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
Combustion characteristics of straw stored with CaCO3 in bubbling fluidized bed using quartz and olivine as bed materials
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Applied Physics and Electronics.
Show others and affiliations
2018 (English)In: Applied Energy, ISSN 0306-2619, E-ISSN 1872-9118, Vol. 212, p. 1400-1408Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The addition of Ca-containing compounds can reduce mass loss from agricultural biomass during storage. The resulting alkaline environment is detrimental to microorganisms present in the material. Theoretical analysis of Ca-containing biomass suggests that combustion properties are improved with respect to slagging. To validate the theoretical calculations, barley straw was utilized as a typical model agricultural biomass and combustion characteristics of straw pre-treated with 2 and 4 w/w% CaCO3 for combined improvement of storage and combustion properties were determined through combustion at 700 degrees C in a bench-scale bubbling fluidized-bed reactor (5 kW) using quartz and olivine sand as bed materials. The combustion characteristics were determined in terms of elemental composition and compound identification in bed ash and bed material including agglomerates, fly ash, particulate matter as well as flue gas measurements. The addition of CaCO3 to straw had both positive and negative effects on its combustion characteristics. Both additive levels raised the total de fluidization temperature for both quartz and olivine, and olivine proved to be less susceptible than quartz to reactions with alkali. With Ca-additives, the composition of deposits and fine particulate matter changed to include higher amounts of KCl potentially leading to higher risk for alkali chloride-induced corrosion. Flue gas composition was heavily influenced by CaCO3 additives by significantly elevated CO concentrations likely related to increased levels of gaseous alkali compounds. The results suggest that it is necessary to reduce gaseous alkali compounds, e.g. through kaolin or sulphur addition, if alkali-rich straw is to be co-combusted with Ca-rich biomass or large amounts of Ca-additives.

Place, publisher, year, edition, pages
2018. Vol. 212, p. 1400-1408
Keywords [en]
Agricultural biomass, Barley straw, Calcium additive, Biomass storage, Fluidized bed combustion, Ash emistry
National Category
Energy Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-145589DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.12.112ISI: 000425200700103OAI: oai:DiVA.org:umu-145589DiVA, id: diva2:1191771
Projects
Bio4EnergyAvailable from: 2018-03-20 Created: 2018-03-20 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

Rebbling, AndersSkoglund, Nils

Search in DiVA

By author/editor
Rebbling, AndersSkoglund, Nils
By organisation
Department of Applied Physics and Electronics
In the same journal
Applied Energy
Energy Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 215 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