Release of mercury and other trace elements during fluidised bed pyrolysis of coal and waste derived fuels

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Helsinki University of Technology | Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2004

Department

Konetekniikan osasto

Major/Subject

Energiatekniikka

Mcode

Ene-47

Degree programme

Language

en

Pages

92 s. + liitt. 13

Series

Abstract

The objective of this thesis was to investigate the release of mercury and other trace elements (As, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, Tl, V, Zn, Ti and Se) from coal and waste derived fuels during pyrolysis in a bubbling fluidised bed reactor. The release of mercury was of particular interest, as it is the most volatile, difficult to control and causes greatest public health concern of all trace elements. In addition to this, mercury exists in flue gas in three forms: gaseous elemental mercury, gaseous oxidised mercury and particulate bound mercury. It is imperative to know the speciation of mercury in order to address questions concerning mercury emission control, toxicity, mobility, bioaccumulation, and atmospheric fate and transport because each form has different physical, chemical and biological properties. In the theoretical part of this thesis, the sources, health effects, legislation and behaviour of trace elements during thermal processes are introduced, with special focus on mercury. Measurement of trace elements in and their removal from flue gas are also discussed. The focus of the reviewed literature was placed on the most recent studies conducted. In the experimental part of this thesis, the release of mercury and other trace elements from coal, sewage sludge and automotive shredder residue during pyrolysis in a fluidised bed reactor was examined. Mercury emissions were measured by a manual, wet sampling method, Ontario Hydro Method, which has an ASTM standard. Other trace elements were sampled by directing the flue gas flow through a scrubber tank containing of 15 litres of HNO3/H2O2 liquid, of which samples were taken during the test. The compositions of bed sand, fuel and char were also analysed. FTIR gas analyser was used to measure concentrations of about 20 gaseous species in the flue gas. The release of trace elements and the speciation of mercury were evaluated based on the results of these measurements and analyses. According to previous studies, mercury is completely volatilised during combustion and gasification processes and almost completely vaporised during pyrolysis in temperatures below 600 °C. Other trace elements can be released in gaseous form, enriched in fine particles or stay in the bottom ash depending of the characteristics and of the mode of occurrence of the particular trace element. During the experiments, it was noticed that all of the mercury was vaporised from each of the fuels used already at below 320 °C. The behaviour of other trace elements was dependent of the fuel as both vaporisation and enrichment in the char was detected.

Työn tavoitteena oli tutkia elohopean ja muiden hivenaineiden (As, Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, TI, Y, Zn, Ti ja Se) höyrystymistä pyrolysoitaessa hiiltä ja jätepolttoaineita kuplivassa leijupeti reaktorissa. Elohopean höyrystyminen oli erityinen mielenkiinnon kohde, sillä se on hivenaineista helpoiten höyrystyvä ja vaikein poistaa savukaasuista. Lisäksi se muodostaa hivenaineista suurimman uhan ihmisten terveydelle. Elohopealla on kolme olomuotoa savukaasuissa: kaasumainen elementaali elohopea, kaasumainen hapettunut elohopea ja partikkeleihin kiinnittynyt elohopea. On erittäin tärkeää tietää elohopean olomuodot savukaasussa, jotta pystyttäisiin arvioimaan elohopean käyttäytymistä savukaasun puhdistuslaitteissa ja ilmakehässä sekä myrkyllisyyttä ja bioakkumulaatiota, sillä jokaisella olomuodolla on erilaiset fysikaaliset, kemialliset ja biologiset ominaisuudet. Työn kirjallisuusosassa esitellään hivenaineiden lähteitä, terveysvaikutuksia, lainsäädäntöä ja käyttäytymistä lämpökäsittelyn aikana, pääpaino on elohopealla. Hivenaineiden mittaamista ja niiden poistamista savukaasuista käsitellään myös. Kirjallisuusosaa koostettaessa suurin painoarvo annettiin tuoreimmille tutkimustuloksille. Kokeellisessa osassa tutkittiin elohopean ja muiden hivenaineiden höyrystymistä pyrolysoitaessa hiiltä, viemärilietettä ja autopaloittamojätettä kuplivassa leijupetireaktorissa. Elohopea mitattiin manuaalisella Ontario Hydro menetelmällä, joka on ASTM standardimenetelmä. Muut hivenaineet mitattiin johtamalla savukaasuvirta pesuritankkiin, jossa oli 15 litraa HNO3/H2O2 liuosta. Tankista otettiin näytteitä testin aikana. Petihiekka-, polttoaine- ja koksinäytteet analysoitiin myös. FTIR-kaasuanalysaattorilla mitattiin n. 20 kaasun pitoisuudet pyrolyysikaasusta. Hivenaineiden höyrystyminen sekä elohopean olomuodot savukaasussa selvitettiin suoritettujen mittausten ja analyysien perusteella. Aikaisempien tutkimusten mukaan elohopea höyrystyy täysin poltto- ja kaasutusprosesseissa, sekä suurimmaksi osaksi pyrolysoitaessa hiiltä alle 600 °C:ssa. Muut hivenaineet vapautuvat kaasumaisina, rikastuvat pienhiukkasiin tai jäävät pohjatuhkaan, riippuen kyseistä hivenaineesta ja sen kemiallisesta affiniteetista. Kokeiden aikana todettiin, että elohopea höyrystyi täysin jokaisesta käytetystä polttoaineesta jo alle 320 °C lämpötilassa. Muiden hivenaineiden käyttäytyminen oli riippuvainen polttoaineesta, sillä sekä höyrystymistä kaasufaasiin, että rikastumista pohjatuhkaan havaittiin.

Description

Supervisor

Zevenhoven, Ron

Thesis advisor

Saeed, Loay

Keywords

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120451045

Collections

[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK