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

Sammanfattning: 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.