Biocoal - Quality control and assurance

Torrefied biomass is said to have potential as a replacement for coal. One of the main goals of torrefaction is to make biomass resemble coal more in terms of its properties as a solid fuel. As a fuel, a novel fuel that is produced by thermal treatment of raw biomass, biocoal has to comply with the regulations of solid fuels from different regulatory bodies. The production regime is different in comparison to the thermally treated fuel already established on the market, such as charcoal. This might raise an issue with the bodies controlling the circulation of chemical substances in the market, such as ECHA in Europe. The aim of this paper is to recommend suitable analytical techniques in order to enable effective quality control. This is necessary if biomass of low and highly variable quality is supposed to become more uniform and turn into a commodity. Information given in many published studies seems sufficient to use of FTIR and NIR as quality control techniques. The use of NMR can be complementary but is limited due to the high cost of the analytical equipment and time-consuming sample preparation. Rapid testing techniques, such as FTIR ATR or NIR, might prove feasible for quality control of solid biofuels, such as biocoal, especially for in-house quality control purposes. This way proper quality assurance and compliance with various novel regulations, such as REACH, could be assured. Further research could be helpful, especially if results would be available in publicly available databases, such as Phyllis

Modelowanie cfd spalania pyłu węglowego w atmosferze powietrza i oxy: powstawanie NOx i SO2

Despite the fact that alternative energy sources sector has been rapidly developed since last years, coal combustion as a major fossil-fuel energy resource (especially in Poland) will continue being a major environmental concern for the next few decades. To meet future targets for the reduction of toxic and greenhouse gases emission new combustion technologies need to be developed: pre-combustion capture, post-combustion capture, and oxy-fuel combustion. This paper deals with the air-fried and oxy-fuel coal combustion (pulverized coal) combustion, and its impact on pollutants (NOx and SO2) formation. For CFD (Computational Fluid Dynamics) modeling of media flows and coal combustion process the laboratory model of combustion reactor was applied. The material input was set based on technical-elementary analysis of pulverized coal used in experiment and sieves grain-size analysis. Boundary conditions (media flows intensities and temperatures) were set based on laboratory experimental measurements. Radiation case-sensitive WSGGM model (weighted - sum - of - gray gases model) was used for calculation. The modeling was proceed for different combustion parameters in air and OXY atmosphere in oxygen/fuel ratio variation and fuel humidity variation function.Pomimo faktu gwałtownego rozwoju sektora alternatywnych źródeł energii w ostatnich dziesięcioleciach, spalanie węgla jako najważniejszego źródła energii konwencjonalnej (w szczególności w Polsce) jest bardzo istotnym zagadnieniem w aspekcie ochrony i inżynierii środowiska. Nowe wyzwania w zakresie obniżania emisji związków toksycznych, a także gazów cieplarnianych wymuszają rozwój w zakresie innowacyjnych technologii spalania węgla: pierwotnych (na etapie substratów) oraz wtórnych (na etapie produktów), a także modyfikacji procesu spalania (atmosfera OXY). W artykule przedstawiono zagadnienie formowania się zanieczyszczeń (NOx oraz SO2) powstających podczas procesu spalania pyłu węglowego w atmosferze powietrza oraz atmosferze OXY. Do obliczeń metodą CFD (przepływu i spalania mieszanki powietrzno-węglowej wykorzystano model laboratoryjnego pieca opadowego. Jako warunki brzegowe do obliczeń zastosowano wyniki analiz techniczno-elementarnych pyłu węglowego, przedziały frakcyjne cząstek ustalono na podstawie analizy sitowej. Warunki brzegowe (temperaturę pieca, doprowadzanego powietrza oraz paliwa, natężenia przepływu powietrza pierwotnego i wtórnego) ustalono na podstawie pomiarów rzeczywistych w warunkach laboratoryjnych. W celu zamodelowania spalania z uwzględnieniem radiacji wykorzystano model WSGGM (weighted-sum-of-gray-gases model). Obliczenia z uwzględnieniem radiacji oraz powstawania zanieczyszczeń NOx i SO2 prowadzono dla warunków spalania w powietrzu oraz przyjęto zróżnicowane atmosfery OXY. Obliczenia prowadzono w funkcji wartości współczynnika lambda oraz dla różnych wartości wilgotności paliwa

Ocena skuteczności i energochłonności procesu suszenia w suszarni fluidyzacyjnej i taśmowej

W pracy zawarto wyniki eksperymentalne badań nad efektywnością procesu suszenia węgla brunatnego w dwóch typach suszarek pilotowych, tj. suszarni fluidyzacyjnej i suszarni taśmowej. Opracowanie efektywnej metody suszenia węgla brunatnego, jak i biomasy, stanowi wyzwanie i konieczność ze względu na poprawę sprawności jednostek opalanych takim paliwem i redukcje emisji CO2. W instalacjach suszących jako czynnika suszącego używano dla suszarni fluidyzacyjnej powietrza, dla suszarni taśmowej spalin. Badania eksperymentalne przeprowadzono dla węgla brunatnego z kopalni Turów. Testy suszenia wykonano dla różnych temperatur czynnika suszącego i dla różnych strumieni czynnika suszącego. Wydajność suszarek węgla mokrego wynosiła ok. 100 kg/h. Oceniano skuteczność suszenia i wydatek energetyczny na usuniecie kg wody z węgla

Zastosowanie numerycznej mechaniki płynów w modelowaniu spalania węgla w atmosferze powietrza i oxy

Despite the fact that alternative energy sources sector has been rapidly developed since last years, coal combustion as a major fossil-fuel energy resource (especially in Poland) will continue being a major environmental concern for the next few decades. To meet future targets for the reduction of toxic and greenhouse gases emission new combustion technologies need to be developed: pre-combustion capture, post-combustion capture, and oxy-fuel combustion (the process of burning a fuel using pure oxygen instead of air as the primary oxidant). This paper deals with the air-fried and oxy-fuel hard and brown coal combustion (pulverized coal) combustion, and its impact on pollutants (NOx and SO2) formation. For CFD modeling of media flows and hard and brown coal combustion process the laboratory model of combustion reactor was applied. The material input was set based on technical-elementary analysis of pulverized coal used in experiment and sieves grain-size analysis. Boundary conditions (media flows intensities and temperatures). was set based on laboratory experimental measurements. Radiation case-sensitive WSGGM model (weighted – sum – of – gray – gases model) was used for calculation. The modeling was proceed for different combustion parameters in air and OXY atmosphere in oxygen/fuel ratio variation and fuel humidity variation function.Pomimo faktu gwałtownego rozwoju sektora alternatywnych źródeł energii w ostatnich dziesięcioleciach, spalanie węgla jako najważniejszego źródła energii konwencjonalnej (w szczególności w Polsce) jest bardzo istotnym zagadnieniem w aspekcie ochrony i inżynierii środowiska. Nowe wyzwania w zakresie obniżania emisji związków toksycznych, a także gazów cieplarnianych wymuszają rozwój w zakresie innowacyjnych technologii spalania węgla: pierwotnych (na etapie substratów) oraz wtórnych (na etapie produktów), a także modyfikacji procesu spalania (atmosfera OXY). W artykule zajęto się zagadnieniem formowania się zanieczyszczeń (NOx oraz SO2) powstających podczas procesu spalania pyłu węgla kamiennego i brunatnego w atmosferze powietrza oraz atmosferze OXY. Do obliczeń CFD przepływu i spalania mieszanki powietrzno-węglowej wykorzystano model laboratoryjnego pieca opadowego. Jako warunki materiałowe do obliczeń posłużono się rzeczywistymi analizami techniczno-elementarnymi pyłu węglowego. Przedziały frakcyjne cząstek ustalono na podstawie analizy sitowej. Warunki brzegowe (temperaturę pieca, doprowadzanego powietrza oraz paliwa, natężenia przepływu powietrza pierwotnego i wtórnego) ustalono na podstawie pomiarów rzeczywistych w warunkach laboratoryjnych. W celu zamodelowania spalania z uwzględnieniem radiacji wykorzystano model WSGGM (weighted – sum – of – gray – gases model). Obliczenia z uwzględnieniem radiacji oraz powstawania zanieczyszczeń NOx i SO2 prowadzono dla warunków spalania w powietrzu oraz przyjęto różnicowane atmosfery OXY. Obliczenia prowadzono w funkcji wartości współczynnika lambda oraz dla różnych wartości wilgotności paliwa

Effect of gasifying agents and calcium oxide on gasification of low-rank coal and wastes

The process of gasification is one of the promising technologies of clean combustible gas production from low-grade coals, such as lignite, coal mud and subbituminous LR coals, and from biomass and waste. However, depending on the type of gasification material, the following aspects require investigation and development: the selection of a gasification technology (including parameters and gasifying agents) and the removal of the components constituting a burden and contamination from the raw gas. This paper presents the results of research on the gasification of lignite and sludge with added refuse derived fuel and the gasification of both these substances with added calcium sorbents. Two gasifying agents, water vapour and carbon dioxide, were used in the experiments, which were carried out in a fixed bed reactor at the temperatures of 600, 700, 800, 900, and 1000 ◦C. The effects of process temperature, the calcium oxide addition and the gasifying agent composition and quantity on fuel conversion and product gas composition have been determined. Higher process temperatures in both atmosphere of gasification (H2O and CO2) cause an increase in the volume fraction of hydrogen and carbon monoxide in the resulting gas. The effect of the addition of calcium oxide (CaO) for carbon dioxide gasification of sewage sludge exhibits the positive effect. The increase in the volume of hydrogen and carbon monoxide in the syngas from gasification of sewage was observed. The gasifying agent has a different effect on the composition of the gas depending on the temperature. The gasification process in the atmosphere of water vapour starts faster than in the atmosphere of carbon dioxide and hydrogen formation is significantly higher

Technologies for the production of biochar – advantages and disadvantages

Rosnące zapotrzebowanie na energię zmusza do poszukiwania nowych rozwiązań umożliwiających jej pozyskanie – konwersję. Najprostszym sposobem wytwarzania ciepła oraz energii elektrycznej jest proces spalania paliwa w kotłach energetycznych. Najbardziej popularnymi paliwami są węgiel brunatny lub kamienny. Ze względu na wyczerpalność tych zasobów oraz konieczność redukcji emisji CO2, poszukiwane są inne rozwiązania. Jednym z dobrze rokujących kierunków rozwoju jest spalanie biowęgla, który należy rozumieć jako biomasę poddaną obróbce cieplnej, tj. wolnej pirolizie inaczej toryfikacji. Toryfikacja polega na powolnej dekompozycji termicznej składowych biomasy poprzez jej ogrzewanie do stosunkowo niskiej temperatury w atmosferze bez utleniacza. Przeprowadzono wiele prac badawczych, stąd proces jest w znacznej mierze rozpoznany. W chwili obecnej realizowane są pracę nad przeniesieniem wyników badań i technologii ze skali laboratoryjnej do przemysłowej. W zamyśle konstruktorów jest to, aby reaktory do produkcji biowęgla były w dużym stopniu autotermiczne, tym samym, by w trakcie pracy nie wymagały dodatkowego źródła energii, poza gazem procesowym wydzielanym z materiału poddanego obróbce. W pracy przedstawiono wymagania stawiane biowęglowi i trudności, które trzeba rozwiązać w procesie jego produkcji. Omówiono różne, dostępne na rynku, technologie oraz je porównano.Rising energy demand forced to seek new solutions for its acquisition – conversion. The simplest method of producing heat and electricity is the combustion process in power plant boilers. The most common fuels are lignite and hard coal. Due to limited resources of these fuels and the need to reduce the CO2 emissions, other solutions are sought. One of the promising direction is the biochar burning, which implies the biomass is subjected to heat treatment – i.e. slow pyrolysis otherwise torrefaction. Torrefaction consists in a slow thermal decomposition of biomass components by heating it to a relatively low temperature in the atmosphere without oxidant. Many studies conducted thus the process is largely recognized. Currently work on the transfer of research results and technologies from the laboratory scale to industrial scale are carried out. The intention of designers is to reactors for the production of biochar were largely autothermal thereby that during operation does not require an additional power source, otherwise the process gas is secreted from the treated material. The paper presents what are the requirements for biochars and shows difficulties that must be solved in the process of their production. Various technologies available on the market are shown, together with a comparison of their advantages and disadvantages

Co-firing of biomass with pulverised coal in oxygen enriched atmosphere

The aim of the paper is a comparative study of co-firing high shares of wooden and agro-biomass with hard coal under oxy-fuel and air conditions in the laboratory scale reactor for pulverised fuels. The investigations of co-combustion behaviour NOx and SO2 emission and burnout were carried out for selected blends. Detailed investigations were concentrated on determining the effect of dosing oxygen method into the burner on NOx emission. The paper presents the results of co-firing blends with 20 and 50% share of biomass by mass in air and oxy-combustion condition. Biomass oxy-co-firing integrated with CCS (CO2 capture) technology could be a carbon negative technology. The reduction of NOx emissions in the conditions of oxy-co-firing is dependent on the concentration of oxygen in the primary stream of oxidiser. A significant reduction of NOx was achieved in the case of low oxygen concentration in the primary stream for each investigated blends. Co-firing of biomass with coal in an oxygen enriched atmosphere enhances combustion behaviour, lowers fuel burnout and as a result increases of the boiler efficiency

Hydrothermal carbonization of wet biomass from nitrogen and phosphorus approach: A review

With increasing energy and resource consumption due to population growth, the biorefinery concept is becoming popular. This concept aims to harness all the properties of biomass by producing energy and recovering useful chemical products. Nutrients such as nitrogen and phosphorus play a key role in the world’s food production because they are the main elements used in fertilizer production. Hydrothermal carbonization (HTC) has been presented as a suitable option for energy recovery that can also be used as a pre-treatment for enhanced nutrient recovery. During the HTC process, part of the nitrogen and phosphorus are solubilized into the process water and the other part remains within the hydrochar. Hydrochars are mainly used as soil amendments due to their high content of phosphorus and nitrogen, but in this process, water still contains a considerable concentration of these compounds making it a potential source for their recovery. Therefore, HTC may boost the nutrient recovery strategy by extraction (process water) or densification (hydrochar) from biomass if it is coupled with another nutrient recovery process. This review presents an overview of the phosphorus and nitrogen fate during the HTC process from a perspective of nutrient recovery, presenting existing technologies and future trends

A comparative characterization study of Ca-looping natural sorbents

In this study, six high-Ca limestones and one dolomite from Germany, Greece, Italy, and Poland were tested for their CO2-uptake capacity during carbonation-calcination experiments in a TGA apparatus, as well as in a lab-scale atmospheric bubbling FB reactor. The calcium looping experiments were carried out both in the presence and absence of sulfur in gas phase, to study its likely inhibitory effect on the penetration of CaO particles by CO2. The mineralogy and microstructure of fresh, sulfated/carbonated, and non-sulfated/carbonated sorbents have been comparatively evaluated by means of X-ray diffraction (XRD) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy-Scanning Electron Microscopy (EDS-SEM), respectively. Their specific surface area and pore size distribution have been determined by means of N2-porosimetry. All samples were examined after five cycles of carbonation-calcination. In most sulfated samples, a shell of anhydrite (CaSO4) has been identified peripherally to the CaO particles, preventing part of their core from further carbonating. The macro-porosity (%) of sulfated samples was increased, compared to the non-sulfated ones, suggesting less sintering in the former, a fact also supported by the BET area measurements. On the other hand, micro-porosity showed no clear tendency with sulfation. The loss in microporosity, observed in particular cases of sulfated samples, was attributed to a drop in the associated conversion during carbonation. Overall, this work contains an integrated, comparative characterization study of the tested sorbents, accompanied by suggestions on their utilization in Ca-looping processes

Toryfikacja różnych typów biomasy w reaktorze obrotowym w skali laboratoryjnej oraz wielostopniowym reaktorze taśmowym w skali pilotażowej

Torrefaction is a thermal pretreatment process that improves properties of biomass relevant to its use as a fuel. It increases a heating value of the biomass, bringing it closer to the one of coal. That prevents the loss of power due to a decrease in calorific value of the fuel when biomass is supposed to replace coal partially. Along with less hygroscopic nature, in comparison to raw biomass, it allows improving logistics of the fuel. It also enhances grindability of the fuel, which is important for boilers and gasifiers that use pulverized fuel. In this study, four types of biomass were torrefied under different temperature regimes. Tests were performed in two different torrefaction reactors: laboratory scale Isothermal Rotary Reactor and pilot scale Multi-stage Tape Reactor (output up 10 kg/h and 100÷500 kg/h respectively). The process was characterized using dry mass loss during torrefaction, known as the mass yield. Energy yield was also calculated. Raw materials have been compared to the corresponding torrefied products. The comparison was based on standard set of properties, that is mandatory to be tested for any solid fuel, e.g., results of the proximate and ultimate analysis, the calorific value of the fuel. Obtained results have shown a significant improvement, regarding grindability after torrefaction. Also, hydrophobic nature of raw and torrefied biomass was a subject of tests. The propensity towards the moisture absorption was determined, by long-term storage under constant relative humidity conditions. Decreased rate of moisture absorption was observed for torrefied biomasses when compared with corresponding raw materials.Toryfikacja jest procesem obróbki termicznej, który poprawia własności biomasy pod kątem jej zastosowania jako paliwa. Proces zwiększa wartość opałową waloryzowanej biomasy, czyniąc ją bliższą do tej, jaką ma węgiel. Pozwala to zapobiegać obniżeniu mocy w przypadku częściowego zastąpienia węgla tak przetworzoną biomasą. W połączeniu z mniej higroskopijną naturą, w porównaniu do nieprzetworzonej biomasy, pozwala to na poprawę logistyki paliwowej. Proces poprawia też przemiałowość biomasy, co jest niezwykle istotne w przypadku kotłów i zgazowarek wykorzystujących paliwo stałe w postaci pyłu. W zakres niniejszej pracy wchodziło przeprowadzenie toryfikacji biomasy w różnych reżimach temperaturowych. Testy zostały przeprowadzone na dwóch różnych reaktorach: izotermicznym reaktorze obrotowym (w skali półtechnicznej) i wielopoziomowym reaktorze taśmowym (w skali pilotażowej). Proces został scharakteryzowany pod względem utraty suchej masy w procesie toryfikacji (zwanym powszechnie uzyskiem masy) oraz pod względem uzysku energii. Dokonano także porównania biomasy nieprzetworzonej z jej toryfikowanym odpowiednikiem pod względem uzyskanych wyników analizy technicznej, elementarnej oraz kaloryczności. Testy wykonane na młynie laboratoryjnym potwierdziły wzrost podatności na przemiał biomasy poddanej procesowi toryfikacji. Oszacowany został także wpływ toryfikacji na jej długoterminowe przechowywanie poprzez ocenę jej hydrofobowości. Ocena ta została dokonana na podstawie obserwacji zmiany wigotności próbek przechowywanych w warunkach stałej wilgotności. W porównaniu z nieprzetworzoną biomasą toryfikaty wykazały mniej hydrofobową naturę