Co-firing animal waste, sludge, residue wood, peat and forest fuels in a 50MWth CFB boiler : ash transformation, availability and process improvements

• The direct variable costs for heat and electricity production based on solid biomass fuel combustion is approximately 3-5 times lower than the costs in a fossil fuel-oil based boiler in Sweden. In addition waste derived biomass fuels are typically much cheaper than biomass not classified as waste. The introduction of the waste derived fuels; wastewater treatment sludge, demolition wood, and animal waste in a 50MWth circulating fluidized bed (CFB) biomass boiler located in Perstorp, Sweden, led to rapid deposit buildup in superheaters, heavy ash accumulation in economizers and failing boiler tubes and vortex finders that forced frequent boiler shutdowns. This in turn increased the use of expensive oil (fossil fuel) in backup boilers and the CO2 footprint of the on-site energy conversion system. This work aims to increase the general mechanistic understanding of combustion systems using complex fuels, and includes: A mapping of the boiler failure and preventive maintenance statistics; elemental composition analysis of ash, deposits and fuel fractions; flue-gas composition measurements; chemical speciation analysis; an attempt to describe the overall ash transformation reactions and mass balance throughout the combustion process. Scanning electron microscope (SEM) equipped with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) was used to analyze the elemental composition of ash and deposits. The SEM-EDS results were used together with data from X-ray powder diffraction (XRD) analysis, thermodynamic phase data, and equilibrium calculations in an attempt to quantify the crystalline phases and the overall ash transformation of the process. Based on the findings concerning ash transformation and the failure statistics, it has been possible to identify generic key parameters regarding boiler design and process parameters, enabling major improvements of the CFB boiler availability, a lower overall energy conversion cost and a reduced CO2 footprint.

• Den direkta rörliga kostnaden för värme-och elproduktion baserad på fast biobränsle är ungefär 3-5 gånger lägre än kostnaden för fossiloljebaserad produktion. Avfallsklassade fasta biobränslen är vidare oftast betydligt billigare än fasta biobränslen som inte är klassade som avfall. Införandet av de avfallsklassade bränslena; reningsslam, rivningsvirke, och animaliskt avfall i en 50MWth cirkulerande fluidiserad bädd (CFB) -panna, ledde till kraftig beläggningstillväxt i överhettare och ackumulering av aska i ekonomisers, samt haveri av panntuber och centrumrör i cyklonerna, som tvingade fram frekventa pannstopp. Detta ökade i sin tur användningen aveldningsolja (fossilt bränsle) i reservkrafts-pannor vilket resulterade i ett större CO2 utsläpp och en högre kostnad för energiomvandlingen på siten. Detta arbete syftar till att öka den allmänna mekanistiska förståelsen av förbränningssystem som använder komplexa bränslen, och omfattar; haveri- och underhållsstatistik, elementarsammansättningsanalys av aska, beläggningar och bränslefraktioner, rökgasens sammansättning, kemisk specificering av askor och beläggningar, ett försök att beskriva de övergripande askomvandlingsreaktionerna, samt en massbalans för förbränningsprocessen. Svepelektronmikroskop (SEM) utrustat med energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) användes för att analysera den elementära sammansättningen av aska och beläggningar. SEM-EDS-resultaten användes tillsammans med pulverröntgendiffraktionsanalys (XRD), termodynamiska fasdata, och jämviktsberäkningar i ett försök att kvantifiera de kristallina faserna och de övergripande askomvandlingsreaktionerna i processen. Baserat på resultaten rörande askomvandling och haveristatistik, har det varit möjligt att identifiera generiska nyckelparametrar gällande panndesign och processparametrar, som möjliggjort stora förbättringar av CFB pannans tillgänglighet, en lägre totalkostnad för energiomvandlingen på siten samt ett minskat CO2-utsläpp.

Subject headings

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Oorganisk kemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Inorganic Chemistry (hsv//eng)

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

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

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

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

Keyword

Co-combustion

animal waste

peat

waste wood

forest residues

industrial sludge

limestone

CFB boiler

ash transformation

corrosion

erosion

ash and deposit characteristics

deposit buildup

boiler failures

availability

sulfation

boiler design

boiler conversion

waste derived fuels

large scale

Samförbränning

animaliskt avfall

torv

returträ

skogsbränsle

reningsslam

askomvandling

korrotion

erosion

ask- och beläggnings-karaktäristik

beläggningstillväxt

tillgänglighet

sulfatisering

panndesign

pannkonvertering

avfallsderiverade bränslen

storskalig

Publication and Content Type

vet (subject category)

lic (subject category)