Effect of additives in reducing ash sintering and slagging in biomass combustion applications

Abstract

The objective of this study was to investigate sintering and slagging behaviors of biofuels during combustion processes. Biofuels tested are derived from the agricultural sector, wood and furniture industry as well as from municipal sewage sludge. It was also the aim to test and evaluate additives that can prevent and abate biomass ash sintering by conducting laboratory and industrial scale tests.

Sintering characteristics of sewage sludge ashes at elevated temperatures were investigated by means of different laboratory methods. Utilizing of phosphorus participation agents Al2(SO4)3 or Fe2(SO4)3 caused substantially high contents of aluminum or iron in the studied sewage sludge ashes, respectively. High initial melting temperatures over 1100 °C and low sintering tendencies were observed from the sewage sludge ashes rich in aluminum. It was related to presence and formation of the inert mineral phases such as aluminum oxide, quartz and calcium aluminum silicates in the aluminum rich sewage sludge ashes at elevated temperatures. A low melting temperature, about 994 °C, was detected from the iron rich sewage sludge ash. Severe sintering of this sewage sludge ash was mainly due to generation of low temperature melting iron silicates, as results of interaction and re-assemblage of hematite (Fe2O3), quartz (SiO2) and alkali feldspars under heating.

Fusion behaviors of corn cob ashes under rising temperatures were characterized. The work revealed that chemical compositions of corn cob ashes are dominated by potassium, silicon, chlorine and phosphorus. However, the relative concentrations of these principal elements are considerably different for three studied corn cob ashes, which have major influence on ash transformation reactions and sintering tendencies. Compared with the other two, the chemical composition of the Waimanalo corn cob (WCob) was characterized with the highest K/Cl, Si/(Ca+Mg) and (Si+P+K)/(Ca+Mg) molar ratios, which was favorable for formation of low temperature melting potassium rich silicates and phosphates, causing severe sintering of the WCob ash at elevated temperatures. In contrast, both the Pioneer corn cob (PCob) and Surcin corn cob (SCob) contained high contents of Cl, Ca and Mg that promote K release from the ashes to a certain extent and inhibit formation of low temperature melting K rich silicates and phosphates. In addition, abundance of Ca and Mg in the PCob and SCob facilitated formation of high temperature melting Ca/Mg-K-silicates and Ca/Mg-K-phosphates, reducing sintering degrees of ashes derived from these two corn cobs.

Utilizing additives is an efficient way to mitigate ash related operational problems in biomass combustion applications. The useful additives can be proximately categorized into Al-Si-based, S-based, calcium-based and phosphorus-based, according to the major chemical composition in the additives. After fed into biomass combustion systems with different approaches, the additives can decrease amounts of problematic ash species through five possible mechanisms, which prevent and/or abate ash related problems consequently. It is interesting to exploit additives from waste materials, which are normally characterized with rather high chemical reactivity, physical adsorption capacity, abundance of refractory compounds themselves and low costs. More detailed studies are needed to clarify effects of these additives on ash transformation during biomass combustion processes.

Sintering characteristics of biomass ashes and effects of additives were investigated. The work revealed that severe fusion of wheat straw ash was associated with intensive formation and melting of potassium silicates under heating. Whereas, sintering of wood waste ash was caused by generation of low temperature melting potassium/sodium aluminum silicates and potassium/sodium calcium silicates. The best anti-sintering effect was achieved by using the marble sludge as additive. The dilution effect from the marble sludge was considered as the main reason to prevent sintering of two biomass ashes. Addition of sewage sludge enhanced contents of inert minerals and reduced melted fraction in two biomass ashes. These inert minerals are (1) directly from the added sludge and (2) formed due to reaction between aluminosilicates in sludge and K containing species in the biomass ashes. Therefore, sintering degrees of the two biomass ashes were reduced upon sewage sludge addition. Clay sludge addition resulted in more severe sintering behaviors of the wood waste ash, as a result of formation of more Si rich melts upon heating.

Effects of additives on ash slagging behaviors were further investigated during combustion of wood waste pellets in an industry scale boiler. It was found that the wood waste ash had a high slagging tendency and silicate-alkali chemistry played a dominating role during the ash sintering process. The addition of marble sludge significantly reduced the slag formation during wood waste pellets combustion. This occurred because marble sludge restrained accumulation of melted ash and contributed to formation of high temperature melting potassium/sodium calcium silicates. The sewage sludge addition gave a less pronounced anti-slagging effect on wood waste pellets combustion. The composition of the formed slag was changed from low temperature melting silicates to high temperature melting mineral phases. In addition, the size and sintering degree of the formed slag decreased considerably, improving the operation conditions of the boiler.

Formålet med dette studiet var å undersøke sintring og slagging oppførsel til biobrensler i forbrenningsprosesser. Brenslene som ble undersøkt var fra jordsbrukssektoren, treforedlings-og møbelindustri og kloakk renseanlegg. Det var også et mål å teste og evaluere additiver som kan forhindre eller redusere sintring av biomasse asker, ved å gjennomføre laboratorie og industriell skala forsøk.

Sintring karakteristikk for kloakkslam asker ved høyere temperaturer ble undersøkt ved å gjennomføre ulike laboratorieforsøk. Bruk av fosfor involverende stoffer, (Al2(SO4)3 eller Fe2(SO4)3, medførte et betydelig økt innhold av henholdsvis aluminium og jern. Høye initielle smeltetemperaturer, over 1100 °C, og lave sintring tendenser ble observert for kloakkslam asker anriket med aluminium. Dette var relatert til tilstedeværelse og dannelse av de inerte mineralfasene aluminiumsoksid, kvarts og kalsium aluminium silikater i de aluminiumsrike kloakkslam askene ved høyere temperaturer. En lav smeltetemperatur, omkring 994 °C, ble detektert for jernrik kloakkslam aske. Sammen med XRD analyse, avslørte SEM-EDX undersøkelser at alvorlig sintring av kloakkslam asken hovedsakelig var et resultat av dannelse av jernsilikater med lav smeltetemperatur, et resultat av interaksjon og dannelse av hematitt (Fe2O3), kvarts (SiO2) og alkali feltspatter ved oppvarming.

Sammensmelting oppførselen til maiskolbe asker ved økende temperaturer ble karakterisert. Arbeidet avslørte at den kjemiske sammensetningen av maiskolbe askene er dominert av elementene kalium, silisium, klor og fosfor. Men, de relative konsentrasjonene av disse viktige elementene er svært forskjellige for de tre undersøkte maiskolbe askene, noe som har stor innflytelse på askereaksjonene og sintring tendensene. Sammenlignet med de to andre, har den kjemiske sammensetningen til Waimanalo maiskolbe (WCob) aske høyest K/Cl, Si/(Ca+Mg) og (Si+P+K)/(Ca+Mg) molarforhold, som er gunstig for dannelse av lav smeltetemperatur kaliumrike silikater og fosfater, som medfører alvorlig sintring av WCob aske ved høyere temperaturer. Til sammenligning inneholder både Pioneer maiskolbe (PCob) aske og Surcin maiskolbe (SCob) aske høye verdier av Cl, Ca og Mg som fremmer K frigjørelse fra askene til en viss grad og som forhindrer dannelse av lav smeltetemperatur kaliumrike silikater og fosfater. I tillegg, overflod av Ca og Mg i PCob og SCob aske fasiliterer dannelse av høy smeltetemperatur Ca/Mg-K-silikater og Ca/Mg-K-fosfater, som reduserer sintring graden til de to askene.

Bruk av additiver kan være en effektiv metode for å bekjempe askerelaterte operasjonelle problemer i biomasse forbrenning applikasjoner. De mest aktuelle additivene kan kategoriseres som Al-Si baserte, svovel baserte, kalsium baserte og fosfor baserte, i henhold til hovedkomponentene i additivene. Etter innmating i biomasse forbrenningsanleggene via ulike metoder, kan additivene redusere mengden av problematiske askekomponenter via fem mulige mekanismer, som dermed forhindrer eller reduserer askerelaterte problemer. Det er interessant å utnytte additiver fra avfallsmaterialer, som normalt er karakterisert med ganske høy kjemisk reaktivitet, fysisk adsorpsjonskapasitet, rikelig innhold av askekomponenter dem selv og lav kostnad. Mer detaljerte studier er nødvendig for å klargjøre effektene av disse additivene på askeomdannelse i biomasse forbrenningsprosesser.

Sintring karakteristikken til biomasse asker og effekten til additivene ble undersøkt. Arbeidet avslørte at alvorlig sammensmelting av hvetestrå aske var assosiert med intensiv dannelse og smelting av kalium silikater ved oppvarming. Derimot, sintring av avfallstrevirke aske skyldes dannelse av lav smeltetemperatur kalium/natrium aluminium silikater og kalium/natrium kalsium silikater. Den beste anti-sintring effekten ble oppnådd med marmorslam som additiv. Uttynningseffekten ved bruk av marmorslam ble vurdert som hovedgrunnen for sintring reduksjonen for de to biomasse askene. Tilsetning av kloakkslam økte konsentrasjonene av inerte materialer og reduserte smeltefraksjonene i de to askene. Disse inerte mineralene kommer (1) direkte fra kloakkslammet og (2) dannes på grunn av reaksjon mellom aluminium silikater i kloakkslammet og K inneholdende komponenter i biomasse askene. Dvs., sintring graden til de to biomasse askene ble redusert ved kloakkslam tilsetning. Leireslam tilsetning resulterte i mer alvorlig sintring for avfallstrevirke aske, som et resultat av Effekten av additiver på aske slagging oppførsler ble studert videre i en industriell skala kjel ved bruk av avfallstrevirke pellets som brensel. Det ble funnet at avfallstrevirke asken hadde en høy slagging tendens og at silikat-alkali kjemi spilte en dominerende rolle i aske sintring prosessen. Tilsetning av marmorslam til avfallstrevirke pellets reduserte slaggdannelsen betydelig ved forbrenning av disse. Dette skjedde fordi marmorslam hindret akkumulering av smeltet aske og bidro til dannelse av høy smeltetemperatur kalium/natrium kalsium silikater. Tilsetningen av kloakkslam gav mindre tydelig anti-slagging effekt ved forbrenning av avfallstrevirke pellets. Sammensetningen av det dannende slagget ble endret fra lav smeltetemperatur silikater til høy smeltetemperatur mineralfaser. I tillegg, størrelsen og sintring graden til det dannende slagget minsket betydelig, og forbedret operasjonsbetingelsene til kjelen. mer Si rik smelte ved oppvarming