umu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Fuel indices for estimation of slagging of phosphorus-poor biomass in fixed bed combustion
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Applied Physics and Electronics. (Thermochemical Energy Conversion Laboratory)
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Applied Physics and Electronics. (Thermochemical Energy Conversion Laboratory)
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Applied Physics and Electronics. (Thermochemical Energy Conversion Laboratory)
Show others and affiliations
2017 (English)In: Energy & Fuels, ISSN 0887-0624, E-ISSN 1520-5029, Vol. 31, no 1, p. 904-915Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The market for solid biofuels will grow rapidly during the coming years, and there will be a great demand for raw materials. This will force the existing fuel base to also cover wooden materials of lower qualities as well as agricultural raw materials and residues, which often show unfavorable ash-melting temperatures. This may lead to combustion-related problems. Thus, for the utilization of lower quality fuels, it is important to be able to predict potential fuel ash-related problems such as slagging. In light of this, the first objective of the present paper was to evaluate the applicability of previously defined indices for slagging of biomass fuels (phosphorus-poor) in fixed bed combustion. The evaluation showed that none of the previously suggested indices in the literature are suitable for qualitative (nor quantitative) prediction of slagging during fixed bed combustion of P-poor biomass fuels. Hence, a second objective was to develop improved novel fuel indices that can be applied to estimate the slagging of phosphorus-poor biomass in fixed bed combustion. The novel fuel indices give a qualitative prediction of the slagging tendency in biomass fixed bed combustion but still needs additional work to further extend the compositional range as well as to fine tune the indices' boundaries.

Place, publisher, year, edition, pages
2017. Vol. 31, no 1, p. 904-915
National Category
Energy Engineering Chemical Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-131876DOI: 10.1021/acs.energyfuels.6b02563ISI: 000392553800094OAI: oai:DiVA.org:umu-131876DiVA, id: diva2:1076959
Projects
Bio4EnergyAvailable from: 2017-02-24 Created: 2017-02-24 Last updated: 2019-11-15Bibliographically approved
In thesis
1. Application of fuel design to mitigate ash-related problemsduring combustion of biomass
Open this publication in new window or tab >>Application of fuel design to mitigate ash-related problemsduring combustion of biomass
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
Umeå: Umeå University, 2019. p. 48
Keywords
Thermochemical energy conversion, biomass, combustion, ash chemistry, fuel design, ash transformation reactions, renewable energy
National Category
Chemical Engineering Bioenergy
Identifiers
urn:nbn:se:umu:diva-165225 (URN)978-91-7855-143-9 (ISBN)
Public defence
2019-12-11, N460, 09:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2019-11-20 Created: 2019-11-15 Last updated: 2019-11-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full text

Authority records BETA

Boström, DanRebbling, AndersBoman, Christoffer

Search in DiVA

By author/editor
Boström, DanRebbling, AndersBoman, Christoffer
By organisation
Department of Applied Physics and Electronics
In the same journal
Energy & Fuels
Energy EngineeringChemical Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 141 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf