel er forsynet med vandrerist og blæsere til indblæsning af henholdsvis under- og overforbrændingsluft. Halmklipper Kedel Silo til fiber Transportsnegl Figur 1. Forsøgsanlægget på Forskningscenter Bygholm som blev anvendt til undersøgelserne med samfyring af fiberfraktioner og halm. Der blev gennemført forsøg med afbrænding af to forskellige typer fiberfraktion, som var produceret ved separering af svinegylle med henholdsvis et Westfalia dekantercentrifugeringsanlæg (Westfalia) og et Kemira separeringsanlæg med kemisk fældning og skruepresning (Kemira). De to fibertyper blev samfyret med halm i henholdsvis lav og høj dosering.
Tabel 1. Brændværdi og indhold af tørstof og aske i de anvendte brændsler. Brændværdien er opgjort henholdsvist per kg tør brændsel (MJ kg ts -1 ) og per kg våd brændsel (MJ kg -1 ) Tørstof Aske Brændværdi Brændsel Separationstype % % af ts MJ kg ts -1 MJ kg -1 Hvedehalm 86 3 17,8 16, Westfalia Dekanter 23 16 16,5 2,2 Kemira Kemisk fældning 24 15 19,5 2,8 Tørstofindholdet i fiberfraktionen fra både Westfalia og fra Kemira-separering kan i et vist omfang varieres ved indstillinger af anlæggene og ofte ses højere tørstofindhold end anført i tabellen. Dette vil give højere tal for brændværdi opgjort per kg våd brændsel. Udledning af N 2 O (lattergas) En delopgave i projektet var at udvikle en metode til bestemmelse af lattergasudledningen ved afbrænding af fiberfraktionen. Koncentrationen af lattergas i ind- og udgangsluften fra forbrændingen blev bestemt ved N 2 O gas detektionsrør (Kitagawa gas detection tubes), efter at forbrændingen havde forløbet konstant i mere end 2 timer. Alle analyser blev gentaget tre gange. Lattergas emissionen blev beregnet ved at sammenholde den gennemsnitlige lattergaskoncentration med den mængde luft der blev udledt fra forbrændingskammeret. Resultater Forbrændingseffektivitet For at fastslå, om der reelt var et netto energioverskud ved forbrændingen af gyllefibrene i dette anlæg, blev der for hver type fiber udført forbrændingsforsøg med henholdsvis lavt og højt indhold af gyllefibre i det indfyrede brændsel. På baggrund af brændværdianalyserne kunne kedlens virkningsgrad bestemmes. For sammenligningens skyld blev kedlens virkningsgrad desuden bestemt ved fyring med ren halm. De vigtigste resultater er vist i nedenstående tabel 2. Tabel 2. Forbrændingseffektivitet, koncentrationer af kulilte (CO) og kvælstofilter (NOx), samt støvemission ved forbrænding af varierende andele af fiberfraktioner sammen med hvedehalm Brændsel Andel fiberfraktion % vådvægt Kedeleffekt (total) kw Kedeleffekt (fra fiber) kw Virknings grad % CO ppm NOx ppm Støv emission mg/m 3 røg Halm Kemira + halm Kemira + halm Westfalia + halm Westfalia + halm 33 55 27 38 238 239 228 237 231 22,7 4,1 1,4 17,6 77,9 8,1 8,1 79,9 76,5 377 561 959 45 1279 432 458 345 462 346 763 27 2586 1496 2423 Det ses, at langt den største del af kedeleffekten på ca. 235 kw kommer fra halmen, mens der kun kommer ca. 1 4 kw fra fiberfraktionen, svarende til 4 18 % af den totale kedeleffekt. Virkningsgraden af de forskellige blandinger af biomasser var tæt på 8 %, uanset typen af indfyret fiberfraktion. Ved indfyring af høj mængde af dekanter fiber (Westfalia) faldt virkningsgraden til lidt under 77 %, hvilket sandsynligvis skyldtes et højt tab af CO og dermed tab af kulstof. Det vurderes, at den forholdsvis store indfyring af fiber forhindrede en optimal forbrænding af biomassen. Til sammenligning var kedlens virkningsgrad i gennemsnit 77,9 % ved fyring med ren halm. Denne virkningsgrad er lavere end normalt for den pågældende kedel, hvilket skyldes, at varmeafgivelsen af halmafbrændingen var reduceret på grund af, at kedlen var modificeret til at kunne håndtere en blanding af halm og fiberfraktion. Emission af partikler (støvpartikler i røgen) Fiberfraktionernes indhold af aske udgjorde ca. 15 % af fibrenes tørstof, mens asken kun udgjorde ca. 3 % af halmens tørstof. En del af asken følger med røgen ud af kedlen, hvilket resulterede i en forholdsvis stor emission af støv fra skorstenen, når der blev fyret med fiberfraktion. Der blev målt støvmængder på 15-25 mg pr. normal-m 3 røg med 1 % ilt. Emissionen af støv var stigende med stigende mængde indfyret fiber. En del af støvemissionen bestod af sorte delforbrændte fibre, som faldt ned i umiddelbar nærhed af
Ilt (%) NOx (ppm) skorstenen, og som f.eks. kunne ses på taget af en bil. Ved fyring med ren halm var støvemissionen til sammenligning 65-875 mg pr. m 3 røg. På grund af den store emission af støv vil der være behov for at forsyne forbrændingsanlæg, der afbrænder husdyrgødningsfibre, med en eller anden form for røgrensning. Den synlige del af støvet vil sandsynligvis kunne fjernes med en cyklon, mens de meget små partikler fra halmen kun kan fjernes med et pose- eller elektrofilter eller evt. en røgvasker. Udledning af NOx (kvælstofilte) Emissionen af kvælstofilter (NOx) blev bestemt i forbindelse med forbrændingsforsøgene. Målingerne viste et NOx-indhold på ca. 465 ppm (ved 1 % ilt) ved lav mængde indfyret fiberfraktion, og et indhold på ca. 35 ppm ved høj mængde indfyret fiber. Til sammenligning var NOx-indholdet ca. 43 ppm ved fyring med ren halm. Samfyring med fiber førte altså ikke til en markant øgning af NOx udledningen sammenlignet med NOx udledningen ved afbrænding af ren halm, på trods af at fyring med halm markant øger brændslets kvælstofindhold. Dette paradoks blev derfor nærmere undersøgt ved, at udledningen af NOx som funktion af mængden af indfyret fibermængde blev målt for de forskellige fibertyper. Ved disse målinger blev doseringen af fiber ændret hver halve time. Derefter er der kørt i 2 minutter med den nye indstilling, inden koncentrationen af NOx i røggassen blev bestemt i de følgende 1 minutter. I samme setup blev temperaturen i brændkammeret bestemt. Hovedresultaterne fremgår af figur 2. Den 17.12.28 - Dekanter fiber 2 Halm 1% fiber 2% fiber 3% fiber 4% fiber 5% fiber 4% fiber 2% fiber Halm 1 18 9 16 8 14 7 12 6 1 5 8 4 6 3 4 2 2 1 9:5 1:1 1:3 1:5 11:1 11:3 11:5 12:1 12:3 12:5 13:1 13:3 13:5 Klokkeslæt Ilt NOx NOx (1% ilt) Temperatur Gns. temp. Gns NOx (1%) Figur 2. Røgens indhold af ilt og kvælstofilte (NOx), samt temperaturen i brændkammeret målt ved varierende andele af Westfalia fiberfraktion i brændslet Resultaterne viste ikke nogen klar sammenhæng mellem mængden af indfyret fiber og koncentrationen af NOx i røggassen (Figur 2). Der var dog en tendens til at koncentrationen af NOx i røggassen steg svagt indtil andelen af indfyret fiber udgjorde ca. 2 %, hvorefter koncentrationen faldt ved stigende andel af fiber i brændslet. Da fiberandelen efterfølgende forsøgsmæssigt blev aftrappet steg koncentrationen af NOx igen op til et maksimum ved ca. 2 % indfyret fiber, hvorefter den faldt igen ved lavere indfyring af fiber. Resultaterne viser, at NOx kurven i hovedtræk følger temperaturkurven. Dette indikerer, at det snarere er temperaturen i brændkammeret end indfyringsmængden af fiber, der er afgørende for indholdet af NOx i røgen. Fra andre forbrændingssystemer er det kendt, at der ved en høj forbrændingstemperatur dannes NOx ud fra luftens indhold af N 2 og O 2. I forbindelse med denne undersøgelse er det dog snarere en kombination af temperatur og fiberindhold, som er bestemmende for NOx indholdet i røgen. Ved et lavt indhold af fiber i den indfyrede biomasse er brændkammertemperaturen uforandret høj, og NOx indholdet
stiger derfor i takt med det stigende indhold af kvælstof i brændslet. Ved indfyring af biomasse med et højere indhold af fiber, falder forbrændingstemperaturen, hvilket betyder at NOx indholdet i røggassen falder på grund af den lavere forbrændingstemperatur. Bestemmelse af udledning af drivhusgassen lattergas Udledningen af drivhusgassen lattergas ved indfyring af husdyrgødningsbiomasse blev forsøgsvis bestemt ved manuelle målinger af koncentrationen af lattergas i røggassen ved brug af Kitagawa precision Nitrogen dioxide gas detection tubes. Resultaterne indikerede, at koncentrationen af lattergas i røgen steg ved samfyring med husdyrgødningsfibre. Resultaterne viste samtidig, at koncentrationen af lattergas varierede betydeligt over tid. Der er derfor behov for at metoden til bestemmelse af udledningen af lattergas udvikles således, at der kan gennemføres en kontinuerlig online registrering af lattergaskoncentrationen i hele fyringsforløbet. Projektet er støttet af EU s landbrugsfond for udvikling af landdistrikter, af Ministeriet for Fødevarer, Landbrug og Fiskeri og af Direktoratet for FødevareErhverv. Info - Byggeri og Teknik Plan & Miljø