Pyrolysolja som bränsle för fjärrvärmeproduktion samt råvara till biodrivmedel : Egenskaper och prestanda vid lagring, förbränning och uppgradering

Sammanfattning: För att Sverige ska nå klimatmålet om noll nettoutsläpp av växthusgaser till år 2045 behöver bland annat mer biobränslen fasas in och fossila bränslen fasas ut och därför behövs större produktion och fler alternativ av biobränslen. Pyrolysolja är ett alternativ till biobränsle som har forskats på sedan 1970-talet men som först för några år sedan börjat produceras i större skala för användning till värmeproduktion. Först i år startades även en byggnation för produktion av pyrolysolja som ska uppgraderas till biodrivmedel av Pyrocell. Pyrolysoljan har annorlunda egenskaper och sammansättning mot andra biooljor och fossila oljor. Till exempel har pyrolysolja högt vatteninnehåll, hög viskositet och högt innehåll av syresatta komponenter vilket gör att pyrolysoljan har lågt värmevärde, är svårare att hantera och är ostabil. Karlstad Energi AB har påbörjat ett projekt för att utvärdera en integrerad pyrolysreaktor vid en befintlig kraftvärmepanna med målsättningen att i framtiden producera pyrolysolja. De är intresserade av att använda pyrolysoljan som bränsle i två av deras reservpannor för fjärrvärmeproduktion och för att få produktionen lönsam är de dessutom intresserade av att sälja pyrolysoljan som råvara till drivmedelsindustrin. Syftet med arbetet är att undersöka pyrolysoljans användbarhet i Karlstad Energis system utifrån pyrolysoljans egenskaper, åldring, förbränning och uppgradering till biodrivmedel samt jämföra pyrolysoljans egenskaper och förbränning med biobränslet de använder idag, bio100. Målen är att; (1) kartlägga och jämföra pyrolysoljans egenskaper med bio100 utifrån litteratur, (2) beräkna och bedöma viskositetsförändring samt varmhållnings och förvärmningstemperaturer av färsk och lagrad pyrolysolja utifrån litteratur, (3) beräkna förbränningsegenskaper och förbränningsprestanda vid en uttagen effekt på 30 MW i reservpannan genom simulering i Chemcad tillsammans med en uppbyggd värmeöverföringsmodell i Excel och (4) undersöka möjligheten att uppgradera pyrolysolja till biodrivmedel genom teoretisk beräkning av vätgasbehov och oljeutbyte. Pyrolysoljan undersöks med 25, 15 och 8 vikt % vatten och tillsats av 5 och 10 vikt % metanol och etanol för att stabilisera pyrolysoljan samt förbättra förbränningen. Resultaten visar på att en pyrolysolja med 8 % vatteninnehåll kan ha alltför hög viskositet för att kunna pumpas och förbrännas i rimliga varmhållnings- och förvärmningstemperaturer, medan 26 och 15 % klarar det med rimliga temperaturer, med och utan tillsats av alkohol. Vid förbränning med en uttagen effekt på 30 MW krävs ca 1,9-2,6 gånger så högt oljeflöde och ca 1,05-1,21 gånger så högt rökgasflöde för pyrolysoljorna mot bio100 (3250 kg/h respektive 42900 m3/h). Det innebär att anläggningen skulle kunna vara underdimensionerad för att få ut 30 MW vid förbränning av pyrolysolja där oljeflödet förmodligen är det begränsande flödet. Detta kräver ytterligare utredning av utrustningen. Luft-bränsle förhållandet för att uppnå 4 % syreöverskott är ca dubbelt så stort för bio100 mot pyrolysoljorna (16 mot 6,7-8,6 kg luft/kg olja). Utsläpp av stoft och NOx kan bli väldigt högt på grund av det höga ask- och kväveinnehållet och kommer förmodligen inte klara de framtida utsläppsbegränsningarna varav åtgärder kommer behövas. Verkningsgraden (baserat på det högre värmevärdet) för 8 % vatteninnehåll med 10 % etanol kommer upp i samma verkningsgrad som bio100 (91 %) mot 26 och 15 % vatteninnehåll som kommer upp i ca 84 respektive 88 %. Det teoretiskt beräknade vätgasbehovet och oljeutbytet ligger mellan ca 575-775 liter vätgas/kg pyrolysolja respektive ca 45-62 %. Överlag är tillsats av metanol det bättre alternativet för viskositeten men etanol är bättre vid förbränning och uppgradering till biodrivmedel.