Askbildning från biobränslen kan ställa till problem i förbränningsanläggningar, askföreningarna påverkar också hur bränslepartikeln brinner. Hastigheten för bränsleomvandlingen påverkas både av partikelstorlek och av askans sammansättning, visar forskning från Umeå universitet.
Fasomvandlingarna i en brinnande pellet kopplat till de lokala förhållandena i pelletsen visas för första gången i doktoranden Anna Strandbergs avhandling. Forskningsresultaten är framtagna med hjälp av röntgenbaserad mikrotomografi för 3D-avbildning och analys av mikrostrukturer.
– Jag kunde konstatera att det bildades stora mängder sprickor och inre håligheter i pellets under förbränning vid hög temperatur, vilket ger nya pusselbitar till grundförståelsen av bränslepartikelomvandling, säger hon.
Outnyttjade växtdelar
Det finns ett stort intresse av att nyttja nya biomassabaserade råvarufraktioner som bränslen i olika processer, pådrivet av av den pågående omställningen till fossila bränslen. ”Nya” biobränslen inbegriper ofta snabbväxande grödor, tidigare outnyttjade växtdelar eller industriella restprodukter som på grund av dålig lönsamhet eller tekniska problem varit svåra att omvandla till nyttig energi.
Problem med de nya biobränslena är för det mesta associerade till innehållet av näringsämnen och mineraler, eftersom de utgör de askbildande elementen i förbränningsprocessen. Och biomassa är en mycket blandad grupp av bränslen, vilket innebär en stor variation av mängden och sammansättningen av de askbildande elementen.
Askbildande element i biobränslen kan orsaka beläggningsbildning, korrosion och slaggning i förbränningsanläggningar. Smält aska bildar en sintrad ask-kaka som kan vara svår att avlägsna. Något som är mindre känt är hur askföreningar påverkar hur bränslepartikeln brinner.
Askan isolerar kvarvarande bränsle
Anna Strandbergs resultat pekar på att bränslen med aska som smälter vid låg temperatur kan, även för mycket tunt lager av fint pulver, bilda en diffusionsbarriär på grund av smält aska, vilket begränsar kontakt mellan kvarvarande bränsle (kol) och den omgivande atmosfären.
Denna totala inkapsling av eventuellt kvarvarande bränsle, med begränsning på gastransport och bränsleomvandling, hittades inte vid förbränning av enskilda pellets. I praktiska tillämpningar i större skala, kan situationen emellertid vara annorlunda eftersom tjockare askskikt ackumuleras på en bränslebädd.
Nätstruktur vid lägre temperatur
Vetehalm bildar bubblor av smält silikatrik aska på ytan vid förbränning på enpelletsnivå vid hög temperatur. Dessa bubblor täckte bara delar av ytan. Vid lägre temperatur bildades istället en annan struktur på den silikatrika askan, mer formad som en stabil nätstruktur med lägre andel smälta.
Träbaserade bränslen, med hög halt av kalcium, bildade ett poröst asklager, utan tecken på att begränsa omvandlingshastigheten. Vid lägre temperatur bildar askan huvudsakligen karbonater; denna fraktion minskar när temperaturen ökar och vid hög temperatur domineras sammansättningen i stället av oxider.
Avhandlingen:
Fuel conversion and ash formation interactions: a thermochemical study on lignocellulosic biomass. Svensk titel: Interaktioner under bränsleomvandling och askbildning – En termokemisk studie på lignocellulosisk biomassa
Kontakt:
Anna Strandberg, Institutionen för tillämpad fysik och elektronik, TEC-lab, vid Umeå universitet, anna.strandberg@umu.se
