Advanced

A Study of Biomass Combustion Problems and the Selective Catalytic Oxidation of Ammonia

Olofsson, Göran LU (2004)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Intresset för biobränsle som en alternativ energiresurs har ökat eftersom utsläppen av CO2, NOx och SO2 bör sänkas. Användningen av biobränsle i en trycksatt fluidiserad bädd förbrännare/förgasare är därför en teknik som är lovande. En fluidiserad bädd har en rad fördelar såsom effektiv värmeöverföring, bränsleflexibilitet och låg förbränningstemperatur. Trots sina fördelar är den dock inte helt problemfri att använda. Rökgaserna innehåller bl.a. ammoniak, NOx och tjära. Under vissa omständigheter kan bäddmaterialet bilda klumpar (bädden agglomererar) och detta kan påverka fluidiseringen som t.o.m. kan upphöra helt. Om rätt kombination av biobränsle, bäddmaterial, tillsatser för att minska NOx... (More)
Popular Abstract in Swedish

Intresset för biobränsle som en alternativ energiresurs har ökat eftersom utsläppen av CO2, NOx och SO2 bör sänkas. Användningen av biobränsle i en trycksatt fluidiserad bädd förbrännare/förgasare är därför en teknik som är lovande. En fluidiserad bädd har en rad fördelar såsom effektiv värmeöverföring, bränsleflexibilitet och låg förbränningstemperatur. Trots sina fördelar är den dock inte helt problemfri att använda. Rökgaserna innehåller bl.a. ammoniak, NOx och tjära. Under vissa omständigheter kan bäddmaterialet bilda klumpar (bädden agglomererar) och detta kan påverka fluidiseringen som t.o.m. kan upphöra helt. Om rätt kombination av biobränsle, bäddmaterial, tillsatser för att minska NOx och N2O utsläppen samt tillsatser för att minska agglomereringen används kan NOx utsläppen och agglomereringsrisken minskas. I studien analyserades olika kombinationer av biobränslen, bäddmaterial, tillsatser för att minska NOx och N2O utsläppen samt tillsatser för att minska agglomereringen. Följande kombinationer gav bäst resultat. 1) För att minska agglomereringsrisken: sågspån (barrträd), mullit (Al2O3 och SiO2), Kalciumoxid (CaO) samt ammoniumbikarbonat (NH4HCO3). 2) För att minimera NOx utsläppen: sågspån, benaska, mullit samt urea ((NH2)2CO). 3) För N2O minimering: halm, benaska, lera samt natriumkarbonat (Na2CO3).



Agglomereringen var av två olika typer, homogen agglomerering där partiklarna är lika stora och kan vara upp till 2 mm i diameter, eller heterogen agglomerering där partiklarna är heterogena och kan ha en diameter på upp till 60 mm. Vid heterogen agglomerering finns det risk för att bädden helt ska sluta fluidisera. Den heterogena agglomereringen har sitt ursprung i en ”hot spot” som bildas i bädden. Natrium– och kaliumsilikater som finns närvarande kan då börja smälta eftersom dessa föreningar har en smältpunkt i närheten av reaktortemperaturen (~800°).



Vidare undersöktes katalysatorer med avseende på förmågan att avlägsna ammoniak i biogas och andra avgasströmmar. En Ni-baserad katalysator undersöktes med avseende på förmågan att bryta ner ammoniaken till vätgas och kvävgas. En Pt/CuO/Al2O3 katalysator med 20 vikt-% CuO och med mellan 0.5-4 vikt-% Pt tillverkades och undersöktes med avseende på selektiv oxidation av ammoniak till kvävgas och vatten i en torr och våt gas samt i en syntetisk biogas bestående av förutom ammoniak och syre, kolmonoxid, vätgas och metan. Den Ni-baserade katalysatorn kunde bryta ner mellan 35-90% av ammoniaken och avlägsna 90-95% av LHCn (lätta kolväte) i biogasen vid 780-880°C.



Aktivitetsmätningar för Pt/CuO/Al2O3 visade att katalysatorn är aktiv och selektiv för selektiv katalytisk oxidation (SCO) av ammoniak till kvävgas och vatten. Selektiviteten till kvävgas är omkring 90% vid fullständig omsättning av ammoniaken i temperaturintervallet 235-260°C. Jämfört med en torr biogas är selektiviteten högre för en våt biogas. Förbehandling av katalysatorn med SO2 ger bättre selektivitet, mellan 97-98% med i stort sett full omsättning av ammoniak. Dock, även om Pt/CuO/Al2O3 katalysatorn ger hög selektivitet för ammoniakoxidation i en biogas innehållande vatten så är katalysatorns prestanda betydligt sämre när biogasen är torr. Katalysatorn verkar dock inte vara lämplig att använda för SCO av ammoniak i biogas då katalysatorn inte enbart oxiderar ammoniaken utan även oxiderar kolmonoxiden och vätgasen, ämnen som är värdefulla att ha kvar.



Till sist behandlades reaktionsmekanismen för SCO av ammoniak över en Pt/CuO/Al2O3 katalysator. Erhållen data tyder på att reaktionen sker via en direkt oxidation av ammoniak. Ammoniaken adsorberas på Cu som NHx och syre adsorberas på Pt. Två NHx reagerar tillsammans med syre i gränsskiktet mellan Cu och Pt och ger kvävgas och vatten. Varken NO eller NO2 är inblandad i reaktionen. (Less)
Abstract
Increasing awareness of the need of reducing CO2, NOx and SOx emissions from combustion systems has led to a strong interest in biomass as a fuel source. Using it in combination with fluidised bed combustion technology can lead to a lowering of NOx emissions to the atmosphere. However, this is not a problem-free technique, since the flue gas can contain ammonia, NOx and tar. The fluidised bed can also cease to fluidise if the bed agglomerates. Ammonia can be removed from the flue gas by catalytic methods either by degradation to hydrogen and nitrogen or by selective catalytic oxidation (SCO) to nitrogen and water. Choosing a proper combination of fuel, bed material, NOx repressing additive and an alkali-capturing additive can lower both... (More)
Increasing awareness of the need of reducing CO2, NOx and SOx emissions from combustion systems has led to a strong interest in biomass as a fuel source. Using it in combination with fluidised bed combustion technology can lead to a lowering of NOx emissions to the atmosphere. However, this is not a problem-free technique, since the flue gas can contain ammonia, NOx and tar. The fluidised bed can also cease to fluidise if the bed agglomerates. Ammonia can be removed from the flue gas by catalytic methods either by degradation to hydrogen and nitrogen or by selective catalytic oxidation (SCO) to nitrogen and water. Choosing a proper combination of fuel, bed material, NOx repressing additive and an alkali-capturing additive can lower both the NOx emissions and the degree of agglomeration. The optimal combination of fuel, bed material, alkali-capturing additive and NOx-repressing additive for minimising agglomeration in the bed involves use of sawdust, mullite, calcite and ammonia bicarbonate. The optimal combination for minimising NO emission would be use sawdust, bone ash, mullite and urea, whereas the optimal combination for minimising N2O involves the choice of straw, bone ash, clay and Na2CO3. Agglomeration can be either of a homogeneous type, involving particles of uniform size less than 2 mm in diameter, or of a heterogeneous type, in which particles are up to 60 mm in diameter. In the case of heterogeneous agglomeration, there is a severe risk of the bed ceasing to fluidise.



Catalysts were tested for ammonia abatement in biogas and flue gas. An Ni-based catalyst was tested for the degradation of ammonia to hydrogen and nitrogen. Pt/CuO/Al2O3 catalysts containing 20 wt% CuO and 0.5-4 wt% Pt that were prepared were used for the selective catalytic oxidation of ammonia in wet and dry biogas/waste gas and in synthetic biogas containing CO, hydrogen and methane. For a “real” biogas, the Ni-based catalyst was able to provide a 35-90% ammonia removal and 90-95 % removal of LHCs at 790-880°C. Activity measurements showed Pt/CuO/Al2O3, to be active and selective for the oxidation of ammonia to form nitrogen. A selectivity of about 90% for the oxidation of ammonia to nitrogen was achieved at full conversion. The catalyst showed a higher selectivity to nitrogen when the feed was wet than when it was dry. Pretreatment of the catalyst by SO2 containing gas provided an improved catalyst with a selectivity of about 97-98% to nitrogen at complete ammonia conversion. Although Pt/CuO/Al2O3 showed good performance for the oxidation of ammonia to nitrogen in the presence of biogas components under wet conditions, performance was less good under dry conditions. However, under both wet and dry conditions the catalyst was not selective for ammonia oxidation but oxidised CO and hydrogen as well. The reaction mechanism for the selective catalytic oxidation of ammonia on Pt/CuO/Al2O3 to yield nitrogen was investigated. The results obtained exclude the possibility of NO being a reaction intermediate in nitrogen formation. Most of the nitrogen is formed by direct oxidation and the combining of two NHx. The data obtained suggest the reaction to take place at the Pt/CuO phase boundary between the NHx species being adsorbed on the CuO and the oxygen at the Pt sites. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Professor Sanati, Mehri, School of Technology and Design, Växjö University, Sweden
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Chemical technology and engineering, Kemiteknik och kemisk teknologi, Energy research, Reaction mechanism, Ammonia degradation, Pt/CuO/Al2O3 Catalysts, SCO, Selective Catalytic Oxidation, Catalytic hot gas cleaning, Bed agglomeration, NOx emissions, Fluidised bed, Biomass combustion, Biogas, Energiforskning
pages
154 pages
publisher
Göran Olofsson, Department of Chemical Engineering, Lund University
defense location
Chemical Center, Getingevägen 60, lecture hall K:F, Lund Institute of Technology.
defense date
2004-12-06 13:15
ISBN
97-7422-067-5
language
English
LU publication?
yes
id
ed0f4e06-674b-4821-ae8c-3d3da7d2663a (old id 467649)
date added to LUP
2007-10-13 14:27:31
date last changed
2016-09-19 08:45:12
@phdthesis{ed0f4e06-674b-4821-ae8c-3d3da7d2663a,
  abstract     = {Increasing awareness of the need of reducing CO2, NOx and SOx emissions from combustion systems has led to a strong interest in biomass as a fuel source. Using it in combination with fluidised bed combustion technology can lead to a lowering of NOx emissions to the atmosphere. However, this is not a problem-free technique, since the flue gas can contain ammonia, NOx and tar. The fluidised bed can also cease to fluidise if the bed agglomerates. Ammonia can be removed from the flue gas by catalytic methods either by degradation to hydrogen and nitrogen or by selective catalytic oxidation (SCO) to nitrogen and water. Choosing a proper combination of fuel, bed material, NOx repressing additive and an alkali-capturing additive can lower both the NOx emissions and the degree of agglomeration. The optimal combination of fuel, bed material, alkali-capturing additive and NOx-repressing additive for minimising agglomeration in the bed involves use of sawdust, mullite, calcite and ammonia bicarbonate. The optimal combination for minimising NO emission would be use sawdust, bone ash, mullite and urea, whereas the optimal combination for minimising N2O involves the choice of straw, bone ash, clay and Na2CO3. Agglomeration can be either of a homogeneous type, involving particles of uniform size less than 2 mm in diameter, or of a heterogeneous type, in which particles are up to 60 mm in diameter. In the case of heterogeneous agglomeration, there is a severe risk of the bed ceasing to fluidise.<br/><br>
<br/><br>
Catalysts were tested for ammonia abatement in biogas and flue gas. An Ni-based catalyst was tested for the degradation of ammonia to hydrogen and nitrogen. Pt/CuO/Al2O3 catalysts containing 20 wt% CuO and 0.5-4 wt% Pt that were prepared were used for the selective catalytic oxidation of ammonia in wet and dry biogas/waste gas and in synthetic biogas containing CO, hydrogen and methane. For a “real” biogas, the Ni-based catalyst was able to provide a 35-90% ammonia removal and 90-95 % removal of LHCs at 790-880°C. Activity measurements showed Pt/CuO/Al2O3, to be active and selective for the oxidation of ammonia to form nitrogen. A selectivity of about 90% for the oxidation of ammonia to nitrogen was achieved at full conversion. The catalyst showed a higher selectivity to nitrogen when the feed was wet than when it was dry. Pretreatment of the catalyst by SO2 containing gas provided an improved catalyst with a selectivity of about 97-98% to nitrogen at complete ammonia conversion. Although Pt/CuO/Al2O3 showed good performance for the oxidation of ammonia to nitrogen in the presence of biogas components under wet conditions, performance was less good under dry conditions. However, under both wet and dry conditions the catalyst was not selective for ammonia oxidation but oxidised CO and hydrogen as well. The reaction mechanism for the selective catalytic oxidation of ammonia on Pt/CuO/Al2O3 to yield nitrogen was investigated. The results obtained exclude the possibility of NO being a reaction intermediate in nitrogen formation. Most of the nitrogen is formed by direct oxidation and the combining of two NHx. The data obtained suggest the reaction to take place at the Pt/CuO phase boundary between the NHx species being adsorbed on the CuO and the oxygen at the Pt sites.},
  author       = {Olofsson, Göran},
  isbn         = {97-7422-067-5},
  keyword      = {Chemical technology and engineering,Kemiteknik och kemisk teknologi,Energy research,Reaction mechanism,Ammonia degradation,Pt/CuO/Al2O3 Catalysts,SCO,Selective Catalytic Oxidation,Catalytic hot gas cleaning,Bed agglomeration,NOx emissions,Fluidised bed,Biomass combustion,Biogas,Energiforskning},
  language     = {eng},
  pages        = {154},
  publisher    = {Göran Olofsson, Department of Chemical Engineering, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {A Study of Biomass Combustion Problems and the Selective Catalytic Oxidation of Ammonia},
  year         = {2004},
}