Bränslen

Bränslen är material med bunden energi och kan vara fasta, flytande eller gasformiga.

Bränslen delas generellt in i två kategorier:

• Förbränningsbränslen 
• Kärnbränslen 

Förbränningsbränslen avger värme vid oxidation och kärnbränslen avger värme vid klyvning eller sammanslagning av atomkärnor. Denna text fokuserar på förbränningsbränslen. De vanligast förekommande förbränningsbränslena är biobränslen, råolja, stenkol, torv och naturgas. Vid förbränning oxideras bränslets kol och väte till koldioxid och vatten. Under denna process avges värme. Bränslets totala värmemängd anges i bränslets värmevärde. Den del av bränslet som deltar i förbränningsprocessen i pannan kallas brännbar substans och består framförallt av kol, väte och svavel.

Övriga ämnen, mineralämnen, blir efter förbränningen kvar som aska. Bränslet innehåller även en viss mängd vatten. En viss fukthalt kan vara bra för förbränningsprocessen, men stora mängder har en negativ effekt. En del av den värme som frigörs vid förbränningen går åt till vattnets förångningsprocess.

Man skiljer som regel på långflammiga och kortflammiga bränslen. Långflammiga bränslen är bränslen som har en gashalt som överstiger 37 %, medan kortflammiga bränslen har en gashalt som understiger 37 %. Bland de långflammiga bränslena skiljer man även på feta bränslen, såsom brännoljor, och magra bränslen, såsom kol, torv och ved. För att starta en förbränningsprocess krävs vanligtvis att man tillför värme. Detta eftersom det krävs en viss temperatur, tändtemperatur för att bränslen skall tändas. Denna temperatur varierar mellan olika bränslen.
 

Bränsleblandningar

Endast ett fåtal bränslen används som “rena” bränslen, oftast sker en sameldning med en varierande bränsleblandning. En viktig anledning till att blanda bränslen är att få ett jämt värmevärde. Blandningens utformning beror ofta på tillgång och pris. Panndesignen, liksom matningsutrustningen är viktig för att avgöra vilken typ av bränsleblandning som kan användas. Bränslets fysikaliska egenskaper kan avgöra vilket/vilka bränslen som kan blandas.

Viktiga parametrar att tänka på är:

• Omblandningen av de ingående bränslena är mycket viktig för att få en stabil förbränning, undvika lokala sintringar, kunna utnyttja olika bränslens positiva egenskaper och för att få effekt av svavelrika bränslen för att undvika/minska korrosion och påslag.
   
• Bränslen med stor skillnad i partikelstorlek/form kan kräva speciell hantering som t.ex. extra bränsleberedning i form av kvarnar eller separata bränslematningssystem.
   
• Stora skillnader i fukthalt mellan bränslena kan kräva speciallösningar för bränslematningen.
   
• Torrhalten på bränsleblandningen bör överstiga 40 % för att det ska bli energivinst i pannor utan rökgaskondensering.
   

Den kemiska sammansättningen av de ingående bränsleslagen har stor betydelse för hur bra en blandning kan fungera. Generellt gäller att:

• Svavelrika bränslen som till exempel torv, rötslam och däck kan förbättra egenskaperna hos trädbränslen med höga alkalihalter.
   
• Bränslen med höga asksmältpunkter kan förbättra egenskaperna för jordbruksbränslen som halm och spannmål med låga asksmältpunkter.
   
• En mycket låg inblandningsgrad (< 2-3 %) av ett ”besvärligt” bränsle i en fungerande bränslemix brukar inte förorsaka problem. Ett undantag är dock spannmålsavrens vid höga förbränningstemperaturer, som redan i mycket små mängder kan ge problem med sintringar.
   

För att kunna elda returbränslen i en biobränslepanna kan tilläggsinvesteringar krävas för att uppfylla kraven i avfallsförbränningsdirektivet. Läs gärna mer om olika bränslen på Energiforsk och i deras Bränslehandbok 2012.
 

Förbränningsteknikens krav på bränsleegenskaper

Tabellen nedan visar olika förbränningsteknikers krav på bränsleegenskaper. 

Förkortningar:
BFB - Bubblande fluidiserad bädd
CFB - Cirkulerande fluidiserad bädd

Tabellen kommer från Energiforsks Bränslehandbok.

 

Testmetoder för bränsleegenskaper

En sammanställning av olika metoder som kan användas för att bedöma bränsleegenskaper hos olika bränslen finns i tabellen nedan. Vissa av metoderna kan utföras på förbränningsanläggningar, under förutsättning att det finns tillgång till utrustning.

Tabellen kommer från Energiforsks Bränslehandbok.
 

Tabell över värmevärde och densitet för några vanliga bränslen

Det effektiva värmevärdet liksom densiteten för olja, kol, gaser, biobränsle och vatten samt ett antal andra bränslen kan studeras i tabell nedan.

Tändtemperatur

Ett bränsles tändtemperatur är den minimitemperatur vid vilken den genom förbränning bildade värmemängden är större än den avgivna. Tändtemperaturen skiljer sig mellan olika bränslen och beror även på bränslets fukthalt, omgivningstemperaturen, lufthastigheten, trycket och värmetransporten genom strålning. Tändtemperaturen är den lägsta temperatur vid vilken en stabil förbränning kan starta spontant. Eftersom tändning förutom temperatur beror på en rad faktorer som till exempel tryck och tillgänglighet (koncentration och blandning) av de inblandade reaktanterna (bränsle och oxidationsmedel) definieras självantändningstemperaturen för bestämda förutsättningar. För ett vätskeformigt bränsle definieras självantändningstemperaturen som den lägsta temperatur vid vilken bränslet spontant antänder (det vill säga utan närvaro av gnista eller flamma) i en standardbehållare vid atmosfärstryck (101300 Pa).

För fasta bränslen är det svårt att på ett bra sätt definiera självandtändningstemperaturen på grund av svårigheten att identifiera ett lämpligt standardtillstånd. Ytterligare faktorer som partikelstorlek och flödesförhållanden påverkar nämligen tändningen. Hur som helst brukar man ange självantändningstemperaturer också för fasta bränslen, men det finns all anledning att vara försiktig med att utsätta fasta bränslen för höga temperaturer även under tändtemperaturen.
 

Atomiseringstekniker

Vid förbränning av vätskeformiga bränslen måste bränslet finfördelas för att förbränningen ska bli effektiv. Detta kan göras på olika sätt och med olika medier:

Atomisering via bränslet

Vanligt är att atomiseringen sker genom att utnyttja trycket hos det vätskeformiga bränslet. Man kan skilja på två olika typer av atomisering beroende på hur detta genomförs:

• Jet atomisering - använder den kinetiska energin hos det flytande bränslet.
• Virvel atomisering  - använder centrifugalkrafterna som genereras i det flytande bränslet vid kraftig rotation.

Atomisering med tryckluft eller ånga

Istället för att utnyttja bränsletrycket kan man atomisera med hjälp av ett trycksatt medium.

• Tryckluftsatomisering 
• Ångatomisering

Atomiseringsmetodens betydelse

Sättet på vilket atomiseringen sker har ingen större betydelse för varken förbränningsverkningsgraden eller NOx-utsläppen, det har däremot graden av atomisering (det vill säga storleken på vätskedropparna). Detta beror på att droppstorleken och spridningen påverkar förbränningsförloppet och förbränningens intensitet.  Generellt gäller att ju finare man lyckas finfördela bränslet, desto högre blir förbränningsverkningsgraden. Vilket medium som väljs för atomiseringen har en viss betydelse för bildningen av NOx. Generellt gäller att ångatomisering sänker flamtemperaturmaximum och därigenom NOx och att luftatomisering bör undvikas vid syrgasförbränning i och med att introduktion av luft i förbränningsatmosfären drastiskt ökar termisk NOx.