Combustion properties of biomass residues rich in phosphorus

Tillgången på traditionella biobränslen är begränsad och därför behöver man ta fram nya, tidigare outnyttjade biobränslen för att möta de uppställda CO2 emissionsmålen av EU och det ständigt ökande energibehovet. Under de senare åren har intresset riktats mot termisk energiutvinning ur olika restfraktioner och avfall. Vid produktion av fordonsbränsle ur biomassa är den fasta restprodukten ofta den största procesströmmen i produktionsanläggningen. En riktig hantering av restprodukterna skulle göra produktionen mera lönsam och mer ekologiskt hållbar. Ett alternativ är att genom förbränning producera elektricitet och/eller värme eftersom dessa restprodukter anses som CO2-neutrala. Målsättningen med den här avhandlingen var att studera förbränningsegenskaperna hos några fasta restprodukter som uppstår vid framställning av förnybara fordonsbränslen. De fyra undersökta materialen är rapskaka, palmkärnskaka, torkad drank och stabiliserat rötslam. I studien används ett stort urval av undersökningsmetoder, från laboratorieskala till fullskalig förbränning, för att identifiera de huvudsakliga utmaningarna förknippade med förbränning av restprodukterna i pannor med fluidiserad bäddteknik. Med hjälp av detaljerad bränslekarakterisering kunde restprodukterna konstateras vara en värdefull källa för värme- och elproduktion. Den kemiska sammansättningen av restprodukterna varierar stort jämfört med mera traditionellt använda biobränslen. En gemensam faktor för alla de studerade restprodukterna är en hög fosforhalt. På grund av de låga fosforkoncentrationerna i de traditionella biobränslena har grundämnet hittills inte ansetts spela någon större roll i askkemin. Experimenten visade nu att fosfor inte mera kan försummas då man studerar kemin i förbränningsprocesser, då allt flera fosforrika bränslen tränger in på energimarknaden.

Perinteisten biopolttoaineiden saatavuus on rajallinen ja näin ollen tarvitaan uusia hyödyntämättömiä biopolttoaineita, jotta EU:n CO2-päästötavoitteet saavutettaisiin ja kasvava energian tarve voitaisiin tyydyttää. Viime vuosina kiinnostus on kohdistunut jätteen ja jäännösmateriaalin hyötykäytöstä energianlähteenä. Nestemäisen biopolttoaineen valmistuksessa suurin prosessivirta tuotantolaitoksesta on usein kiinteää jäännösmateriaalia. Jäännösmateriaalin oikeanlainen hyödyntäminen parantaisi valmistuksen kannattavuutta sekä kestävää kehitystä. Vaihtoehtona on tuottaa sähköä ja lämpöä polttamalla jäännösmateriaalia, sillä se luokitellaan CO2-neutraaliksi. Tämän tutkielman tavoitteena oli selvittää nestemäisen biopolttoaineen valmistuksessa syntyvän neljän eri kiinteän jäännösmateriaalin polttokäyttäytymistä. Tutkitut jäännösmateriaalit olivat: rapsikakku, palmunydinkakku, tislaussakka sekä viemäriliete. Tutkimuksessa käytettiin monia eri tutkimusmenetelmiä, aina laboratoriolaitteista pienikokoiseen polttolaitokseen. Täten pystyttiin kartoittamaan mahdolliset haasteet, joita kohdataan kyseessä olevien jäännösmateriaalien leijupetipoltossa. Tarkan polttoainekarakterisoinnin ansiosta pystyttiin todentamaan, että jäännösmateriaalit ovat arvokas lähde energian- ja sähköntuotantoon. Jäännösmateriaalien kemiallinen koostumus eroaa suuresti perinteisistä biopolttoaineista. Yhdistävänä tekijänä kyseisillä jäännösmateriaaleilla oli korkea fosforipitoisuus. Perinteisillä biopolttoaineilla on alhainen fosforipitoisuus ja näin ollen fosforin merkitystä tuhkakemiaan ei ole pidetty oleellisena. Tulokset osoittavat, että fosforin merkitystä ei voida vähätellä tutkittaessa kemiaa polttoprosesseissa, fosforirikkaiden polttoaineiden yleistyessä energiamarkkinoilla.

The currently-used sources of biomass are limited so new ones are required in order to meet the European Union target and to satisfy the constantly-increasing demand for energy. This is why energy recovery from residues or waste derived fuels has been given considerable attention over recent years. The residues generated during the production of biofuels for transportation are often the main stream from the production plant. Proper allocation of the residues could significantly improve the sustainability of the production process resulting in high greenhouse gas emission savings and improvement in their profitability. Energy recovery could be one application, among others, for the residues. The objective of this study was to investigate the combustion behaviour of four residues from the production of biofuels for transportation. The residues of interest were: rapeseed cake, palm kernel cake, dried distillers’ grains with solubles, and fermented sewage sludge. A wide range of methods of laboratory to semi-industrial scale was applied in order to define the main challenges related to the fluidized bed combustion of these residues. All residues were characterized by means of laboratory methods. The residues differ substantially in their composition compared to more traditional biomass fuels. Their common property is a high concentration of phosphorus. Until recently, phosphorus was considered a negligible element for ash chemistry due to its low concentrations. Rapeseed cake was further studied, as an example of phosphorus-rich fuel, during benchscale bubbling fluidized bed (BFB) and semi-industrial scale circulating fluidized bed (CFB) combustion experiments. Rapeseed cake, with phosphorus and alkali metals dominating its ash chemistry, led to defluidization at approximately 800 C. Bed sintering during fluidized bed combustion of pure rapeseed cake followed a non-reactive mechanism. This mechanism is controlled by the stickiness of fuel-derived ash particles. Entrained fine rapeseed cake ash particles also aggravated deposit formation. In order to improve the problematic behaviour two strategies were used: co-combustion and the use of limestone. Three different base fuels were used: bark, wood, and coal. Co-firing of rapeseed cake with a minimum of 60 wt% of bark in a bench-scale BFB reactor increased the defluidization temperatures compared to the pure rapeseed cake case. This was correlated with the increase of the Ca/P molar, which increased with a higher proportion of bark in the fuel mixture. During co-firing with wood in a semi-industrial scale CFB combustor, the addition of limestone was found to be necessary in order to improve the bed sintering tendency of the fuel mixture. Co-firing of rapeseed cake with coal in a semi-industrial CFB combustor did not show any significant operational problems. Therefore co-combustion with coal is considered to be one of the strategies to improve combustion of phosphorus-rich biomass. The experimental work in this study revealed that phosphorus has a role during combustion which cannot be neglected when phosphorus-rich fuels are entering the energy market. Challenges during fluidized bed combustion of the residues were defined and countermeasures were investigated.