Ragna Elger

Forskning för fosilfritt

12 april, 2017

I den stora omställningen från fossilt till biobaserat bränsle finns många områden där forskning pågår för att tillföra pusselbitar. På ett sådant område börjar några pusselbitar ta form tack vare de försök som Ragna Elger, forskare vid Swerea Kimab, redovisar i sin avhandling ”High temperature corrosion in biomass-fired energy applications – alloying effects and test environment comparisons”.

Högtemperaturkorrosion handlar om material och hur de arbetar tillsammans med miljön. Det är grundläggande kunskap som industrin behöver i omställningen från fossilt till förnybart bränsle. I både kraftvärmeverk och förgasare utnyttjas stor del av energin i värmeväxlare och där används stål i de värmeöverförande ytorna. Ragna Elger har med modellering, lab-exponeringar och exponeringar i fält testat vad som händer med olika stål i både förgasnings- och förbränningsmiljöer när man ersätter fossilt bränsle med biomassa. Hur påverkas olika stålmaterial? Hur mycket har de korroderat?

Förbränning av biomassa i kraftvärmeverk

Förbränning av biomassa och avfall i kraftvärmeverk medför skillnader jämfört med fossilt bränsle, med mindre svavel och mer klor. Vad händer då med stålet i kraftvärmeverkens överhettare?

– Mycket arbete har redan gjorts inom detta område. Jag har försökt utveckla labmetoder för att efterlikna stålets beteende i en överhettare i ett kraftvärmeverk. Det som är typiskt för miljön är tjocka beläggningar med olika salter som ofta bildas på stålytorna. Därför använde jag två olika metoder för att exponera prover för liknande salter och i liknande gasmiljö.

Genom att sedan studera stålmaterialen i elektronmikroskop har Ragna Elger analyserat korrosionen, jämfört med resultat efter exponering i kraftvärmepanna och även jämfört mellan olika stålsorter. Alla exponeringarna gjordes i en typisk gasmiljö med tillsats av svaveldioxid och saltsyra och gav liknande rangordning för stålen. Korrosionshastigheten blev högre i saltbäddsförsöken. Ragna Elger berättar också att en del resultat var överraskande, som att vissa stål angreps mer än hon hade förväntat sig, trots höga halter nickel och krom.

– Men det centrala är att även om det behövs mer undersökningar så vet vi nu att det går att efterlikna hur stål beter sig i miljöerna i ett kraftvärmeverk och att lab-exponeringar kan ge information för rankning av stål, den vetskapen är ett steg på vägen, säger Ragna Elger.

– Det långsiktiga målet är att så småningom kunna ge råd om stålsorter i olika miljöer och användningsområden. Det skulle vara mycket billigare för kraftindustrin än att välja fel stål i pannan och drabbas av fördyrande produktionsstopp eller att välja för dyrt stål. Men det är lång väg kvar, säger Ragna Elger.

Förgasning av biomassa för fordonsbränsle

Den andra delen i Ragna Elgers avhandling handlar om högtemperaturkorrosion när man förgasar biomassa för vidare förädling till fordonsbränsle. Vad händer med stålet i syntesgaskylare i förgasningsanläggningar? Även här är skillnaden mellan biomassa och fossilt bränsle viktig, med mer klor och mindre svavel. Hon har studerat prover i typisk gasmiljö, med och utan saltsyra.

– Det spännande är att saltsyra inte hade så stor effekt på högtemperaturkorrosionen. Högre klorhalt i form av saltsyra är tydligen inte ett stort problem i det här sammanhanget. Tvärtom alltså jämfört med kraftvärmeverk, säger Ragna Elger.

Ragna Elger fortsatte försöken, stålprover exponerades för syntesgasen i en förgasare i 500 och 1000 timmar. Här förväntade hon sig järnsulfider på det sämsta materialet men istället hittade hon zinksulfid.

– Det var intressant. Zinksulfid är mer stabilt än järnsulfid. Kanske har zinket skyddat stålet mot svavel som finns i biomassan? Om det är så kanske det är bra att modifiera så att det ingår zink i bränsleblandningarna för att undvika järnsulfider.

– Det finns väldigt lite praktisk erfarenhet och vad jag vet inga försök i fullskaliga förgasare för biomassa så det här resultatet är viktigt. Nu behövs det fler försök. Vi använde till exempel okylda prover vid 600 grader men skulle gasen vara 800 grader och proverna kylda kan det vara andra ämnen som kondenserar på ytan.

Modellering för effektiv utveckling

I arbetet har Ragna Elger också använt termodynamiska modelleringar för att förklara faserna i de exponerade stålproverna.

– Jag har modellerat nitrering av ett speciellt stål och följt hur kväve går in i stålet och bildar krom och aluminiumnitrider. Resultaten visar att databaserna väldigt väl visar vad som händer i stål i nitrerande miljö och att man kan göra simuleringar över tid, säger Ragna Elger.

När de olika lagren under ytan studerades kunde man också se att modellen gick dubbelt så långt in som lab-proverna.

– Dubbelt så långt, det är inte så tokigt i sådana här sammanhang, det visar att databasen håller hög kvalitet. Vi såg ett tunt oxidskikt på ytan som inte var med i modellen och som troligen förhindrat kvävets transport in i materialet. Det tror vi var huvudorsaken till det dubbla djupet, men det kan finnas andra orsaker också.

Vidare studier för övergång till fossilfritt bränsle

Förgasning är en möjlighet i övergången till fossilfritt bränsle och Ragna Elgers forskning lägger en grund för vidare studier.

– Jag kommer att försöka titta vidare på modellering. Det behövs smartare modeller. Kanske skulle man till exempel kunna räkna ut vilka halter av zink som är optimala? Utveckling av modelleringen öppnar många möjligheter för företag och användare, säger Ragna Elger.

Text: Gunnel E Vidén, Plan Sju.