Chemical Transformation of Inorganic Species in Thermochemical Conversion of Waste-Derived Fuels - The Role of Oxygen Carriers
Doktorsavhandling, 2023

Waste-derived fuels are used increasingly in heat and power production systems in Sweden. Thermal conversion of waste-derived and biomass fuels offers the possibility of achieving carbon dioxide-neutral or even negative emissions. To limit global warming, it is essential to integrate these systems with carbon capture and storage. However, using alternative fuels raises challenges due to their complex compositions and their contents of heavy metals and other inorganic species. Chemical looping technologies have great potential for lowering costs for CO2 capture and reducing emissions of pollutants, such as NOx. These processes utilize metal oxides, or oxygen carriers (OCs), to transfer oxygen from air to fuel. However, the fates of the inorganic ash species in the presence of OCs are not well understood. The aim of this thesis is to provide a better understanding of the chemical transformations that occur in chemical looping applications, focusing on the heavy metals Zn, Cu, and Pb.

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

HC3, Hörsalsvägen 16
Opponent: Professor Markus Broström, Umeå Universitet

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

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

Tungmetallernas vägar i innovativa omvandlingsprocesser
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

HC3, Hörsalsvägen 16

Online

Opponent: Professor Markus Broström, Umeå Universitet

Mer information

Senast uppdaterat

2023-05-25