Branschgemensam forskning för småskaliga biobränslepannor inför ekodesign

• Nytillverkade småskaliga biobränslepannor måste uppfylla ekodesignkraven senast år 2020. I en marknadsundersökning från 2014 klarade ingen av 11 testade pelletspannor alla ställda krav, vilket tydligt visar på ett utvecklingsbehov. Föreliggande projekt har haft som syfte att panntillverkare och forskningsinstitut branschgemensamt ska bemöta de förbränningstekniska utmaningar som tillverkarna står inför.För pelletspannor är den största utmaningen med ekodesigndirektivet att prestanda till största delen beräknas från drift vid partiell last (låg last). Tidigare har prestanda bara fastställts vid nominell last och designen optimerats därefter. I detta projekt har tester körts med två moderna pelletspannor som har olika typer av pelletsbrännare: en med horisontellt brännarrör och en med undermatad brännarkopp. Resultaten visar att tillräckligt god förbränning kunde upprätthållas vid partiell last med båda brännartyperna. Dock uppvisade rörbrännaren betydligt lägre emissioner vid partiell last, troligtvis beroende på att förbränningszonen i denna brännare är skyddad från värmestrålningsutbyte med kylande pannväggar. Ett ganska omfattande arbete lades ned på att förse koppbrännaren med en skyddande krage som skulle skydda förbränningszonen. Det resulterade dock inte in någon betydande förbättring, antagligen beroende på att tillförseln av sekundärluft inte blev optimal. Ett mer omfattande arbete krävs för att utveckla en optimal brännardesign av denna typ.För vedpannor är det en utmaning att klara ekodesigndirektivets NOx-krav på 200 mg/Nm³. En mängd temperaturmätningar i en vedpanna för villabruk resulterade i att termisk NOx-bildning kunde uteslutas. Pannan förseddes med ett system för rökgasåterföring, men det minskade inte NOx-emissionen. Därefter provades olika vedsorter. NOx-emissionen kunde minskas till att klara gränsvärdet med avbarkad björkved. Kemiska analyser visade att björkbarken innehöll 0,49% kväve jämfört med 0,09% i stamveden. Även granved gav låga NOx-emissioner, men det bränslet medförde ökade emissioner av CO och OGC. För att vedpannor ska klara kraven på CO, OGC och stoft krävs optimering med avseende på vedens slutförbränningsfas. I det skedet är emissionerna som högst, vilket beror på att värmeeffekten avtar och luftflödet tenderar att kyla ned rökgasen innan de brännbara gaserna brunnit ut. Den optiska partikelmätningen visade tydlig korrelation mellan stoft och CO i rökgasen. Om pannan uppfyller gränsvärdet för CO så finns goda chanser att även kravet på partiklar uppfylls.Verkningsgraden som anges i ekodesigndirektivet beräknas utgående från bränslets övre värmevärde. Dessutom subtraheras vissa förlustfaktorer. Detta innebär att pannan inte får ha några onödigt stora värmeförluster eller omotiverat hög elförbrukning för att klara satta krav. Mätningar visade att den största förlusten sker via värmen i rökgasen. Den näst största förlustposten är värmetransport från pannkroppen. För verkningsgraden ökar betydelsen av en välisolerad pannkropp vid partiell last. De två pelletspannor som användes inom projektet låg väl till för att kunna uppfylla ekodesigndirektivets krav på verkningsgrad.

• New domestic biofuel boilers must meet the Ecodesign Directive by 2020. In a market survey from 2014, none of 11 tested pellet boilers did meet all requirements, clearly indicating a developmental need. In the present project boiler manufacturers and research institutes have collaborated in response to the combustion engineering challenges.For pellet boilers, the biggest challenge with the Ecodesign Directive is that performance is largely calculated from partial load operation (low load). Previously, performance has only been determined at nominal load and the design has been optimized accordingly. In this project, tests have been run with two modern pellet boilers that have different types of pellet burner: one with horizontal burner tube and one with an underfeed burner cup. The results show that sufficient combustion performance could be maintained at partial load with both burner types. However, the tube burner exhibited significantly lower emissions at partial loads, probably due to the combustion zone in this burner being protected from heat radiation exchange with cooling boiler walls. A rather extensive work was laid down to provide the cup burner with a protective collar that would protect the combustion zone. However, it did not result in any significant improvement, probably because the supply of secondary air did not become optimal. A more extensive work is required to develop an optimal burner design of this type.For wood log boilers, it is a challenge to comply with the NOx requirements of the Ecodesign Directive of 200 mg / Nm³. A variety of temperature measurements in a wood log boiler resulted in the exclusion of thermal NOx formation. The boiler was fitted with a flue gas recirculation system, but it did not reduce the NOx emission. Then different varieties of wood fuels were tested. The NOx emission could be reduced to meet the requirement using barked birch wood. Chemical analyzes showed that the birch bark contained 0.49% nitrogen compared to 0.09% in the stock. Spruce logs also gave low NOx emissions, but that fuel resulted in increased CO and OGC emissions. For wood log boilers to meet the requirements for CO, OGC and dust, optimization is required under the wood's final combustion phase. At this stage, emissions are at its highest, due to the decreasing heat output while the airflow tends to cool down the flue gas faster than the combustible gases burn out. The optical particle measurement showed a clear correlation between dust and CO in the flue gas. If the boiler meets the CO limit, there are good chances that the requirement for particles also will be met.The efficiency specified in the Ecodesign Directive is calculated based on the fuel's higher heating value. In addition, some loss factors are subtracted. This implies that the boiler must not have unnecessarily large heat losses or excessive electricity consumption to meet the requirements. Measurements showed that the biggest loss occurs with the heat in the flue gas. The second largest loss is heat from the boiler body. For the efficiency, the importance of a well-insulated boiler body increases in the case of partial loads. The two pellet boilers used in the project were well suited to meet the eco-directive directive's efficiency requirements.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Energiteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Energy Engineering (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Industriell bioteknik -- Bioenergi (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Industrial Biotechnology -- Bioenergy (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Naturresursteknik -- Energisystem (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Environmental Engineering -- Energy Systems (hsv//eng)

Nyckelord

ecodesign directive

domestic boilers

pellets

burners

nox

flue gas recirculation

wood fuel

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

rap (ämneskategori)