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
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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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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