NL2000224C2

NL2000224C2 - Mengsel van biomassa en werkwijze voor de verbranding daarvan.

Info

Publication number: NL2000224C2
Application number: NL2000224A
Authority: NL
Inventors: Antonius Johannes Cor Smetsers; Yves Ryckmans
Original assignee: Leer Energy B V Van
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-03-11

Description

Mengsel van biomassa en werkwijze voor de verbranding daarvan

De uitvinding betreft een mengsel van biomassa. De uitvinding betreft voorts pellets omvattende een dergelijk mengsel. De uitvinding betreft bovendien een werkwijze voor 5 het verbranden van een mengsel van biomassa. De uitvinding betreft verder een gebruik.

Biomassa wordt in energiecentrales verbrandt voor het opwekken van elektriciteit. Eventueel worden bij de verbranding aan de biomassa andere brandstof toegevoegd, 10 zoals kolen. De met behulp van biomassa opgewekte stroom staat bekend als ‘groene stroom’. Er bestaat een toenemende behoefte aan ‘groene stroom’. Een veel gebruikte vorm van biomassa voor elektriciteitsopwekking wordt gevormd door houtpellets. Houtpellets zijn gunstig, omdat deze bij verbranding doorgaans weinig restproduct in de vorm van vliegas en slakken opleveren, geen of zeer weinig zware metalen bevatten en 15 een goede energieopbrengst hebben. De toenemende vraag naar houtpellets van voldoende hoge kwaliteit heeft echter een schaarste en een relatief hoge prijs tot gevolg, waardoor er een grote behoefte is aan alternatieve soorten biomassa die geschikt zijn voor verbranding in elektriciteitscentrales. Bij veel soorten biomassa zoals landbouwrestproducten treden echter in de energiecentrales problemen op door de 20 vorming van verbrandingsproducten die de warmtewisselaars in de centrale vervuilen en corrosieve schade kunnen veroorzaken. Deze problemen vormen een grote beperking voor de soorten biomassa die voor het opwekken van ‘groene stroom’ inzetbaar zijn.

Het is een doel van de uitvinding de corrosieproblemen bij verbranding van biomassa te 25 verminderen.

De uitvinding verschaft daartoe een mengsel van biomassa en kolenas. De kolenas blijkt een neutraliserend effect te hebben corrosieve verbrandingsproducten van biomassa. Bij verbranding van een mengsel van biomassa en kolenas afkomstig van verbranding van 30 steenkolen blijken de corrosieproblemen verminderd te zijn ten opzichte van het verbranden van dezelfde biomassa zonder toegevoegde kolenas. Door de uitvinding wordt het mogelijk soorten biomassa te gebruiken in verbranding voor elektriciteitsopwekking die voorheen niet gebruikt konden worden doordat de optredende corrosie de installatie te veel beschadigde om economisch rendabel te 2 kunnen zijn. Dit houdt een vergroting in van het aanbod aan biomassa dat geschikt gemaakt kan worden voor het opwekken van ‘groen stroom’. Bovendien is kolenas een relatief goedkoop product, dat in de vorm van bodemas en/of vliegas verkrijgbaar is van kolengestookte elektriciteitscentrales. Door gebruik van kolenas in de 5 elektriciteitsproductie uit biomassa wordt de efficiëntie van de elektriciteitsproductie als geheel verbeterd. Met name landbouwrestproduct omvat veel materialen die voorheen niet gebruikt konden worden in elektriciteitscentrales, die gemengd met koienas volgens de uitvinding economisch rendabel gebruikt kunnen worden.

10 Bij voorkeur wordt de samenstelling van het mengsel dusdanig gekozen dat de totale hoeveelheid vast restproduct na verbranding ten hoogste 15 gewichtsprocent is van het mengsel voor de verbranding, meer bij voorkeur ten hoogste 10 gewichtsprocent. Bij voorkeur zijn de biomassa en de kolenas in hoofdzaak homogeen gemengd. Door een homogene menging wordt het neutraliserende effect van de kolenas optimaal benut.

15 Tevens blijkt homogene vermenging de verbrandingseigenschappen van het mengsel te verbeteren, waardoor de hoeveelheid vast restproduct na verbranding relatief klein is.

De inschatting van de te verwachten hoeveelheid restproduct kan vooraf bepaald worden uit de scheikundige samenstelling van de biomassa en kolenas. Een dergelijke berekening kan worden gebaseerd op de aanname dat biomassa als vast restproduct in 20 hoofdzaak kaliumoxide (K2O) en natriumoxide (Na20) oplevert, en kolenas in hoofdzaak aluminiumoxide (AI2O3) en zwavel (S). Een andere mogelijkheid om een geschikte mengverhouding te bepalen is het uitvoeren van empirische testen met behulp van proefmengsels.

25 Het is voordelig indien het mengsel ten minste 4 gewichtsprocent kolenas omvat. Een dergelijke hoeveelheid kolenas geeft een bijzonder goede neutralisering van corrosie door de biomassa bij verbranding.

In een voorkeursuitvoering omvat het mengsel tussen 4 en 10 gewichtsprocent kolenas.

30 Bij een dergelijke hoeveelheid wordt een goede neutralisering van corrosie bij verbranding gerealiseerd, en blijft tevens de hoeveelheid vast restproduct na verbranding beperkt. Het vaste restproduct na verbranding omvat zowel vliegas als bodemas.

3

Bij voorkeur heeft de kolenas een gemiddelde deeltjesgrootte met een diameter kleiner dan 3 mm. Bij dergelijke gemiddelde deeltjesgrootte blijken de verbrandingseigenschappen van het mengsel optimaal en wordt een optimale vermindering van de corrosie bewerkstelligd.

5

Het is voordelig indien de gemiddelde deeltjesgrootte van de kolenas ten hoogste 20% afwijkt van de gemiddelde deeltjesgrootte van de biomassa. Aldus wordt een optimale verbranding van de biomassa en een optimale corrosievermindering bewerkstelligd.

10 Het is voordelig indien de kolenas in hoofdzaak bodemas omvat. Bodemas blijkt doorgaans een betere corrosievermindering te geven dan vliegas. Bodemas vertegenwoordigt doorgaans een lagere commerciële waarde dan vliegas, en heeft het een betere beschikbaarheid. Een ander voordeel van bodemas ten opzichte van vliegas is dat bodemas doorgaans relatief weinig of geen zware metalen zoals kwik (Hg) en 15 cadmium (Cd) bevat, hetgeen gunstig voor de verdere verwerking of opslag van het na verbranding verkregen vaste restproduct. In tegenstelling tot vliegas is de deeltjesgrootte van bodemas zoals verkregen in elektriciteitscentrales vaak te groot voor een goede menging met de biomassa. Om de gewenste deeltjesgrootte te verkrijgen dient bodemas daarom vaak eerst verkleind te worden, bijvoorbeeld door vermaling.

20

Het is voordelig indien de kolenas ten minste 50 gewichtsprocent aluminiumsilicaten omvat. De aanwezigheid van een dergelijk gehalte aluminiumsilicaten in de kolenas blijkt een vermindering te geven de corrosie bij verbranding van het mengsel in vergelijking met kolenas met een lager percentage aluminiumsilicaten.

25 Aluminiumsilicaten worden doorgaans aangeduid met de chemische formule AI2O3.2S1O2 als repeterende eenheid met een molecuulgewicht van 222 kg/mol.

Het meest bij voorkeur omvat de kolenas ten minste 80 gewichtsprocent aluminiumsilicaten omvat. Kolenas met een dergelijk relatief hoog gehalte aan 30 aluminiumsilicaten bewerkstelligt een zeer goede onderdrukking van corrosie bij verbranding van het mengsel, en maakt het daardoor mogelijk minder kolenas te gebruiken hetgeen leidt tot een verlaging van de hoeveelheid vast restproduct na verbranding. Kolenas met een dergelijk percentage aluminiumsilicaten wordt bijvoorbeeld verkregen bij de verbranding van SA Middelburg, Kleinkopje of Kromdrai 4 kolen. De uit deze kolen vergregen kolenas kan een gemiddeld gewichtspercentage van 85% aluminiumsilicaten hebben.

Het is voordelig indien het mengsel alkalimetalen en aluminiumsilicaten omvat in een 5 molaire verhouding van ten minste 1 eenheid AI2O3.2S1O2 per 2 eenheden alkalimetaal. Bij een dergelijke verhouding treedt een sterke vermindering van corrosie van de installatie bij verbranding van het mengsel op in vergelijking met een lagere hoeveelheid aluminiumsilicaten. De alkalimetalen die in biomassa aangetroffen worden zijn in hoofdzaak natrium en/of kalium. In verbrandingsmengsels worden de 10 alkalimetalen aangetroffen in de vorm van natriumchloride (NaCl) of kaliumchloride (KC1), en met name de corrosieve verbindingen natriumoxide (Na20) en kaliumoxide (K20).

Met name de alkalimetaaloxiden worden gezien als oorzaak van het corrosieprobleem 15 bij de verbranding van biomassa. Basis voor de neutralisatie van de alkalimetaaloxiden door kolenas is de binding van de alkalimetalen aan de aluminiumsilicaten, volgens de volgende netto chemische reactie, waarin Na of K: AI2O3.2S1O2 + M20 -» M2O.AI2O3.2S1O2 (1) 20

Tijdens de verbrandingsreactie zullen de aanwezige alkalimetaalzouten bij volledige verbranding uiteindelijk als alkalimetaaloxides gebonden worden aan de aluminiumsilicaten.

25 Het is voordelig indien het mengsel alkalimetalen en aluminiumsilicaten omvat in een molaire verhouding van ten minste 1,2 eenheden AI2O3.2S1O2 per 2 eenheden alkalimetaal. Aldus wordt een goede neutralisatie van de corrosieve alkalimetaaloxiden verzekerd.

30 Bij voorkeur omvat de molaire verhouding niet meer dan 2 eenheden AI2O3.2S1O2 per 2 eenheden alkalimetaal. Aldus blijft de hoeveelheid vast restproduct na verbranding minimaal. Indien de kolenas en de biomassa vooraf aan de verbranding gemengd wordt, bijvoorbeeld in pelletvorm, dan worden goede resultaten behaald met een dergelijke relatief lage molverhouding. Wanneer het kolenas tijdens de verbranding van de 5 biomassa aan de biomassa dient te worden toegevoegd, dan is vaak een overmaat van meer dan 2 eenheden AI2O3.2S1O2 per 2 eenheden alkalimetaal nodig om een vergelijkbare vermindering van corrosie te bereiken.

5 In een voorkeursuitvoering bestaat de biomassa in hoofdzaak uit restproducten afkomstig uit landbouw en/of bosbouw. Voor dergelijke restproducten wordt een opvallende verbetering in verbrandingseigenschappen waargenomen wanneer deze voorafgaand aan de verbranding gemengd worden met kolenas. In het bijzonder vallen onder dergelijke restproducten vruchtresten afkomstig van granen, vruchten en 10 oliezaden voorbeelden hiervan zijn: uitmaalsels van tarwe, gerst, haver, rogge,rijst, mais, ook bekend als "bran"; resten na suikerproductie zoals bietenpulp en bagasse; resten na sapproductie zoals citruspulp en andere vruchtenpulp; resten na winning plantaardige olie, de zogenaamde oliezadenschroten; en resten na zetmeelwinning zoals aardappelvezels en maniocresten. Dergelijke restproducten bestaan uit materiaal 15 waarvoor doorgaans geen rendabele hoogwaardige toepassing bestaat. De uitvinding maakt het mogelijke deze materialen nu hoogwaardig toe te passen voor de opwekking van energie.

Het is voordelig indien de biomassa restproducten omvat afkomstig uit de landbouw, 20 geselecteerd uit de groep bestaande uit tarwe, hop, gerst, maïs, zonnebloem, stro, palmvrucht, rijst, en tapioca. Dergelijke landbouwrestproducten hebben een goede beschikbaarheid, maar waren voorheen niet geschikt voor verbranding wegens problemen op het gebied van corrosie en vaste restproducten.

25 De uitvinding verschaft tevens pellets, in hoofdzaak bestaand uit een mengsel van biomassa en kolenas volgens de uitvinding. Pellets vormen een goed doseerbare en verwerkbare vorm van het mengsel volgens de uitvinding. Bovendien maken pellets het mogelijk de menging van biomassa en kolenas voorafgaand aan het verbrandingsproces te optimaliseren, hetgeen een betere verbranding geeft dan het in situ mengen van 30 kolenas en biomassa in de verbrandingsinstallatie.

In een voorkeursuitvoering hebben de pellets een gemiddelde lengte van tussen 10 en 40 mm en een gemiddelde diameter tussen 4 en 10 mm. Het meest bij voorkeur hebben de pellets een gemiddelde diameter tussen 6 en 8 mm. Bij deze afmetingen hebben de 6 pellets een bijzonder geschikt verbrandingsgedrag, dat bruikbaar is in verschillende soorten verbrandingsinstallaties.

De uitvinding verschaft tevens een werkwijze voor het vervaardigen van een mengsel 5 volgens de uitvinding, omvattende het vermengen van biomassa en kolenas. Het vermengen van de biomassa en kolenas in vooraf bepaalde hoeveelheden kan gebeuren in gangbare menginstallaties. Eventueel worden de biomassa en/of de kolenas voorafgaand aan het vermengen tot een vergelijkbare deeltjesgrootte vermalen. Eventueel wordt het mengsel na het vermengen gedroogd om een verbeterde 10 verbrandingswaarde te verkrijgen.

Het is voordelig indien het mengsel na het vermengen gepelleteerd wordt. Aldus is het mengsel beter hanteerbaar. Voor het pelleteren kunnen gangbare pelleteermachines gebruikt worden.

15

De uitvinding verschaft daarnaast een werkwijze voor het verbranden van een mengsel van biomassa en kolenas volgens de uitvinding. De energie die vrij komt bij verbranding van een mengsel van biomassa en kolenas kan gebruikt worden voor het opwekken van zogenaamde ‘groene’ elektrische stroom.

20

De uitvinding verschaft ook het gebruik van kolenas als additief voor de verbranding van biomassa. Het gebruik van kolenas als additief voor de verbranding van biomassa vermindert corrosie en vervuilingsproblemen, en ontsluit diverse soorten biomassa voor verbranding in elektriciteitscentrales die voorheen door dergelijke problemen 25 economisch en technisch gezien ongeschikt waren.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van het volgende voorbeeld.

Voorbeeld 30 Tarwegries is als biomassa ongeschikt voor verbranding in elektriciteitscentrales wegens corrosieproblemen en asproblemen. De corrosieproblemen worden met name toegeschreven aan een hoog gehalte kaliumoxide en chloride. Tarwegries levert bij verbranding tevens een relatief grote hoeveelheid as op: gemiddeld 5,5 gewichtsprocent ten opzichte van het gewicht voor verbranding. Ter vergelijking, houtpellets leveren 7 gemiddeld 0,3 gewichtsprocent as op ten opzichte van het gewicht voor verbranding. Het blijkt dat door het bijmengen van kolenas voorafgaand aan de verbranding, de corrosieproblemen en asproblemen van tarwegries bij verbranding tot een acceptabel niveau kunnen worden teruggebracht. Deze methode blijkt tevens toepasbaar op 5 bijproducten van andere graansoorten.

Tarwegries heeft een hoog kaliumgehalte dat bij verbranding resulteert corrosief kaliumoxide. Tarwegries werd gemengd met kolenas afkomstig van de verbranding van SA Middelburg kolen, die een gehalte van 85 gewichtsprocent aluminiumsilicaten 10 bevatten. Van de kolenas werd de bodemas gebruikt, hoewel de vliegas in principe ook geschikt is. Voor gebruik werden de kolenas en de biomassa vermalen tot deeltjes met een gemiddelde deeltjesgrootte kleiner dan 3 mm. De deeltjes werden vervolgens in vooraf bepaalde verhoudingen gemengd (zie de navolgende berekening), en vervolgens gepelleteerd in een gangbare pelleteermachine die ook voor houtpellets gebruikt wordt.

15 De pellets werden vervolgens verbrand in een installatie voor het opwekken van elektriciteit. In vergelijking met verbranding van 100% biomassa trad aanzienlijk minder corrosie en vervuiling van warmtewisselaars op bij de verbranding van landbouwrestproduct van tarwegries gemengd met kolenas.

20 Voor de mengverhoudingen van kolenas en biomassa werd uitgegaan van het volgende model en de netto reactie waarmee kaliumoxide K2O wordt weggevangen.

Al203.2Si02 + K20 M20.Al203.2Si02 (2) 25 Voor effectief wegvangen van kaliumoxide dienen aluminiumsilicaten te minste in een stochiometrische verhouding in het mengsel aanwezig te zijn, te weten één mol aluminiumsilicaten op twee mol kalium. Eén kilo tarwegries bevat ongeveer 13,7 gram kalium. Uitgaand van het molgewicht van kalium, 39 g/mol, is hiervoor dus ongeveer 39 g Al203.2.Si02 (molgewicht 222 g/mol) nodig, hetgeen overeenkomt met 45g 30 kolenas met een percentage van 85% aluminiumsilicaten. In totaal bevat het mengsel dus 4,5 gewichtsprocent kolenas en 95,5 gewichtsprocent biomassa. Na volledige verbranding blijft de kolenas en het onverbrandbare deel van de biomassa over, dus 4,5 + 5,5= 10 gewichtsprocent van het gewicht voor verbranding. Een dergelijke hoeveelheid restproduct is acceptabel. Het aan de alumiumsilicaten gebonden K20 8 bleek in verhouding met ongebonden K20 aanzienlijk minder corrosieve schade aan de verbrandingsinstallatie toe te brengen.

Claims

2. Mengsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de biomassa en de kolenas in hoofdzaak homogeen gemengd zijn.
3. Mengsel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de samenstelling van het mengsel dusdanig gekozen dat de totale hoeveelheid vast restproduct na verbranding 10 ten hoogste 15 gewichtsprocent is van het mengsel voor de verbranding.
4. Mengsel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het mengsel ten minste 4 gewichtsprocent kolenas omvat.
5. Mengsel volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het mengsel tussen 4 en 10 gewichtsprocent kolenas omvat.
6. Mengsel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de kolenas een deeltjesgrootte heeft met een gemiddelde diameter kleiner dan 3 mm. 20
7. Mengsel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de gemiddelde deeltjesgrootte van de kolenas ten hoogste 20% afwijkt van de gemiddelde deeltjesgrootte van de biomassa.
8. Mengsel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de kolenas in hoofdzaak bodemas omvat.
9. Mengsel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de kolenas ten minste 50 gewichtsprocent aluminiumsilicaten omvat. 30
10. Mengsel volgens conclusie, met het kenmerk, dat de kolenas ten minste 80 gewichtsprocent aluminiumsilicaten omvat. II. Mengsel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het mengsel alkalimetalen en aluminiumsilicaten omvat in een molaire verhouding van ten minste 1 eenheid AI2O3.2S1O2 per 2 eenheden alkalimetaal.
12. Mengsel volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het mengsel alkalimetalen 5 en aluminiumsilicaten omvat in een molaire verhouding van ten minste 1,2 eenheden AI2O3.2S1O2 per 2 eenheid alkalimetaal.
13. Mengsel volgens conclusie 11 of 12, met het kenmerk, dat het mengsel niet meer dan 2 eenheden AI2O3.2S1O2 per 2 eenheden alkalimetaal omvat.
14. Mengsel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de biomassa in hoofdzaak uit restproducten bestaat afkomstig uit landbouw en/of bosbouw.
15. Mengsel volgens conclusie, met het kenmerk, dat de biomassa restproducten 15 omvat afkomstig uit de landbouw, geselecteerd uit de groep bestaande uit tarwe, hop, gerst, maïs, zonnebloem, stro, palmvrucht, rijst, en tapioca.
16. Pellets, in hoofdzaak bestaand uit een mengsel van biomassa en kolenas volgens één de voorgaande conclusies. 20
17. Pellets volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de pellets een gemiddelde lengte tussen 10 en 40 mm en een gemiddelde diameter tussen 4 en 10 mm hebben.
18. Werkwijze voor het vervaardigen van een mengsel volgens één der voorgaande 25 conclusiesl-15, omvattende het vermengen van biomassa en kolenas.
19. Werkwijze volgens conclusie 18, met het kenmerk dat het mengsel na het vermengen gepelleteerd wordt.
20. Werkwijze voor het verbranden van een mengsel van biomassa en kolenas volgens één der voorgaande conclusies 1-15.
21. Gebruik van kolenas als additief voor de verbranding van biomassa.