Application of fuel design to mitigate ash-related problems during combustion of biomass

• The energy supply of today is, through the use of fossil energy carriers,contributing to increased net emissions of greenhouse gases. This hasseveral negative effects on our environment and our climate. In order toreduce the impact of this, and possibly to reverse some of the effects, allrenewable energy sources must be used. Biomass is the renewable energycarrier that has the greatest potential to reduce net greenhouse gasemissions, but the transition from fossil fuels to biofuels is challenging.The combustion of biomass is associated with various technical andenvironmental problems such as slagging, corrosion, and emissions ofparticles, soot, or harmful chemical compounds. Most of these problemsare linked to ash chemical reactions involving alkali metals. Therefore, toreduce the risk of operational and environmental problems, it is importantto understand and control the ash transformation reactions involvingalkali metals.The research presented in this thesis has focused on the development oftools, such as models and indices, for predicting the behaviour of variousbiofuels during combustion, and on the development of the concept of fueldesign and implementation of the same during industrial combustion ofbiomass. The development of easy-to-use tools for predicting problematicash behaviour is crucial in order to make it possible to increase the use ofbiomass as an alternative to fossil fuels. The tools presented here are basedon theoretical and empirical knowledge and can be used to predictchallenges concerning the fuel ash composition and to propose relevantfuel design measures.The purpose of fuel design, as used here, is to broaden the fuel feedstockand to increase the usability of biomass in the global energy system. Thisis achieved through measures to change the ash chemical composition inorder to enhance beneficial properties, or reduce problematic properties,via the use of additives or blending of two or more different fuels.The present thesis extends the foundation of knowledge regarding fuel ashtransformation reactions and their implications for operational problemsthrough in-depth laboratory studies and analyses. Furthermore, thefeasibility of applying this extended knowledge in the medium and largescaleindustrial combustion of biomass is demonstrated and validated. More specifically, a slagging index has been developed using the results ofseveral years of combustion experiments. Fuel designs based on the indexwas demonstrated during normal operation in local and district heatingplants. Furthermore, a model was developed for predicting slaggingproblems that take into account both the chemical composition of the fueland the burner technology.Several studies have also been performed on different fuel designs basedon the same foundation as the index and the model. Additives to supply forexample calcium and sulphur, as well as the clay kaolin, have been used toreduce both technical and environmental problems.The conclusion is that fuel design, based on ash chemistry, is a possiblepath for increased fuel flexibility and a broader feedstock for bioenergy.

• Vår energianvändning bidrar idag genom användandet av fossilaenergibärare till ökade nettoutsläpp av växthusgaser. Detta medför olikaeffekter på vår miljö och vårt klimat. För att minska påverkan, ocheventuellt reversera vissa av effekterna, måste alla förnybara energikälloranvändas. Biomassa är den förnybara energibäraren som har den störstapotentialen att minska nettoutsläppen av växthusgaser, men övergångenfrån fossila bränslen till biobränslen kan vara utmanande.Förbränning av biomassa är förknippad med olika tekniska ochmiljömässiga problem såsom slaggning, korrosion och utsläpp av partiklar,sot eller skadliga kemiska föreningar. De flesta av dessa problem ärkopplade till askkemiska reaktioner som involverar alkalimetaller. För attminska risken för drift- och miljöproblem är det därför viktigt att förståoch kontrollera de asktransformationer som involverar just alkalimetaller.Forskningen som presenteras i denna avhandling har fokuserat påutveckling av verktyg, såsom modeller och index, för att förutsägabeteendet hos olika biobränslen under förbränning, samt på utveckling avkonceptet bränsledesign och implementering av detsamma vid industriellförbränning av biomassa. Utvecklingen av lättanvända verktyg för attförutsäga problematiska askbeteenden är avgörande för att det ska varamöjligt att öka användningen av biomassa som ett alternativ till fossilabränslen. Verktygen som presenteras här är baserade på teoretisk ochempirisk kunskap och kan användas för att förutsäga utmaningarangående bränsleaskans sammansättning och beteende, samt för attföreslå relevanta bränsledesignåtgärder.Syftet med bränsledesign, som det används här, är att bredda råvarubasenför biobränslen samt att öka användbarheten för biomassa i det globalaenergisystemet. Detta uppnås genom åtgärder för att förändra askanskemiska sammansättning, så att gynnsamma egenskaper förstärks ellerproblematiska egenskaper reduceras. Detta möjliggörs genom exempelvisanvändning av additiv eller samförbränning av två eller flera olikabränslen.Den här avhandlingen utvidgar kunskapsbasen för asktransformationerhos biomassa och deras konsekvenser i form av driftproblem genomdjupgående laboratoriestudier och analyser. Dessutom demonstreras och valideras bränsledesign under industriell förbränning av biomassa imedelstor och fullstor skala.Mer specifikt har ett slaggindex utvecklats med hjälp av resultaten frånflera års förbränningsförsök. Bränsledesigner baserade på detta index hardemonstrerats under normal drift i när- och fjärrvärmeanläggningar.Dessutom utvecklades med hjälp av multivariata statistiska metoder enmodell för att förutse slaggningsproblem som tar i beaktande bådebränslets kemiska sammansättning och brännartekniken.Flera delstudier har även genomförts på olika bränsledesigner baserade påsamma grund som indexet och modellen. Sameldning av olika bränslenoch additiv för att tillföra till exempel kalcium och svavel, samtlermaterialet kaolin, har använts för att minska såväl tekniska sommiljömässiga problem.Slutsatsen är att bränsledesign, baserat på askkemiska grunder, är enmöjlig väg för ökad bränsleflexibilitet och breddad råvarubas förbiobränslen.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Kemiteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Chemical Engineering (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Industriell bioteknik -- Bioenergi (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Industrial Biotechnology -- Bioenergy (hsv//eng)

Nyckelord

Thermochemical energy conversion

biomass

combustion

ash chemistry

fuel design

ash transformation reactions

renewable energy

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)