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VGB POWERTECH 7 (2020) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

VGB PowerTech - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat. Issue 7 (2020). Technical Journal of the VGB PowerTech Association. Energy is us! Maintenance. Thermal waste utilisation

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Technical Journal of the VGB PowerTech Association. Energy is us!
Maintenance. Thermal waste utilisation

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The Bi<strong>of</strong>ficiency Project | Part 1 <strong>VGB</strong> PowerTech 7 l <strong>2020</strong><br />

The Bi<strong>of</strong>ficiency Project Part 1:<br />

H<strong>and</strong>ling ash-related challenges in<br />

biomass-fired cogeneration plants<br />

Lynn Hansen, Thorben de Riese, Richard Nowak Delgado, Timo Leino, Sebastian Fendt,<br />

Pedro Abelha, Hanna Kinnunen, Partik Yrjas, Flemming Fr<strong>and</strong>sen, Bo S<strong>and</strong>er, Frans van Dijen<br />

<strong>and</strong> Hartmut Splieth<strong>of</strong>f<br />

Kurzfassung<br />

Das Bi<strong>of</strong>ficiency Projekt | Teil 1: Umgang<br />

mit aschebedingten Heraus<strong>for</strong>derungen in<br />

biomassebefeuerten Heizkraftwerken<br />

Das von der EU geförderte Projekt Bi<strong>of</strong>ficiency<br />

entwickelte einen Entwurf für die nächste <strong>Generation</strong><br />

von Biomasse-gefeuerten Kraft-Wärme-<br />

Kopplungsanlagen, die mit Brennst<strong>of</strong>fen niedriger<br />

Qualität arbeiten und eine sichere und nahezu<br />

kohlenst<strong>of</strong>fneutrale Stromerzeugung<br />

gewährleisten. In diesem ersten Teil einer Reihe<br />

von zwei Publikationen wird eine Zusammenfassung<br />

der Aktivitäten zur Bewältigung aschebedingter<br />

Probleme in biomassegefeuerten Kesseln<br />

gegeben. Die drei untersuchten thermochemischen<br />

Vorbeh<strong>and</strong>lungsmethoden, Torrefi<br />

zierung, hydrothermale Karbonisierung und<br />

Dampfexplosion erwiesen sich als geeignet, um<br />

Restst<strong>of</strong>fe durch eine Erhöhung der Energiedichte<br />

und Verbesserung der Lager- und H<strong>and</strong>-<br />

Authors<br />

Lynn Hansen, M.Sc.<br />

Thorben de Riese, M.Sc.<br />

Richard Nowak Delgado, M.Sc.<br />

Dr.-Ing. Sebastian Fendt<br />

Chair <strong>of</strong> Energy Systems, Technical<br />

University <strong>of</strong> Munich, Garching, Germany<br />

Timo Leino, M.Sc.<br />

VTT Technical Research Center,<br />

Jyväskylä, Finl<strong>and</strong><br />

Dr. Pedro Abelha<br />

Energy Transition, TNO, Petten, Netherl<strong>and</strong>s<br />

Dr. Sc. Hanna Kinnunen<br />

Valmet Technologies Oy, Tampere, Finl<strong>and</strong><br />

Dr. Partik Yrjas<br />

Johan Gadolin Process Chemistry Centre,<br />

Åbo Akademi University, Turku, Finl<strong>and</strong><br />

Dr. Tech. Flemming Fr<strong>and</strong>sen<br />

Department <strong>of</strong> Chemical <strong>and</strong> Biochemical<br />

Engineering Technical University <strong>of</strong> Denmark,<br />

Lyngby, Denmark<br />

Bo S<strong>and</strong>er, PhD<br />

Ørsted, Markets&Bioenergy,<br />

Fredericia, Denmark<br />

Dr. Ir. Frans van Dijen<br />

ENGIE Laborelec, Linkebeek, Belgium<br />

Pr<strong>of</strong>. Dr.-Ing. Hartmut Splieth<strong>of</strong>f<br />

Head <strong>of</strong> Institute<br />

Chair <strong>of</strong> Energy Systems, Technical<br />

University <strong>of</strong> Munich, Garching, Germany<br />

habungseigenschaften zu Veredeln. In Versuchen<br />

vom Labor- bis zum Vollmaßstab in Staubfeuerungs-<br />

und Wirbelschichtanlagen wurden<br />

aschebedingte Probleme bei der Biomasseverbrennung<br />

wie Depositionen, Feinstaubbildung<br />

und Korrosion untersucht. Depositionsproben<br />

in staubgefeuerten Kesseln zeigten, dass Additive<br />

einen ausgeprägten Einfluss auf die Bildung<br />

von Ablagerungen haben, wobei die Additivmenge<br />

von größerer Bedeutung ist als die Art<br />

des Additivs. Auch auf die Feinstaubbildung<br />

zeigte die Verwendung von Additiven einen positiven<br />

Einfluss. Bei Versuchen in Wirbelschichtsystemen<br />

wurde eine Optimierung der Additivzusammensetzung<br />

durchgeführt, wobei sich<br />

elementarer Schwefel als der kostengünstigste<br />

Zusatzst<strong>of</strong>f für diesen Fall herausstellte. Es<br />

konnte gezeigt werden, dass die Vorbeh<strong>and</strong>lung<br />

von Stroh durch Torrefizierung in Kombination<br />

mit einem Waschschritt eine wesentlich geringere<br />

Menge an Additiven er<strong>for</strong>dert, die während<br />

der Verbrennung zugegeben werden muss.<br />

Biomasseaschen aus verschiedenen Quellen<br />

wurden auf der Basis ihrer Zusammensetzung<br />

und möglicher Verwertungswege klassifiziert,<br />

um künftig eine umweltschädliche Deponierung<br />

von Biomasseaschen zu vermeiden. Es<br />

wurden innovative Nutzungsoptionen identifiziert,<br />

wie z.B. die Verwendung von Biomasseaschen<br />

in Baust<strong>of</strong>fen oder die Rückgewinnung<br />

von Nährst<strong>of</strong>fen.<br />

l<br />

The EU funded project Bi<strong>of</strong>ficiency developed<br />

a blueprint <strong>for</strong> the next generation <strong>of</strong> biomass-based<br />

cogeneration plants using difficult<br />

fuels while assuring a secure <strong>and</strong> nearly<br />

carbon-neutral power generation. In this<br />

first part <strong>of</strong> a series <strong>of</strong> two publications, a<br />

summary <strong>of</strong> the activities h<strong>and</strong>ling ash-related<br />

challenges in biomass boilers is provided.<br />

Three thermochemical pre-treatment<br />

technologies, torrefaction, hydrothermal<br />

carbonisation <strong>and</strong> steam explosion proved<br />

suitable <strong>for</strong> upgrading residual biomass feedstock<br />

by increasing energy densities <strong>and</strong> improving<br />

storage as well as h<strong>and</strong>ling properties.<br />

In combustion tests, both in pulverised<br />

fuel (PF) <strong>and</strong> fluidised bed (FB) systems ashrelated<br />

problems, namely deposit build-up,<br />

fine particle <strong>for</strong>mation <strong>and</strong> corrosion were<br />

examined. Deposit tests in PF boilers showed<br />

that the additives have a pronounced effect<br />

on deposit propensity, the additive amount<br />

being <strong>of</strong> greater importance than the type <strong>of</strong><br />

additive. The use <strong>of</strong> additives also showed<br />

positive influence on aerosol <strong>for</strong>mation. In<br />

FB firing, an optimisation <strong>of</strong> the additive<br />

composition <strong>and</strong> insertion was per<strong>for</strong>med,<br />

where elemental sulphur was found to be the<br />

most cost-effective additive <strong>for</strong> this case. It<br />

was demonstrated that pre-treating straw by<br />

torrefaction combined with a washing step<br />

requires a substantially lower amount <strong>of</strong> additive<br />

to be added during combustion.<br />

Biomass ashes from different sources were<br />

classified based on their composition <strong>and</strong><br />

possible utilisation pathways with the goal to<br />

avoid l<strong>and</strong>filling were developed. Innovative<br />

utilisation options were identified such as<br />

utilisation in construction materials or recovery<br />

<strong>of</strong> valuable elements.<br />

1. Introduction<br />

This article summarises the findings <strong>of</strong> the<br />

H<strong>2020</strong> project Bi<strong>of</strong>ficiency, that focused on<br />

the improvement <strong>of</strong> biomass utilisation <strong>for</strong><br />

combined heat <strong>and</strong> power generation<br />

(CHP). The mobilisation <strong>of</strong> currently unused<br />

bi<strong>of</strong>uels like agricultural or other bioindustry<br />

residues <strong>for</strong> high-efficiency power<br />

stations is required to meet this goal. The<br />

overall objective <strong>of</strong> the project was the development<br />

<strong>of</strong> next generation biomassbased<br />

CHPs using difficult fuels while assuring<br />

secure <strong>and</strong> nearly carbon-neutral<br />

power generation.<br />

Commonly used biomass types <strong>for</strong> heat <strong>and</strong><br />

power generation can reduce CO 2 emissions<br />

by 55 to 98 percent when compared<br />

to the current fossil fuel mix in Europe, if<br />

no l<strong>and</strong>-use change is caused [1]. Especially<br />

in the heating sector, biomass can help to<br />

reduce the share <strong>of</strong> coal in the power system<br />

by using it in medium- to large-scale<br />

CHP stations. Compared to small-scale<br />

heating systems, larger power stations<br />

have a much higher efficiency due to improved<br />

steam parameters during electricity<br />

production <strong>and</strong> highly optimised heat production.<br />

Furthermore, the flue gas cleaning<br />

systems in power stations are designed<br />

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