Överlag råder det brist på studier som behandlar låglastfall i biobränsleeldade CFB- pannor och fokus ligger snarare på pannor vid maximal kapacitet. Det råder därför även brist på studier där rökgasrecirkulation används som NOx-reducerande åtgärd
vid låga laster. Detta är förmodligen till följd av att rökgasrecirkulation ofta ses som ett sätt att minska termisk NOx och inte bränsle-NOx. Således finns det ett behov av
att närmare studera hur rökgasrecirkulation kan användas när det råder ett stort överskott av O2. Resultat erhållna i detta examensarbete är baserade på de ideala
förhållandena i CHEMCAD i och med att programmet bland annat inte kan fånga upp omblandning av rökgaser i eldstaden och istället förutsätter reaktorerna ideal omblandning. Det hade således varit intressant att utföra en liknande studie med hjälp av ett annat simuleringsverktyg, exempelvis COMSOL som utför CFD- simuleringar (computational fluid dynamics). På så vis skulle det vara möjligt att fånga upp rökgasrörelser, hastigheter, temperaturprofiler och dylikt. Huttunen et al. (2017) simulerade bland annat en CFB-panna vid varierande last med hjälp av CFD
43
och kunde då tydligt se O2- och temperaturfördelningar i olika tvärsnitt i pannan.
Detta hade således varit behjälpligt för att få ett bättre resultat över hur rökgasrecirkulation liksom samproduktion av syntesgas påverkar förbränningsprocessen i pannan.
Då Karlstads Energi inte har någon mätning på den externa bäddcirkulationen går det endast att anta olika bäddflöden. I och med att det råder stor ovisshet kring specifika bäddflöden i pannor överlag hade det varit intressant med en renodlad studie för modellering av bäddflöden i CHEMCAD för att utvärdera huruvida programmet är användbart i det syftet eller om det sker för omfattande förenklingar. Med en bättre och mer realistisk modellering av bäddflödet hade det vidare varit intressant att undersöka huruvida den värme som tas från cyklonen för att driva den nya syntesgasreaktorn ger ett annat utslag på temperaturen i pannan, detta då resultaten från denna studie med en förenklad bäddcirkulation antyder att det har en försumbar inverkan på temperaturen.
I modellen finns det risk att överestimera NOx-bildningen i och med att det antas att
allt kväve som är kemiskt bundet i bränslet bildar bränsle-NOx. Dessutom antas att
all NOx bildas och reduceras i fribordet utöver den reduktion som sker i SNCR-
processen. Det vore givande att mäta NOx på ett flertal platser i pannan vilket
underlättar för att erhålla en ungefärlig koncentrationprofil och på så sätt skulle det gå att identifiera hur NOx- bildning och -reduktion sker i pannan liksom var det
uppstår som mest NOx.
Då den NOx som bildas vid förbränning av biobränslen i en CFB-panna främst
härstammar från bränsle-NOx kommer val av bränsle ha en stor inverkan på
resulterande NOx-utsläpp. Vidare påverkar bränslets fukthalt även
förbränningsprocessen bland annat vad gäller syrehalt och temperatur. I detta arbete har endast ett bränsle av en specifik sammansättning och således även en konstant fukthalt använts. Det hade därför varit av intresse att undersöka hur en varierande fukthalt påverkar NOx-bildning och -reduktion samt huruvida rökgasrecirkulationens
44
9 Referenser
Annamalai, K., & Puri, I. K. (2007). Combustion Science and Engineering. Boca Raton, Fla.: CRC Press.
Arena, U., Malandrino, A. & Massimilla, L. (1991). Modelling of circulating fluidized bed combustion of a char. The Canadian Journal of Chemical
Engineering, 69(4), 860–868.
Basu, P. & Fraser, S.A. (1991). Circulating Fluidized Bed Boilers: Design and
Operations. 1st ed. USA: Butterworth-Heinemann.
Błaszczuk, A., Komorowski, M. & Nowak, W. (2012). Distribution of solids concentration and temperature in the combustion chamber of the SC-OTU CFB boiler. Journal of Power Technologies, 92(1), 27-33.
Chen, J.-C., Huang, H.-L. & Huang, J.-S. (2008). Influences of Different Operation Conditions on the Emission Characteristics of O2/Recycled Flue Gas (RFG) Waste Incineration. Energy & Fuels, 22(5), 2997–3004.
https://doi.org/10.1021/ef800203e
Chen, Q., Zhang, X., Zhou, J., Sharifi, V.N. & Swithenbank, J. (2015). Effects of Flue Gas Recirculation on Emissions from a Small Scale Wood Chip Fired
Boiler. Energy Procedia, 66, 65–68.
https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.02.034
De Diego, L.F., Gayán, P. & Adánez, J. (1995). Modelling of the flow structure in circulating fluidized beds. Powder Technology, 85(1), 19–27.
De Kam, M.J., Morey, R.V. & Tiffany, D.G. (2009). Integrating Biomass to Produce Heat and Power at Ethanol Plants. Applied Engineering in Agriculture, 25(2), 227–244.
Desroches-Ducarne, E., Dolignier, J.C., Marty, E., Martin, G. & Delfosse, L. (1998). Modelling of gaseous pollutants emissions in circulating fluidized bed combustion of municipal refuse. Fuel, 77(13), 1399–1410.
Djerf, T., Pallarès, D. & Johnsson, F. (2018). Bottom-bed fluid dynamics – Influence on solids entrainment. Fuel Processing Technology, 173, 112– 118.
Duan, F., Chyang, C.-S., Lin, C.-W. & Tso, J. (2013). Experimental study on rice husk combustion in a vortexing fluidized-bed with flue gas recirculation
(FGR). Bioresource Technology, 134, 204–211.
45
Edvardsson, E., Åmand, L., Thunman, H., Leckner, B. & Johnsson, F. (2006). Measuring the External Solids Flux in a CFB boiler. Winter, F. (red.). 19th
FBC Conference from May 21 - May 24 2006 in Vienna: Proceedings, part 2. Vienna, Austria, 21-24 maj 2006. Technische Universitat.
Gohlke, O., Weber, T., Seguin, P. & Laborel, Y. (2010). A new process for NOx reduction in combustion systems for the generation of energy from waste.
Waste Management, 30(7), 1348–1354.
Gustavsson, C. (2016). Added value from biomass by broader utilization of fuels and
CHP plants. Diss. Karlstad: Karlstads universitet.
Gustavsson, C. & Nilsson, L. (2013). Co-production of Pyrolysis Oil in District Heating Plants: Systems Analysis of Dual Fluidized-Bed Pyrolysis with Sequential Vapor Condensation. Energy & Fuels, 27(9), 5313–5319. Göransson, K., Söderlind, U., He, J. & Zhang, W. (2011). Review of syngas
production via biomass DFBGs. Renewable and Sustainable Energy
Reviews, 15(1), 482–492.
Hayashi, J.–., Hirama, T., Okawa, R., Taniguchi, M., Hosoda, H., Morishita, K., Li, C.-Z. & Chiba, T. (2002). Kinetic relationship between NO/N2O reduction and O2 consumption during flue-gas recycling coal combustion in a bubbling fluidized-bed. Fuel, 81(9), 1179–1188.
Houshfar, E., Løvås, T. & Skreiberg, Ø. (2012a). Experimental Investigation on NOx Reduction by Primary Measures in Biomass Combustion: Straw, Peat, Sewage Sludge, Forest Residues and Wood Pellets. Energies, 5(2), 270– 290. doi:10.3390/en5020270
Houshfar, E., Khalil, R.A., Løvås, T. & Skreiberg, Ø. (2012b). Enhanced NOx Reduction by Combined Staged Air and Flue Gas Recirculation in Biomass Grate Combustion. Energy & Fuels, 26(5), 3003–3011.
https://doi.org/10.1021/ef300199g
Houshfar, E., Skreiberg, Ø., Løvås, T., Todorović, D. & Sørum, L. (2011). Effect of Excess Air Ratio and Temperature on NOx Emission from Grate Combustion of Biomass in the Staged Air Combustion Scenario. Energy &
Fuels, 25(10), 4643–4654. https://doi.org/10.1021/ef200714d
Hupa, M., Karlström, O. & Vainio, E. (2017). Biomass combustion technology development – It is all about chemical details. Proceedings of the
46
Huttunen, M., Peltola, J., Kallio, S., Karvonen, L., Niemi, T. & Ylä-Outinen, V. (2017). Analysis of the processes in fluidized bed boiler furnaces during load changes. Energy Procedia, 120, 580–587.
Jensen, A., Johnsson, J.E., Andries, J., Laughlin, K., Read, G., Mayer, M., Baumann, H. & Bonn, B. (1995). Formation and reduction of NOx in pressurized fluidized bed combustion of coal. Fuel, 74(11), 1555–1569.
Johnsson, F., Andersson, S. & Leckner, B. (1991). Expansion of a freely bubbling fluidized bed. Powder Technology, 68(2), 117–123.
Johnsson, J.E., Åmand, L.-E., Dam-Johansen, K. & Leckner, B. (1996). Modeling N2O Reduction and Decomposition in a Circulating Fluidized Bed Boiler.
Energy & Fuels, 10(4), 970–979.
Karlsson, T., Liu, X., Pallarès, D. & Johnsson, F. (2017). Solids circulation in circulating fluidized beds with low riser aspect ratio and varying total solids inventory. Powder Technology, 316, 670–676.
Khan, A.A., De Jong, W., Gort, D.R. & Spliethoff, H. (2007). A Fluidized Bed Biomass Combustion Model with Discretized Population Balance. 1. Sensitivity Analysis. Energy & Fuels, 21(4), 2346–2356.
Khan, A.A., De Jong, W., Jansens, P.J. & Spliethoff, H. (2009). Biomass combustion in fluidized bed boilers: Potential problems and remedies. Fuel Processing
Technology, 90(1), 21–50.
Khodaei, H., Guzzomi, F., Patiño, D., Rashidian, B. & Yeoh, G.H. (2017). Air Staging Strategies in Biomass Combustion-Gaseous and Particulate Emission Reduction Potentials. Fuel Processing Technology, 157, 29–41.
https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2016.11.007
Kilpinen P., Kallio S., Konttinen J., Mueller C., Jungar A., Hupa M., Amand L., & Leckner B. (2001). Towards a quantitative understanding of NOx and N2O emission formation in full-scale circulating fluidised bed combustors. Geiling, DW. (red.) Proceedings of the 16th international conference on
fluidized bed combustion. Reno, Nevada, USA, 13-16 May. American
Society of Mechanical Engineers, ss. 351-370.
König, M., Eisinger, K., Hartmann, I. & Müller, M. (2018). Combined Removal of Particulate Matter and Nitrogen Oxides from the Exhaust Gas of Small- scale Biomass Combustion. Biomass Conversion and Biorefinery, 9(1), 201–212. https://doi.org/10.1007/s13399-018-0303-0
Liu, H. & Gibbs, B.M. (2002). Modelling of NO and N2O emissions from biomass- fired circulating fluidized bed combustors. Fuel, 81(3), 271–280.
47
Liu, J., Luo, X., Yao, S., Li, Q. & Wang, W. (2020). Influence of flue gas recirculation on the performance of incinerator-waste heat boiler and NOx emission in a 500 t/d waste-to-energy plant. Waste Management, 105, 450– 456.
Machač, P. & Baraj, E. (2018). A simplified simulation of the reaction mechanism of NOx formation and non-catalytic reduction. Combustion Science and
Technology, 190(6), 967–982.
https://doi.org/10.1080/00102202.2017.1418335
Mladenović, M., Dakic, D., Nemoda, S., Paprika, M., Komatina, M., Repic, B. & Eric, A. (2016). The combustion of biomass - the impact of its types and combustion technologies on the emission of nitrogen oxide. Chemical
Industry, 70(3), 287–298. DOI: 10.2298/HEMIND150409033M
Mladenović, M., Paprika, M. & Marinković, A. (2018). Denitrification Techniques for Biomass Combustion. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 82, 3350–3364. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.10.054
Naturvårdsverket (2018). Fakta om kväveoxider i luft.
https://www.naturvardsverket.se/Sa-mar-miljon/Klimat-och- luft/Luftfororeningar/Kvaveoxider/ [2020-03-20]
Pallarès, D. (2008). Fluidized bed combustion - modelling and mixing. Diss. Göteborg: Chalmers Tekniska Högskola.
Pallarès, D. & Johnsson, F. (2006). Macroscopic modelling of fluid dynamics in large-scale circulating fluidized beds. Progress in Energy and Combustion
Science, 32(5–6), 539–569.
Salzmann, R. & Nussbaumer, T. (2001). Fuel Staging for NOx Reduction in Biomass Combustion: Experiments and Modeling. Energy & Fuels, 15(3), 575–582.
https://doi.org/10.1021/ef0001383
Sher, F., Pans, M.A., Afilaka, D.T., Sun,C.& Liu, H. (2017).Experimental Investigation of Woody and Non-woody Biomass Combustion in a Bubbling Fluidised Bed Combustor Focusing on Gaseous Emissions and Temperature Profiles. Energy, 141, 2069–2080.
Smolders, K. & Baeyens, J. (2000). Overall solids movement and solids residence time distribution in a CFB-riser. Chemical Engineering Science, 55(19), 4101–4116.
Sotudeh-Gharebaagh, R., Legros, R., Chaouki, J. & Paris, J. (1998). Simulation of circulating fluidized bed reactors using ASPEN PLUS. Fuel, 77(4), 327– 337.
48
Speth, K., Murer, M. & Spliethoff, H. (2016). Experimental Investigation of Nitrogen Species Distribution in Wood Combustion and Their Influence on NOx Reduction by Combining Air Staging and Ammonia Injection. Energy
& Fuels, 30(7), 5816–5824.
Sundaresan, R. & Kolar, A.K. (2002). Core heat transfer studies in a circulating fluidized bed. Powder Technology, 124(1–2), 138–151.
Sung, J.-H., Back, S.-K., Jeong, B.-M., Kim, J.-H., Choi, H.S., Jang, H.-N. & Seo, Y.-C. (2018). Oxy-fuel co-combustion of sewage sludge and wood pellets with flue gas recirculation in a circulating fluidized bed. Fuel Processing
Technology, 172, 79–85. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2017.12.005 Sänger, M., Werther, J. & Ogada, T. (2001). NOx and N2O emission characteristics
from fluidised bed combustion of semi-dried municipal sewage sludge.
Fuel, 80(2), 167–177.
Wang, Q., Wang, Q. & Cai, J. (2014). Experimental Study of Urea on SNCR Removal of NOX. Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, 6(7), 2541–2546.
Yang, W.-C. (2003). Handbook of fluidization and fluid-particle systems. New York: Marcel Dekker.
Zeldovich, J. (1946). The oxidation of nitrogen in combustion and explosions.
European Physical Journal A. Hadrons and Nuclei, 21, 577-628.
Zhang, W., Johnsson, F. & Leckner, B. (1995). Fluid-dynamic boundary layers in CFB boilers. Chemical Engineering Science, 50(2), 201–210.
Zheng, W., Zhang, M., Zhang, Y., Lyu, J. & Yang, H. (2019). The effect of the secondary air injection on the gas–solid flow characteristics in the circulating fluidized bed. Chemical Engineering Research and Design, 141, 220–228.