Technology influence analysis on chlorine and sulphur release from biomass combustion

Abstract

Biomass combustion is seen as source for carbon neutral energy, as the energy was accumulated by photosynthesis of CO2 in the biomass. Taking into consideration a sustainable forest management, the CO2 release from the combustion is part of carbon circulation. Besides carbon from CO2, biomass also incorporates other constituents like chlorine, sulphur and other nutrients. These elements are transformed during the combustion process into ash, particulate matter and/or gaseous components, which may impact environment (air quality and human health) or technology (like corrosion or fouling). The release and retention mechanisms for the individual species are dependent on the one hand on the kind of elements as well as on the ratio between the elements in the fuel on the other hand also the combustion technology and their process conditions are affecting the fate of chlorine and sulphur species. In this work, a multivariate data analysis of chlorine and sulphur release rates in 11 different combustion technologies and 41 different fuels is conducted, investigating the most impactful technological and fuel specific characteristic numbers. For this reason, also new technological characteristic numbers, describing turbulence and residence time on grate and in flue gas pathway are introduced and compared with relevant fuel specific characteristic numbers, which represent stoichiometric reaction rates. The analysis shows, that in particular the turbulence on the grate has a significant impact on the fate of sulphur components. Higher mixture of “fresh” with already “charified” biomass allows for reincorporation of sulphur in the carbon matrix, which favours the accumulation of sulphur in the remaining ash.

Die Verbrennung von Biomasse wird als kohlenstoffneutrale Energiequelle angesehen, da die Energie durch die Photosynthese von CO2 in der Biomasse akkumuliert wurde. Unter Berücksichtigung einer nachhaltigen Waldbewirtschaftung ist das bei der Verbrennung freigesetzte CO2 Teil des Kohlenstoffkreislaufs. Neben dem Kohlenstoff aus CO2 enthält die Biomasse auch andere Bestandteile wie Chlor, Schwefel und andere Nährstoffe. Diese Elemente werden während des Verbrennungsprozesses in Asche, Feinstaub und/oder gasförmige Komponenten umgewandelt, die die Umwelt (Luftqualität und menschliche Gesundheit) oder die Technik (wie Korrosion oder Verschmutzung) beeinträchtigen können. Die Freisetzungs- und Rückhaltemechanismen für die einzelnen Spezies hängen einerseits von der Art der Elemente sowie vom Verhältnis zwischen den Elementen im Brennstoff ab, andererseits beeinflussen auch die Verbrennungstechnologie und ihre Prozessbedingungen das Schicksal der Chlor-und Schwefelspezies. In dieser Arbeit wird eine multivariate Datenanalyse der Chlor-und Schwefelfreisetzungsraten bei 11 verschiedenen Verbrennungstechnologien und 41 verschiedenen Brennstoffen durchgeführt, um die einflussreichsten technologischen und brennstoffspezifischen Kennziffern zu ermitteln. Aus diesem Grund werden auch neue technologische Kenngrößen, die die Turbulenz und die Verweilzeit auf dem Rost und im Rauchgasweg beschreiben, eingeführt und mit den relevanten brennstoffspezifischen Kenngrößen, die stöchiometrische Reaktionsraten darstellen, verglichen. Die Analyse zeigt, dass insbesondere die Turbulenz auf dem Rost einen signifikanten Einfluss auf den Verbleib der Schwefelkomponenten hat. Eine höhere Vermischung von "frischer" mit bereits "verkohlter" Biomasse ermöglicht die Wiedereinbindung von Schwefel in die Kohlenstoffmatrix, was die Anreicherung von Schwefel in der verbleibenden Asche begünstigt.