Chemical Transformation of Inorganic Species in Thermochemical Conversion of Waste-Derived Fuels - The Role of Oxygen Carriers
Doktorsavhandling, 2023
In this thesis, the reaction pathways of Zn, Cu and Pb are studied using combined theoretical and experimental approaches. Samples derived from combustion and gasification processes that utilize OCs are studied in detail by XRD, SEM-EDX and XPS. Zn and Cu are observed to interact with the OC and form ferrites under both combustion and gasification conditions. The formation of ferrites is shown to play an important role in the pathways for these elements. For the Fe-Ti-based OC ilmenite, Zn is incorporated into the ash layer while Cu is found to accumulate inside the ilmenite particles. The interaction between Zn and ilmenite is studied in greater detail in laboratory-scale experiments. It is observed that reaction with Zn is promoted after ilmenite has undergone consecutive reduction and oxidation cycles, owing to the formation of an Fe-rich layer on the external surface. Pb is concentrated in the fly ash regardless of the chemical looping technology and OC types investigated in this thesis.
The chemical speciation of Zn, Cu, and Pb in chemical looping processes is further considered with respect to the oxygen carrier type, temperature, reduction potential, and other ash components. The correlation of theoretical and experimental observations enables the identification of systems that were not well-described by thermodynamic equilibrium calculations (TECs). To improve the predictive potentials of TECs, thermodynamic databases are expanded by incorporating data i) available in the literature, and ii) from first principle calculations. For the latter, thermodynamic data is obtained for experimentally identified crystalline phases that are not available in the literature. This expansion has contributed to the updated and most comprehensive thermodynamic database for combined OC and ash systems. The database was implemented to study the phase stability during chemical looping combustion (CLC) of waste-derived fuels, providing the first insights into the chemical speciation of inorganic ash species. The results indicate that a major fraction of the problematic compounds exits the fuel reactor with the gas, preventing corrosion of the heat transfer surfaces in the air reactor.
oxygen carriers
Waste-derived fuels
thermodynamic equilibrium calculations
heavy metals
chemical looping
Författare
Ivana Stanicic
Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Energiteknik
Combined manganese oxides as oxygen carriers for biomass combustion — Ash interactions
Chemical Engineering Research and Design,;Vol. 149(2019)p. 104-120
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Interaction of oxygen carriers with common biomass ash components
Fuel Processing Technology,;Vol. 200(2020)
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Oxygen carrier aided combustion (OCAC) of two waste fuels - Experimental and theoretical study of the interaction between ilmenite and zinc, copper and lead
Biomass and Bioenergy,;Vol. 148(2021)
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Fate of lead, copper, zinc and antimony during chemical looping gasification of automotive shredder residue
Fuel,;Vol. 302(2021)
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Fate of trace elements in Oxygen Carrier Aided Combustion (OCAC) of municipal solid waste
Fuel,;Vol. 311(2022)
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Thermodynamic Analysis on the Fate of Ash Elements in Chemical Looping Combustion of Solid Fuels Iron-Based Oxygen Carriers
Energy & Fuels,;Vol. In Press(2022)
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Brorsson J, Staničić I, Mattisson T, Hellman A. Thermodynamic Properties for Metal Oxides from First-principles
Andersson V, Staničić I, Kong X, Leion H, Mattisson T, Pettersson J.B.C. Alkali Desorption from Ilmenite Oxygen Carrier Particles used in Biomass Combustion
Kong X,/Staničić I, Andersson V, Mattisson T, Pettersson J.B.C. Phase Recognition in SEM-EDX Chemical Maps using Positive Matrix Factorization
Investigating the Interaction between Ilmenite and Zinc for Chemical Looping
Energy & Fuels,;Vol. In Press(2023)
Artikel i vetenskaplig tidskrift
Staničić I, Brorsson J, Hellman A, Rydén R, Mattisson T Thermodynamic analysis on the fate of ash elements in chemical looping combustion of solid fuels─Manganese-based oxygen carriers
En av de största utmaningarna som världen står inför idag är klimatförändringarna. Den ökade koncentrationen av växthusgaser i atmosfären är en konsekvens av människans aktiviteter. Den primära källan till emissionerna kommer från förbränning av fossila bränslen för produktion av kraft och värme. Därför är det viktigt att undersöka användandet av alternativa bränslen, såsom biomassa och avfall med betydande biogent innehåll. Om man kombinerar dessa processer med koldioxidinfångning och lagring, finns det dessutom goda möjligheter att uppnå negativa emissioner. Avfallsbaserade bränslen skapar utmaningar på grund av deras komplexa sammansättning och höga halter av tungmetaller och andra oorganiska element. Vid Chalmers har innovativa förbränningsmetoder demonstrerats, som lämpar sig för koldioxidinfångning och lagring. I dessa processer omvandlas bränslet i en fluidiserad bädd bestående av metalloxider, även kallade syrebärare. Det finns flera fördelar med syrebärare, bland annat hjälper de till att jämna ut temperaturen och syredistributionen i pannan vilket leder till jämnare förbränning. Det har dock varit mindre känt hur syrebärare påverkar tungmetallernas kemi i dessa processer, fram tills nu.
I den här avhandlingen presenteras kemiska reaktionsvägar för tungmetaller i både förbränning och förgasningsmiljöer där syrebärare används. Tungmetallerna i fokus har varit bly, koppar och zink tillsammans med både järn och manganbaserade syrebärare. I arbetet har bäddmaterial från industriella anläggningar studerats experimentellt, medan andra teknologier som implementerar syrebärare, såsom kemcyklisk förbränning, har studerats termodynamiskt.
Det här arbetet visar att syrebärarna påverkar spårämneskemin i förbränningsmiljöer, främst genom att bilda zink och kopparferriter, medan bly påverkas i mindre utsträckning. Jämfört med konventionella bäddmaterial, så tyder dessa upptäckter på att syrebärare eventuellt kan minska risken för korrosionsrelaterade problem. Detta innebär att processer som använder syrebärare inte bara är lämpliga för att minska emissioner, utan även kan ha ekonomiska fördelar med avseende på minskad korrosion.
Spårämneskemi med syrebärare
Formas (2017-1095), 2018-01-01 -- 2020-12-31.
Förbränningskemi för biomassa med syrebärarmaterial
Vetenskapsrådet (VR) (2016-06023), 2017-01-01 -- 2024-12-31.
Ämneskategorier
Oorganisk kemi
Kemiska processer
Bioenergi
Styrkeområden
Energi
Materialvetenskap
Infrastruktur
Chalmers kraftcentral
Chalmers materialanalyslaboratorium
ISBN
978-91-7905-873-9
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5339
Utgivare
Chalmers