Modern vedförbränning

Välkommen till Bioenergi villaspecial. Under de senaste två åren har vi i Bioenergi successivt byggt upp en fast del som behandlar Bioenergi för småhus. 1999 går vi vidare och låter den delen också spridas i en större upplaga till bransch och allmänhet. Här i Bioenergi 6-98 ger vi en föraning på vad som väntar - håll till godo.

Det är skillnad på modern vedeldning och traditionell vedeldning.
Jag har tidigare visat på de miljö- och verkningsgradsmässiga skillnaderna mellan modern teknik och den gamla tekniken. I detta fall skall jag försöka förklara vad det är som gör att skillnaden blir så stor och samtidigt beskriva fördelarna med den moderna tekniken. Trots att blålågetekniken har funnits sedan mitten på 1980-talet är det många som inte förstår hur tekniken egentligen fungerar. För att förstå skillnaden måste man gå tillbaka till elementär förbränningslära. Vad är det egentligen som händer när man eldar ved?
Så brinner det
Det är egentligen inte ett vedträ i sig själv som brinner. Utan det är i huvudsak de brännbara gaser som veden avger som är brännbara. Man kan utgå ifrån att ungefär 90 procent av vedens energiinnehåll avgår i form av gas.
Det är endast 10 procent som bildar glöd. Förbränningstekniskt är det stora skillnader mellan glöd- och gasförbränning.
Glödförbränning
En glödförbränning är en renodlad kolförbränning, där enstaka kolatomer, via koloxid (CO), förbränns till koldioxid (CO2). Värmen avges i huvudsak via strålningsvärme från glödbädden till omgivande kallare ytor. En strålning kan aldrig passera ”runt ett hörn”, vilket innebär att en pannas konvektionsytor blir mindre viktiga.
Om man kunde konstruera en panna med renodlad glödförbränning så skulle konvektions-partierna kunna reduceras avsevärt.
Kokspannor
Den första generationen vedpannor var egentligen konstruerade för kokseldning. Koks bildas när man hettar upp stenkol och tar tillvara på de flyktiga gaserna i form av stadsgas. Det som blir kvar är fortfarande ett brännbart- men gasfattigt fastbränsle- koks. Koks var under 30- och 40-talet ett relativt billigt bränsle eftersom koks var en restprodukt från en omfattande stadsgasproduktion.
Värmepannor konstruerades för kokseldning- och man angav till och med en pannans storlek i m2 eldyta istället för i effekt. Detta därför att det är eldstadens yta som kan träffas av glödbäddens strålningsvärme som avgör hur mycket energi som pannans vattenmantling kan tillgodogörs sig. En storleksbedömning som sedan har hängt med ända fram till våra dagar.
För glödförbränning och strålningsvärme är överförbränningsprincip att föredra. Kokspannorna har därför alltid överförbränning, och relativt korta rökgasvägar. Eftersom de flyktiga kolvätena redan har avgått från bränslet är det i huvudsak en ren kolförbränning som sker.
Ur miljösynpunkt är det nästan omöjligt att bilda oförbrända kolväten i form av PAH i en-
renodlad glödförbränning. De utsläpp av oförbränt som kan uppstå är i huvudsak CO, som är både osynlig och luktfri.
Krigsåren
Under krigsåren med problem att få hem importerat kol, började så dessa pannor att i en allt större omfattning att eldas med ved.
I och med övergången från koks till vedbränsle uppdagades brister i pannans konstruktion. Eftersom veden, till skillnad från koks, är ett gasrikt bränsle så kom dessa första vedeldade pannorna avsedda för glödförbränning att fungera mycket dåligt.
Men eftersom marknaden efterfrågade bra vedpannor så började man snart utveckla pannor som var bättre lämpade för gasförbränning.
40-talet med bra teknik
Redan under slutet av 1940-talet konstruerades de första renodlade vedpannorna, till exempel Storebro-pannan, Aquator med flera, som byggdes med underförbränning och hade en gasförbränningskammare för att bättre kunna hantera brinnande vedgaser som snabbt transporterades bort från eldstaden.
Det finns exempel på vedeldningsteknik från tidigt 1950-tal som faktiskt skulle kunna mäta sig med dagens moderna teknik. Ved-agaspisen är ett sådant exempel.
Efter kriget kom oljeeldningen snabbt att ”ta över” uppvärmningen. Den utveckling av vedeldningsteknik som hade startat kom snabbt i skymundan och erfarenheterna glömdes bort.
Gasförbränning
En gasförbränning innebär en mycket mer komplicerad förbränningsteknik. Den pyrolysgas som bildas vid förgasningen är inte en enda gas, utan består av en blandning av kanske uppemot ett hundratal olika ämnen/gaser. Där varje ämne har sina specifika förbränningstekniska egenheter.
Vid förbränningen bildas sedan andra nya ämnen som skapas med utgångspunkt från bl.a. tillgången på luft, temperatur och turbulens. Vissa ämnen är lättflyktiga och finns bara med under en liten tid av förbränningen, sedan har de ”tagit slut”, andra ämnen finns med under hela eldningscykeln. Det är därför omöjligt att på förhand exakt kunna avgöra vilka ämnen som kommer att finnas med i gasförbränningen.
Temperaturens betydelse
För att åtminstone skapa teoretiska förutsättningar att uppnå fullständig förbränning behövs därför en förbränningstemperatur som överstiger antändningstemperaturen för de svårast antändbara gaserna. Vid förbränning av kolväteföreningar ligger den temperaturen på ungefär 850 °C. För de tunga kolvätena (PAH) ligger många av ämnena på temperaturer runt 800 °C. Det betyder att flamman måste tillåtas komma upp i minst 850 °C om man skall uppnå goda resultat ur miljösynpunkt. Lättflyktiga kolväten (VOC) har i de flesta fall antändningstemperaturer som ligger runt 5­600 °C och borde därför förbränningstekniskt inte utgöra några större problem vid förbränningen.
Temperatur
En hög temperatur påskyndar även förbränningsreaktionerna i tiden. Det betyder att fler gaser hinner förbrännas på en kortare tid- det vill säga att effekten ökar. I princip betyder detta sammantaget att man borde sträva efter att uppnå en så hög förbränningstemperatur som möjligt. Ju högre temperatur desto mer marginal till den nivå då man äventyrar förbränningsresultatet.
Men det finns också en övre temperaturgräns som man måste beakta. Vid temperaturer runt 1 050-1 100 °C antänds det luftburna kvävet och bildar oönskade kväveoxider (NOx). Det betyder att en ideal förbränningstemperatur bör ligga stabilt på 900-1 000 °C för att nå optimala prestanda.
Påverkan av förbränningsresultatet
I normalfallet brinner en vedlåga med en vitaktig och klar, lysande flamma. Det är brinnande kolpartiklar som ger flamman dess lyskraft. Det är dessa kolpartiklar som också bildar sot om man kyler ner flamman. En rödaktig flamma har alltså glödande kolpartiklar och är kallare än en vit flamma.
En vedflamma består alltså av ett antal pyrolysgaser som i en kedja av förbränningsreaktioner bildar nya ämnen som i sin tur förbränns till nya ämnen och så vidare. I slutändan skall alla kolatomer ha bildat koldioxid (CO2) och alla väteatomer bildat vattenånga (H2O) om förbränningen varit ”fullständig”. Denna kedjereaktion kan lätt bilda olika ämnen som i sin tur bildar andra ämnen, och principen förutsätter en relativt sett lång tid med bibehållen hög temperatur. Något som i sin tur lätt kan gynna bildandet av oönskade kväveoxider.
Turbulens och vatten
Genom att via en extrem turbulens och tillgång till vattenånga kan dock förbränningprincipen radikalt förändras. Från att brinna med en klart lysande vit låga kan man få flamman att brinna med en helt genomsynlig blåaktig flamma - så kallad blålågeteknik. Lågan består inte längre av kolpartiklar utan av mer lättflyktiga kolväteföreningar, så kallade aldehyder. Aldehyder förbränns direkt till koldioxid och vattenånga utan att gå ”omvägen” via en kolpartikel. Man har erhållit en helt sotfri flamma.
Sot eller inte
Skillnaden mellan en kolförbränning och en aldehydförbränning skulle enklast kunna liknas med skillnaden mellan vedeldning och gasolförbränning.
Om man kokar exempelvis kaffe över en öppen eld kommer kol (sot) via nedkylningen att kondenseras på kaffepannan. Om samma kaffepanna placeras på en gasollåga kan kaffet däremot kokas utan att sot fäller ut.
Recirkulation
Tekniken har varit känd inom oljeeldningen sedan slutet av 1960-talet. Genom att återcirkulera förbränningsgaser in i flamman utnyttjas vattenångan (som bland annat bildats vid förbränningen) som en slags ”kracker” till att slå sönder de långa och tunga kolvätekedjorna till kortare molekyler. Istället för en lång molekyl som förbränns på traditionellt sätt får man flera kortare bitar som samtidigt kan förbrännas.
Resultatet blir dels ett snabbare förbränningsförlopp, vilket minskar bildandet av kväveoxider, och dels en förbränning av mer lättflyktiga ämnen som i sin tur antänds vid lägre temperaturer och som är ”för korta” för att bilda en lång rad oönskade ämnen.
Blålågepannor
Omkring 1985-86 kom de första vedpannorna med blålågeteknik. Det var bland andra italienska Unical och danska HS Tarm. De utnyttjade en fläkt för att skapa extrem turbulens och en specialkonstruerad brännkammare för förbränna gaserna. I och med att vatten finns med i bränslet och att vattenånga bildas vid förbränningen hade nu förutsättningar skapats för renodlad blålågeteknik och en mer sotfri förbränning.
På köpet fick man stabilare prestanda och minskade utsläpp av oförbrända tyngre kolväten. Fläktpannetekniken blev därför snabbt den helt marknadsdominerande vedeldningstekniken över hela Europa.
Förlåtande teknik
Blålågetekniken innebar radikalt förbättrade förutsättningar att elda ved under mer kontrollerade former. Man blev mindre känslig för vedkvalitet, yttre förhållanden som drag, väderlek etcetera. Produkterna blev mer förlåtande för eldarens misstag.
Under slutet av 1980-talet började man titta på utsläpp av lättflyktiga kolväten (VOC). Dessa kolväten är gasformiga och kondenserar inte till sot och tjära. Det innebär att de inte funnits med i de miljökrav som ställts på eldningsutrustning. VOC är - förutom hälsoeffekter - oxidantbildande och bildar tillsammans med solljus marknära ozon, som i sin tur skadar växande grödor.
Minskar utsläpp
Blålågetekniken reducerade utsläppen av tunga kolväten (PAH) med uppemot 99 procent jämfört med äldre traditionell teknik. Reduktionen av lätta kolväten (VOC) blev i samma pannor dock ”bara” cirka 70 procent. Något som snabbt uppmärksammades och ledde till diskussioner om nya miljökrav.
Förbränningstekniskt är det vid första anblicken märkligt att förbränningen av tunga kolväten är bättre än för de lättare ämnena. De tyngre kolvätena behöver ju en högre förbränningstemperatur än de lättare.
Orsaken till detta förhållande står att finna i att man med blålågetekniken skapade en sotfri flamma där man prioriterade en kort uppehållstid för att inte gynna kväveoxidbildningen. Brännkammaren blev helt enkelt för liten och/eller uppehållstiden alltför kort för att flamman skulle hinna förbänna alla kolväten. Och eftersom de lättflyktiga kolvätena inte kan kondensera till sot så visste man helt enkelt inte om att det fanns oförbrännt kvar efter flamman.
Anledningen till att dessa ämnen inte förbränns är att gasblandningen efter flamman är alltför mager för en fortsatt förbränning.
En effektiv slutförbränning av de lätta kolvätena förutsätter därför hjälp av en längre uppehållstid i en flamma för att kunna slutförbrännas.
Recir-kulerande blålågeteknik
Först ut på plan med recirkulerande blålågeteknik var italienska Mescoli. Man konstruerande en blålågepanna med ett trycksatt förbränningsutrymme. Förbänningskoppen konstruerades av värmetåligt stål och förstorades så att uppehållstiden för gasförbränningen ökade. För att trycksätta och hålla kvar flamman i förbränningszonen ordnades en liten kant på utloppet.
Härmed skapades ett övertryck i brännkammaren. Ett övertryck som inte får fortplanta sig till vedeldstaden då det där annars lät skulle kunna orsaka rökgaspuffar. För att undvika detta perforerades brännarkoppen med hundratals små hål som tolererar ett visst övertryck men sedan börjar släppa ut gasen genom hålen.
För att inte öka bildandet av kväveoxider vattenmantlas utrymmet runt brännkammaren och strålningsvärme kan avgå från stålkoppen till vattenmantlingen. Därmed sänks flammans temperatur och kväveoxidbilningen kan hållas tillbaka trots en längre uppehållstid.
Denna pannkonstruktion kom sedan att stå modell för ett stort antal vedpannor på marknaden. Idag finns i Sverige ett 10-tal modeller som man kan härleda till modern recirkulerande blålågeteknik.
Installation och handhavande
Trots att dagens vedpannor har mycket bra prestanda och är lätta att hantera är det ingen garanti för att eldaren skall uppnå dessa bra prestanda. Självklart är en modern panna svårare att misslyckas med, men det är ändå så att det är installationen och eldarens handhavande som till slut avgör det slutgiltiga resultatet.
Är ackumulatortanken underdimensionerad eller felaktigt inkopplad hjälper det inte att pannans prestanda är bra. Är eldaren okunnig och ointresserad av hur anläggningen fungerar som kommer resultatet att bli därefter. Det betyder att vedeldning även med modern teknik kan orsaka störningar och klagomål från grannar och andra kringboende. Om vedeldningen på sikt skall kunna bli helt accepterat som tätortsbränsle måste antingen vedeldarens kunskaper öka eller så måste vi få utrustning som själv känner av och kan kompensera för eldarens misstag. Kanske är lösningen en kombination av båda delar.
Vedkörkort
Det kan vara dags att införa någon form av vedeldarexamen där eldaren får dokumentera och bevisa att han har de grundläggande kunskaper som behövs innan han får tillstånd att installera sin vedeldning. Ett upplägg liknande det system som jägarna har i sin jägarexamen.
Kontrollerad förbränning
På utrustningssidan har vi börjat få vedpannor som via en lambdazond känner av hur rökgaserna ser ut, och som med utgångspunkt från dessa värden sedan går in och justerar primär- och sekundärluften så att bästa förbränningsresultat bibehålls oavsett vedkvalitet, upphängning etcetera.
Vi har fått de första vedpannorna som tar befälet över eldaren och automatiskt ser till att man eldar på bästa tänkbara sätt.
Idag finns runt om i Europa ett 10-tal pannor med lambdazondsstyrning.
Åtminstone tre av dessa finns på den svenska marknaden. Men tekniken är dyr och konsumenterna vill knappast investera 15-20 000 kr extra i en vedpanna för att få högsta möjliga verkningsgrad och miljöprestanda så länge vedpriset ofta bara består i en egen arbetsinsats.
Slutsats
Jag har med detta försökt att visa att dagens vedeldningsteknik har förutsättningar att fungera bra även i tätbebyggda områden. Det är viktigt att konstatera att det är mycket stor skillnad mellan den traditionella tekniken och den teknik som erbjuds i dag. Och jag har försökt att visa att det är minst lika viktigt att vi ställer krav på eldarens kunskaper som på utrustningstillverkaren.
Med rätt handhavande i modern teknik är jag övertygad om att även den traditionella vedeldningen har en positiv framtid. Vedeldningen är en stor resurs i omställningen till ett långsiktigt och uthålligt energisystem.
Bengt- Erik Löfgren, Äfab