Applied Gaussian Process in Optimizing Unburned Carbon Content in Fly Ash for Boiler Combustion

This is the final version of the article. Available from Hindawi Publishing Corporation via the DOI in this record.Recently, Gaussian Process (GP) has attracted generous attention from industry. This article focuses on the application of coal fired boiler combustion and uses GP to design a strategy for reducing Unburned Carbon Content in Fly Ash (UCC-FA) which is the most important indicator of boiler combustion efficiency. With getting rid of the complicated physical mechanisms, building a data-driven model as GP is an effective way for the proposed issue. Firstly, GP is used to model the relationship between the UCC-FA and boiler combustion operation parameters. The hyperparameters of GP model are optimized via Genetic Algorithm (GA). Then, served as the objective of another GA framework, the predicted UCC-FA from GP model is utilized in searching the optimal operation plan for the boiler combustion. Based on 670 sets of real data from a high capacity tangentially fired boiler, two GP models with 21 and 13 inputs, respectively, are developed. In the experimental results, the model with 21 inputs provides better prediction performance than that of the other. Choosing the results from 21-input model, the UCC-FA decreases from 2.7% to 1.7% via optimizing some of the operational parameters, which is a reasonable achievement for the boiler combustion.This study was supported by the State Nature Science Foundation of China (no. 61375078; no. 61304211) and China Scholarship Council

Application of Intelligent Computational Techniques in Power Plants:A Review

Growing worldwide demand for energy leads to increasing the levels of challenge in power plants management. These challenges include but are not limited to complex equipment maintenance, power estimation under uncertainty, and energy optimisation. Therefore, efficient power plant management is required to increase the power plant’s operational efficiency. Conventional optimisation tools in power plants are not reliable as it is challenging to monitor, model and analyse individual and combined components within power systems in a plant. However, intelligent computational tools such as artificial neural networks (ANN), nature-inspired computations and meta-heuristics are becoming more reliable, offering a better understanding of the behaviour of the power systems, which eventually leads to better energy efficiency. This paper aims to provide an overview of the development and application of intelligent computational tools such as ANN in managing power plants. Also, to present several applications of intelligent computational tools in power plants operations management. The literature review technique is used to demonstrate intelligent computational tools in various power plants applications. The reviewed literature shows that ANN has the greatest potential to be the most reliable power plant management tool

Modelling and Calculation of Raw Material Industry

The raw materials industry is widely considered to be too environmentally costly, and causing more losses than benefits. The responsible solving of the problems caused by this industry is not “exporting” its operations to less developed countries, but addressing all recognized hazards with dedicated technological developments. Such an approach is presented by the authors of this book. The contributions deal with the optimization of processes in the raw materials industry, obtaining energy from alternative fuels, researching the environmental aspects of industrial activities. This book determines some guidelines for the sustainable raw materials industry, describing methods of the optimized use of mined deposits and the recovery of materials, reductions in energy consumption and the recuperation of energy, minimizations in the emissions of pollutants, the perfection of quieter and safer processes, and the facilitation of modern materials-, water-, and energy-related techniques and technologies

Advanced carbon capture and storage technologies

Tesi en cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i AGH University of Science and TechnologyIn this work two research topics are presented: investigation of carbonation reactions of high – calcium waste materials and CO2 storage in coal. Firstly, sorption capacity of CO2 and CH4 of hard coal and associated sorption-induced expansion of the material was measured. This investigation was maintained in isothermal and non-isothermal conditions. Experiments were done on purpose-design apparatus allowing simultaneous measurement of sorption kinetics and sorption-induced swelling/contraction of coal. Chosen coal sample had higher sorption capacity for CO2 when compare to capacity for CH4.. Next to CO2 storage, the topic of CO2 utilization has been investigated. Carbonation of European high-calcium fly ashes is assessed. The experiments have been done on different fly ashes with content of 5-36% CaO. Complementary, characterization and analysis of fly ash samples has been performed. Acceleration of carbonation has been explored. Experiments has been done in temperature range between 25 and 290°C, 1-12 bar of CO2, CO2 + H2O and simulated flue gas over reaction times between 2 and 72 hours. Major conclusions of this work is that increasing the temperature and pressure strongly enhances the process of carbonation. Also, addition of water vapor substantially accelerates the process and increase its kinetics. This thesis reports that maintaining the carbonation process without steam addition leads to effective carbonation conversion. Chemical fixation of CO2 molecules with solid material of fly ash with high content of CaO to produce calcium carbonate is possible. The highest sequestration capacity achieved is 117.7 g CO2/kg fly ash and highest carbonation efficiency obtained is 48%. The microstructural analysis of fly ash samples showed the evolution of the cenosphere surface according to the carbonation experiments conditions. Different shapes and sizes of calcium carbonate has been detected after carbonation experiments. The compositional constraints of fly ashes that control reaction with CO2 has been described. It was found that not the bulk content of CaO is the factor controlling the carbonation reaction, but the content of free lime. Impact on carbonation of two pressure flow systems was assessed: batch and continuous flow, with and without addition of steam. Using he batch treatment with addition of steam gave the highest carbonation efficiency. Another set of carbonation experiments which has been done was with using simulated flue gas (84% N2, 15% CO2, 1 % H2O) instead of pure CO2 stream, in conditions: 160°C, 6 bar of gas and 2 hours of reaction time. It was concluded that using flue gas instead of pure stream of carbon dioxide lowers the carbonation rate of about 9%. Final part of this research was to determine the change of free lime content in fly ash samples before and after carbonation. Carbonation reactions lead to substantial decrease of free lime contents in fly ashes. In most cases, the amount of free lime in fly ash after carbonation was compatible with the current EU legislations regarding fly ash incorporation to cement as admixture.En este trabajo se presentan dos temas de investigación: almacenamiento de CO2 en carbón y carbonatación de residuos industriales con un alto contenido en calcio. En primer lugar, se midió la capacidad de sorción de CO2 y CH4 de la hulla y su asociada expansión. Esta investigación se mantuvo en condiciones isotérmicas y no isotérmicas. Los experimentos se realizaron en un aparato diseñado específicamente, el cual permite la medición simultánea de la cinética de sorción y su asociada expansión y contracción. La muestra de carbón elegido tenía una mayor capacidad de absorción de CO2 comparado a CH4. Además, la absorción de CO2 indujo una expansión de volumen en el carbón, duplicando la obtenida tras la absorción de CH4. La cinética de deformación lineal muestra que la expansión del carbón inducida por ambos gases es anisotrópica, y es mayor en la dirección perpendicular al plano de estratificación que en paralelo a este. El análisis dilatométrico hace referencia a la deformación del material en presencia de CH4 es casi dos veces más baja que la obtenida en presencia de CO2, en el mismo rango de presión. El aumento de temperatura da como resultado una expansión adicional del carbón cuando se expone a CH4. La absorción de CO2 en el carbón en condiciones iso-térmicas conduce a la contracción de la muestra. Esto podría estar asociado con la composición petrográfica del carbón. Los datos obtenidos de la cinética de absorción y expansión de carbón se ajustaron en una ecuación cinética. El modelo utilizado fue: ‘Ecuación Exponencial Estirada’. El modelado de la cinética de absorción y expansión es importante para determinar la respuesta del carbón como posible almacenamiento de gas y permite predecir los cambios en la absorción-transporte de carbón. Junto al almacenamiento de CO2, la utilización de este también ha sido investigado. Se evalúa la carbonatación de las cenizas volante de origen europeo con alto contenido en calcio. Los experimentos se han realizado en diferentes cenizas volantes con un contenido entre 5-36% de CaO. Un estudio detallado de la carbonatación acelerada de las cenizas volantes has sido llevado a cabo Los experimentos se han realizado en un rango de temperatura entre 25 y 290°C, 1 - 12 bares de CO2, CO2 + H2O y gases de combustión simulados durante tiempos de reacción entre 2 y 72 horas. La principal conclusión de este trabajo es: el aumento de temperatura, presión y la adición de vapor de agua acelera considerablemente el proceso de carbonatación en estos materiales. Evidencias experimentales sugieren que una carbonatación efectiva se puede obtener sin la adición de vapor de agua. La mayor capacidad de CO2 secuestrado es de 117.7 g CO2/kg de cenizas volantes y la mayor eficiencia de carbonatación obtenida equivale a 48%. El análisis microestructural de las cenizas volantes mostró una evolución de la superficie de la cenosferas según las condiciones de los experimentos de carbonatación. Se han detectado diferentes formas y tamaños de carbonato de calcio después de los experimentos de carbonatación Se han descrito las restricciones referidas a la composición de las cenizas volantes que controlan su reacción con CO2. Se encontró que el factor dominante que controla la reacción de carbonatación es el contenido mineralógico de cal libre, en lugar del contenido total de CaO. Se evaluó el impacto en la carbonatación de dos sistemas presurizados: batch y flujo continuo, con y sin adición de vapor. Las reacciones llevadas a cabo en sistemas tipo batch con la adición de vapor produjeron la mayor eficiencia de carbonatación. Otra serie de experimentos de carbonatación realizados consistieron en el uso de gas de combustión simulado (84% N2, 15% CO2, 1% H2O) en lugar de CO2 puro. Las condiciones experimentales fueron: 160°C, 6 bares de presión total y 2 horas de tiempo de reacción. Se concluyó que el uso de gas de combustión en lugar de dióxido de carbono puro reduce la tasa de carbonatación de aproximadamente el 9%. Finalizando, el contenido de cal libre ha sido determinado para cada muestra antes y después de las reacciones de carbonatación en una variedad de cenizas volantes. Las reacciones de carbonatación produjeron una disminución sustancial del contenido de cal libre en las cenizas volantes. En la mayoría de los casos, el contenido de cal libre después de la carbonatación fue compatible con las legislaciones actuales de la UE con respecto a la incorporación de cenizas volantes al cemento como aditivo.W niniejszej przedstawiono dwa tematy badawcze: badanie reakcji karbonatyzacji odpadów wysoko wapniowych i składowania CO2 w węglu. W pierwszej części badawczej dokonano analizy pojemności sorpcyjnej CO2 i CH4 węgla kamiennego oraz zmiany wolumetryczne węgla spowodowane procesem sorpcji. Eksperymenty prowadzono w warunkach izotermicznych i nieizotermicznych. Do pomiarów użyto specjalistycznego aparatu do jednoczesnego pomiaru sorpcji oraz ekspansji próbek wywołanej sorpcją. Wybrana próbka węgla charakteryzowała się większą pojemnością sorpcyjną dla CO2 niż dla CH4. Odkształcenia próbki węgla spowodowane sorpcją CO2 były dwa razy większe niż odkształcenia próbki wzbudzone sorpcją metanu. Ekspansja próbki jest anizotropowa w wyniku sorpcji obu gazów i większa w kierunku prostopadłym niż równoległym. Analiza dylatometryczna wskazuje, że ekspansja węgla w obecności CH4 jest prawie dwukrotnie mniejsza niż ekspasnsja węgla podczas sorpcji CO2, w tym samym zakresie ciśnień. Prowadzenie eksperymentów sorpcji w warunkach nieizotermicznych powoduje dodatkową ekspansję węgla podczaj reakcji z CH4. Sorpcja CO2 na węglu w tych warunkach prowadzi do kontrakcji próbki. Przedstawione różnice wolumetryczne mogą być związane ze składem petrograficznym węgla. Dane kinetyk sorpcji i rozszerzalności próbki węgla kamiennego zostały dopasowane do równania kinetycznego. Zastosowanym modelem było równanie ’Stretched Exponential Equation’. Modelowanie kinetyki sorpcji i rozszerzalności węgla jest ważne w celu określenia potencjalu zmagazynowania CO2 w węglu oraz pozwala przewidzieć zmiany wolumetryczne pokładów węglowych. W drugiej części niniejszej pracy zbadano temat utylizacji ditlenku węgla. Przedstawiono oraz zbadano temat karbonatyzacji europejskich popiołów lotnych o wysokiej zawartościści tlenku wapnia. Doświadczenia przeprowadzono na różnych popiołach lotnych o całkowitej zawartości CaO w przedziale 5-36%. Dokonano również charakteryzacji oraz analizy wybranych próbek popiołów lotnych. Przeprowadzono próby akceleracji kinetyki procesu karbonatyzacji. Eksperymenty wykonano w zakresie temperatur od 25 do 290°C, ciśnienia 1-12 barów CO2, CO2 + H2O lub mieszaniny gazów. Czas reakcji eskerymentów mieścił się w przedziale 2 a 72 godzin. Podwyższenie temperatury oraz ciśnienia CO2 zwiększa konwersję gazu i CaO do węglanu wapnia. Ponadto, dodanie pary wodnej do strumienia CO2 przyśpiesza proces karbonatyzacji. Uzyskane wyniki eskerymentów pozwalają wnioskować, że karbonatyzacja w warunkach gaz – ciało stałe, bez dostępu wody jest możliwa do przeprowadzenia. Opisane warunki doświadczeń pozwoliły na interakcję cząsteczek CO2 z tlenkiem wapnia zawartym w popiele lotnym i wytworzenie kalcytu. Najwyższa uzyskana pojemność sekwestracyjna CO2 wyniosła 117,7 g CO2/kg popiołu lotnego, a najwyższa uzyskana wydajność karbonatyzacji wyniosła 48%. Analiza mikrostrukturalna próbek popiołów lotnych ukazała ewolucję powierzchni cenosfer podczas zmieniających się warunków eskerymentalnych procesu karbonatyzacji. Podczas analizy próbek popiołu po karbonatyzacji wykryto w materiale różne kształty i rozmiary węglanu wapnia. Zdeterminowano wpływ składu chemicznego popiołów lotnych na reakcję z ditlenkiem węgla. Stwierdzono, że zawartość wolnego wapna jest czynnikiem kontrolującym reakcję, a nie całkowita zawartość CaO. Oceniono wpływ na reakcję karbonatyzacji dwóch układów przepływu ciśnieniowego: reaktor zamknięty oraz reaktor z ciągłym przepływem gazu, z dodatkiem pary wodnej lub bez. Zastosowanie reaktora zamkniętego z dodatkiem pary dało najwyższą wydajność karbonatyzacji. W finalnej partii eskerymentów karbonatyzacji użyto symulowanego gazu spalinowego (84% N2, 15% CO2, 1% H2O) zamiast czystego strumienia CO2, w warunkach: 160°C, 6 barów ciśnienia i 2 godzin czasu reakcji. Stwierdzono, że stosowanie gazu spalinowego zamiast czystego strumienia dwutlenku węgla obniża wydajność karbonatyzacji o około 9%. Końcową częścią badań procesu karbonatyzacji było określenie zmiany zawartości wolnego wapna w próbkach popiołu lotnego przed i po nasyceniu ditlenkiem węgla. Reakcje karbonatyzacji prowadzą do znacznego zmniejszenia zawartości wolnego wapna w popiele lotnym. W większości przypadków ilość wolnego wapna w popiele lotnym po nasycaniu ditlenkiem węgla była zgodna z obowiązującymi przepisami UE dotyczącymi utylizacji popiołów lotnych w cemencie, jako domieszki.Postprint (published version

Metal Adsorption by Coal Fly Ash: The Role of Nano-sized Materials

Nano-sized particles (1–100 nm) comprise a considerable fraction of coal fly ash (CFA). They are unique due to their large surface area and higher reactivity compared to larger CFA particles. As they are formed by nucleation of volatilised elements or through chemical reactions, nano-scale CFA particles have been shown to take up greater quantities of elemental ions and bind them more strongly than larger particles, diminishing the fraction of desorbed ions. Despite this and the large volume of literature on acid mine drainage (AMD) treatment using CFA, little is described about the specific role of nanoparticles in this process. This chapter therefore sets out to highlight this, beginning by delineating nanoparticle characteristics that make them good adsorbents followed by details of their formation and action in metal adsorption

Co-firing of biomass with coal: constraints and role of biomass pretreatment

This report aims at introducing the aspects of co-firing of biomass with coal. The main focus is given to problems and constraints related to utilizing biomass together with coal for power generation, and the potential of biomass pre-treatment in mitigating these constraints. The work is based on a review of literature sources on the subject

Life Cycle Modelling of Carbon Dioxide Capture and Geological Storage in Energy Production

Carbon dioxide (CO2) capture and geological storage (CCS) is recognised as one of the main options in the portfolio of greenhouse gas (GHG) mitigation technologies being developed worldwide. The CO2 capture and storage technologies require significant amounts of energy during their implementation and also change the environmental profile of power generation. The holistic perspective offered by Life Cycle Assessment (LCA) enables decision makers to quantify the trade-offs inherent in any change to the power production systems and helps to ensure that a reduction in GHG emissions does not result in significant increases in other environmental impacts. Early LCA studies of power generation with CCS report a wide range of results, as they focus on specific CO2 capture cases only. Furthermore, previous work and commercial LCA software have a rigid approach to system boundaries and do not recognise the importance of the level of detail that should be included in the Life Cycle Inventory (LCI) data. This research developed a complete LCA framework for the “cradle-to-grave” assessment of alternative CCS technologies in carbon-containing fuel power generation. A comprehensive and quantitative Life Cycle Inventory (LCI) database, which models inputs/outputs of processes at high level of detail, accounts for technical and geographic differences, generates LCI data in a consistent and transparent manner was developed and arranged and flexible structure. The developed LCI models were successfully applied to power plants with alternative post-combustion chemical absorption capture and oxy-fuel combustion capture. The results demonstrate that most environmental impacts come from power generation with CCS and the upstream process of coal production at a life-cycle perspective. LCA results are sensitive to the type of coal used and the CO2 capture options chosen. Moreover, the models developed successfully trace the fate of elements (including trace metals) of concern throughout the power generation, CO2 capture, transport and injection chain. Monte Carlo simulation method combined with the LCI models was applied to quantify the uncertainty of emissions of concern. A novel analytical framework for the LCA of CO2 storage was also developed and applied to a saline aquifer storage field case. The potential CO2 leakage rates were quantified and the operational and geological parameters that determine the ratio of CO2 leakage total volume of CO2 injected were identified

Environmental management and potential use of heavy oil fly ash

Heavy oil fly ash (HOFA) is a by-product generated in power plants by the burning of heavy fuel oil. The main constituent of HOFA is unburned carbon; it also contains other elements such as arsenic (As), cadmium (Cd), cobalt (Co), chromium (Cr), mercury (Hg), nickel (Ni), lead (Pb), copper (Cu), zinc (Zn), selenium (Se), calcium (Ca), magnesium (Mg), sodium (Na), silicon (Si), aluminium (Al), iron (Fe), and vanadium (V) in different forms of oxides or sulfates. Due to insufficient knowledge of the physical and chemical properties and related applications of this by-product, it is usually disposed off into landfills. In order to explore the beneficial utilization of HOFA, this research study analyzes the physical, chemical, and morphological characteristics of HOFA. It also includes an in-depth investigation on its reuse as (i) a natural absorbent such as activated carbon (AC), (ii) fill material for construction use, and (iii) a colour ingredient in ornamental concrete. Chemical and physical activation techniques were used to produce fly ash activated carbon (FAC). Before activation, the minerals and other metals present in the HOFA were removed by standard leaching procedures. The performances of the produced FAC were tested for the removal of selected pollutants such as dyes, naphthalene, and metals from aqueous solutions. The results from the laboratory batch experiments indicated that the developed FAC has the potential to remove organic and inorganic (e.g., 85% to 90%) pollutants from wastewater. Soil stabilizer or fill material for construction use was prepared by mixing HOFA with Portland cement at different ratios. The leaching behaviour of the trace elements and compounds within HOFA and fill materials was studied by standard laboratory batch and column leaching tests. The results of the study showed that the toxic elements in HOFA are easily leachable and can be toxic to the environment. However, the addition of 40% Portland cement with HOFA significantly decreased the leaching concentration of most elements below the permissible level. To explore the possible use of HOFA as a black pigment or admixture in ornamental concrete, it was mixed with cement mortar at different percentages. The standard compressive strength test with 50 mm cement mortar cubes showed that the addition of 2% to 5% HOFA in cement mortar does not affect its compressive strength. The leaching behaviour of trace elements within HOFA mixed concrete material was also investigated through laboratory batch leaching experiments. The findings confirmed that HOFA can be used as a black pigment in ornamental concrete, which is environmentally safe, and provides a good balance between colour and concrete quality. In the final phase of this research, a human health risk assessment methodology was developed in order to assess the potential health risk to people living in the area surrounding the HOFA dumping site. This study also explores environmental concerns and the importance of HOFA management practices