Metallindustrins biprodukter kan ersätta jungfruligt bäddmaterial i bränslepannan

Fluidiserad bäddförbränning av biomassa är en väletablerad teknik för kraft- och värmeproduktion i Sverige. Tekniken innebär att förbränningen sker i en bädd av kiselsand, men när avfall och trädbränslen förbränns ackumuleras aska i sanden. Det förkortar dess livslängd och kräver stor omsättning av bäddmaterialet. Varje år går det åt 200 000 ton jungfrulig kiselsand, en begränsad resurs som kan vara viktig för grundvattnet.

Finns det något annat bäddmaterial som skulle kunna fungera lika bra eller till och med bättre än kiselsand? Svaret från forskningen är ja.

Felicia Eliasson Störner vid avdelningen för energiteknik på Chalmers tekniska högskola har nyligen disputerat på ämnet.

— Det finns aktiva bäddmaterial som kan ersätta kiselsanden och som har egenskaper som till och med kan förbättra förbränningen, säger hon. De här materialen kallas syrebärare och de kan bidra till en förbättrad syrefördelning och effektivare absorption av aska i förbränningsrummet.

Lovande resultat med järnsand

Ett av materialen som Felicia Eliasson Störner testat inom ramen för sin avhandling är järnsand som varit i fokus i Bio+projektet Järnsand som bäddmaterial för fluidbäddförbränning. Järnsand uppkommer som biprodukt från metallindustrin och används idag främst som blästersand och i konstruktionsmaterial. Men den potentiella tillgången på järnsand är stor nog att räcka till fler användningsområden.

När järnsand testades som bäddmaterial för fluidbäddsförbränning i projektet gav det lovande resultat. Ett två veckor långt försök i semiindustriell skala förflöt utan problem och utsläppen av kolmonoxid (CO) och kvävemonoxid (NO) reducerades med jämfört med kiselsanden.

Felicia Eliasson Störner gjorde kompletterande experiment i labbskala för att ännu bättre förstå hur järnsanden beter sig i olika skeden i förbränningsprocessen, till exempel hur den åldras och påverkas av den reaktiva askan från förbränd biomassa.

Variationer i bränslet komplicerar

Övergripande består bränsle av fukt, flyktiga kolväten, fast bundet kol och aska. Förhållandena mellan dessa påverkar hur snabbt bränslet förbränns, vilka ämnen som frigörs lokalt i pannan och hur stora mängder det blir av dessa. Även askans sammansättning spelar stor roll.

Ved med olika fukthalt kan göra förbränningsprocessen väldigt komplex att förstå sig på. Ännu knepigare blir det med hushållssopor.

— Tänk dig blandningen av glas, papper, olja, aluminiumburkar, plastförpackningar, matrester och vätskor. Sammansättningen ändras hela tiden och det kan bli väldigt stora och komplexa askströmmar, säger Felicia Eliasson Störner.

I Bio+projektet var det inte sopor som förbrändes, men att utvärdera järnsanden som bäddmaterial för just sopförbränning är ett logiskt nästa steg. Utifrån det skulle man kunna utforma en affärsmodell för materialets introduktion i kommersiell skala.

Utmaningar med uppskalning

Det är svårt att designa labbexperiment som kombinerar alla relevanta parametrar.

— I labbmiljö kan vi oftast bara kolla på en sak, eller ett par saker i taget, säger Felicia Eliasson Störner. Till exempel bränsleomvandling, askinteraktioner eller mekanisk förslitning av partiklarna.

— Men vi utvecklade en metod för att studera askinteraktioner och bränsleomvandling parallellt, vilket gav en något bättre bild än tidigare av vad det finns för begränsningar för det specifika bäddmaterialet.

Det har också varit värdefullt att kunna använda Chalmers kraftcentral för vidare försök. Där är förbränningsmiljön mer representativ för en fullskalig panna och man kommer närmare de typer av termisk, mekanisk och kemisk stress som partiklarna kan utsättas för.

Flera tydliga resursfördelar

Även om det är en bit kvar till kommersiell tillämpning av den kunskap som Felicia Eliasson Störners forskning och arbetet i Bio+projektet tagit fram finns det mycket som talar för att byta ut kiselsanden mot järnsand i fluidbäddarna i förbränningsanläggningar.

Förutom att järnsanden produceras i stora mängder liknar materialet redan ett bäddmaterial med avseende på exempelvis densitet och partikelstorlek. Det gör det möjligt att använda utan kostsamma förberedande steg som krossning och siktning, vilket krävs för att använda andra malmer eller stålslagg.

— Sätter man i gång med storskaliga experimentkampanjer snart och tar fram en tydlig plan för hur askan från processen ska hanteras, tror jag att järnsand skulle kunna börja användas inom ett par-tre år, säger Felicia Eliasson Störner.

— Det förutsätter såklart positiva resultat från experimenten, men många av de potentiella utmaningar som vi sett visar likheter med de man såg för Ilmenit, ett annat syrebärande bäddmaterial som idag används i stor skala. Det finns med andra ord både kunskap och erfarenhet att bygga vidare på.

Vill du veta mer?

• Här finns Felicia Eliasson Störners avhandling: Using affordable iron oxide-based materials as oxygen carriers for biomass conversion
• Bio+projektet Järnsand som bäddmaterial för fluidbäddförbränning.

_{Foto: Nagara Oyodo/Unsplash och privat (montage).}