Askföreningar påverkar hur en bränslepartikel brinner

Anna Strandberg har tagit fram ny kunskap om bränsleomvandling och askbildning för nya biobränslen. Hastigheten för bränsleomvandlingen påverkas både av partikelstorlek och av askans sammansättning. Anna försvarar sin avhandling fredagen den 1 juni vid Umeå universitet.

Fasomvandlingarna i en brinnande pellet kopplat till de lokala förhållandena i pelletsen visas för första gången i Anna Strandbergs avhandling. Resultat framtagna med hjälp av röntgenbaserad mikrotomografi för 3D-avbildning och analys av mikrostrukturer utgör en viktig del av den nya kunskapen.

– 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.

Ett ökat intresse för att nyttja nya biomassabaserade råvarufraktioner som bränslen i olika processer drivs av den pågående omställningen av energisystemen med målet att minska beroendet av 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.

Problemen associerade till dessa bränslen är ofta relaterade till innehållet av näringsämnen och mineraler, av vilka många i processen blir de askbildande elementen. Biomassa är en mycket blandad grupp av bränslen vilket innebär en stor variation av mängden och sammansättningen av de askbildande elementen.

Det är välkänt att de askbildande elementen i biobränslen kan vara problematiska i förbränningsanläggningar, med beläggningsbildning, korrosion och slaggning, det vill säga när smält aska bildar en sintrad ask-kaka som kan vara svår att avlägsna. Något som är desto mindre känt är hur askföreningar påverkar hur bränslepartikeln brinner.

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.

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.

Läs hela avhandlingen

Om disputationen:

Fredagen den 1 juni försvarar Anna Strandberg, Institutionen för tillämpad fysik och elektronik, Umeå universitet, sin avhandling med titeln 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

Disputationen äger rum klockan 10.00 i Carl Kempe salen (KBE 303), KBC-huset, Umeå universitet.
Fakultetsopponent är Dr. Maria Zevenhoven, Åbo Akademi, Finland.

Anna Strandberg har en civilingenjörsexamen i energiteknik från Umeå universitet. Hon är född och uppväxt i Ljusdal.

För mer information, kontakta gärna:

Anna Strandberg, Institutionen för tillämpad fysik och elektronik, TEC-lab, vid Umeå universitet
Telefon: 072 – 513 91 10
E-post: anna.strandberg@umu.se