Heidelberg, Universiẗat, Diss., 2000.

Stuttgart, Univ., Diss., 2005.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2009

Techn. Hochsch., Diss.--Aachen, 2006.

Zugl.: Bayreuth, Universiẗat, Diss., 2009.

The thesis deals with analysis of calcium carbide production process. The aim of the thesis is to identify and design savings resulting from the use of energy contained in flue gas, which is produced during the process. In the first part, history and applications of calcium carbide are presented. The thesis then contains mass and energy balance of calcium carbide production. Balance is related to 1 ton of the product. In conclusion, possibilities of flue gas use for coke drying are proposed. The thesis is based on the information from the calcium carbide factory located in Sundsvall, Sweden.

The combustion of fossil fuels has for a long time been a problem from an environmental and sustainability point of view, especially when it comes to the emissions of atmospheric carbon dioxide. The environmental concern has for instance shifted the attention towards finding new sustainable alternatives for producing chemicals and fuels, as a substitute to today’s dependence on fossil based crude oil. Catalytic Fast Pyrolysis of biomass is an excellent way to produce valuable chemicals and fuels using renewable resources. However, the process has some drawbacks, for example rapid deactivation of catalysts due to coke formation. Little is known about the characteristics of the formation of catalytic coke from pyrolysis processes, which should be a vital concern in future industrial processes. This thesis is dedicated to investigate the chemical coke characteristics found on zeolitic catalysts. Four zeolites of the type ZSM-5 were chosen for this thesis to deduce any chemical differences in the coke: HZSM-5, Fe/ZSM-5, Ni/ZSM-5, and Fe-Ni/ZSM-5. The coke were characterized by TGA, GC/MS, and FTIR. The results show that Fe/ZSM-5 produced the highest amount of coke compared to the other zeolites, where HZSM-5 had the lowest amount of coke formation. The coke consisted mainly of aromatic and cyclic hydrocarbons, dominated by polycyclic aromatic hydrocarbons. The content of ketones and alcohols in the coke found on HZSM-5 was higher compared to the metal-doped zeolites, while the formation of naphthalenes was lower. The FTIR results also show that coke was mainly comprised of aromatic hydrocarbons. However, traces of alkanes and alkenes reveal that the coke may have a greater variety than the GC/MS analysis suggests. The results show interesting features when metals are introduced to the zeolitic structure, at least when it comes to coke formation. The metal-doping of zeolites certainly seems to alter the chemistry of the catalytic reactions, compared to the parent zeolite. The differences in the chemical characteristics found in the coke are certainly interesting, and it could mean that the chemistry of the bio-oil also varies depending on the metals chosen for the ZSM-5. The new properties that metals introduce to the parent catalyst may open up new possibilities in industrial catalytic processes, and allow industries to take more advantage of the great benefits that biomass has to offer. / Förbränning av fossila bränslen har under lång tid utgjort ett problem ur miljö- och hållbarhetssynpunkt, i synnerhet gällande utsläppen av koldioxid. En större miljömedvetenhet har gett upphov till sökandet efter nya råvaror för att framställa bränslen och kemikalier, utan att förlita sig på fossil råolja. Katalytisk pyrolys av biomassa är ett utmärkt sätt att framställa värdefulla kemikalier från förnybara källor. Processen står dock inför en del tekniska utmaningar, bland annat en snabb deaktivering av använda katalysatorer genom koksning. Målet med detta examensarbete är att undersöka den kemiska sammansättningen av koks, som bildats på zeolitkatalysatorerna. Mer specifikt, att försöka undersöka huruvida den kemiska sammansättningen av koks skiljer sig mellan katalysatorn HZSM-5 och metalldopad HZSM-5. Fyra katalysatorer valdes för detta examensarbete, nämligen HZSM-5, Fe/ZSM-5, Ni/ZSM-5 och Fe-Ni/ZSM-5. Kokset har analyserats genom termogravimetrisk analys (TGA), gaskromatograf kopplad med en masspektrometer (GC/MS), samt Fourier-transform-infraröd-spektroskopi (FTIR). Resultaten visar att Fe/ZSM-5 bildade en större mängd koks jämfört med de andra zeoliterna, varpå HZSM-5 hade lägst halt koks. Utöver detta bestod kokset till största del av aromatiska- och cykliska kolväten, speciellt polycykliska aromatiska kolväten. Innehållet av ketoner och alkoholer i kokset var störst för HZSM-5, medan bildandet av naftalenföreningar ökade för de metalldopade zeoliterna. FTIR-analysen gav även upphov till signaler som är signifikanta för både alkaner och alkener. Därför kan det innebära att kokset innehar en större kemisk variation än vad GC/MS-analysen påvisade. Resultaten visar intressanta egenskaper hos metallmodifierade zeoliter, i synnerhet gällande koksbildning. Det verkar som att de metalldopade zeoliterna påverkar de katalytiska reaktionerna som sker i katalysatorn, jämfört med den obehandlade katalysatorn. Skillnaderna i den kemiska sammansättningen hos kokset för de olika katalysatorerna är definitivt intressant och kan indikera att det även kan föreligga skillnader i den kemiska sammansättningen hos bio-olja, beroende på vilken metall ZSM-5 har behandlas med. De nya egenskaperna som metaller bidrar med till ZSM-5 kan öppna upp nya möjligheter i industriella katalytiska processer, vilket även kan medföra att industrier bättre kan ta tillvara på de fantastiska egenskaper biomassa innehar.

Carbon dioxide emissions to the atmosphere today cause problems around the world. In Sweden, the steel production contributes significantly to carbon dioxide emissions. The steel industry challenge is to improve the metallurgical processes to decrease the carbon dioxide emissions. One way to reduce the emissions is to use renewable carbon sources. The blast furnace process is a counter current reduction process for ironmaking. Raw materials such as iron ore agglomerates, coke and slag formers are charged at the top of the furnace while oxygen-rich blast air and powdered coal are injected in the bottom. The gases produced by combustion rise through the burden on the top of the furnace. The combustion of carbon produces carbon monoxide which is the reducing gas used for the reduction of iron oxides to pig iron. The process is the highest producer of CO2 emissions in Sweden; biomass can partially replace fossil carbon in coal blends for cokemaking, coal powder for coal injection and coke in self-reducing briquettes.  The purpose of this project was to maximize the addition of biomass in coal blends for cokemaking and the addition in briquettes produced for the recovery of iron bearing rest products. The challenge with biomass in cokemaking is its low density and high reactivity which decrease the coke yield and coke strength at the same time that it increases the coke reactivity. The coke quality has to be kept at sufficient quality in order to avoid effects on productivity and process stability in the blast furnace. The addition of biomass in briquettes is limited due to the low density of the biomass which may affect the strength of the briquettes. The effect of the addition of sawdust in coke and briquettes has been studied to understand the effect on reaction behaviour of bio-coal. Heat-treatment of sawdust with high volatile coal was performed in order to achieve a coating of coal on the sawdust surface and get less reactive sawdust. Torrefied sawdust contained 23 wt. % fixed carbon while the pre-treatment of sawdust with high volatile coal increased the content to about 60 wt. %. Pre-treated sawdust was added to coal blend for coke making and briquettes containing iron oxide. The pre-treated sawdust was added to five coal blends for coke production, the contents were 5, 10 and 20 wt. %, and a base blend was used as reference. Coke reactivity, chemical composition and cold compression strength in coke were studied. This work resulted in an improved bulk density; up to 20 wt. % pre-treated sawdust could be added to the coal blend and still keep a bulk density of 800 kg/m3. The coke yields in cokes with pre-treated sawdust were comparable to the coke reference. The temperature at which carbon in coke began to be consumed was slightly higher in coke containing sawdust treated with 50 wt. % high volatile coal. It was estimated that the CO2 emission from fossil coal could be reduced with 8.6 % per ton hot metal (THM) with the addition of 10 wt. % pre-treated sawdust to coal blends for cokemaking. The addition of 20 wt. % pre-treated sawdust could reduce the CO2 emission with 10% per THM. In addition, two different mixes of briquettes were produced, one with torrefied sawdust and one with pre-treated sawdust. The chemical composition and reduction of iron oxides in briquettes was also studied and evaluated. Briquettes with treated sawdust were more compact, i.e. had a higher density than briquettes containing torrefied sawdust. The amount of hematite that could be added to the briquette mixes was 0.107 moles in briquettes with torrefied sawdust and 0.112 moles in briquettes with pre-treated torrefied sawdust. / Koldioxidutsläppet till atmosfären orsakar idag problem runt om i världen. I Sverige bidrar stålproduktionen avsevärt till koldioxidutsläppet. Stålindustrin har som en utmaning att förbättra de metallurgiska processerna för att sänka utsläppet av koldioxid. Ett sätt att sänka koldioxidutsläppen är att minska påverkan genom att använda förnybara kolkällor. Masugnsprocessen är en kontinuerlig reduktionsprocess för råjärnframställning och en av processerna där det används reduktionsmedel från fossila kolkällor. Råmaterial som järnmalm, koks och slaggformare chargeras på toppen av ugnen medan syrgasberikad blästerluft och pulveriserat kol injiceras i botten av ugnen genom masugnens formor. De gaser som produceras vid förbränning stiger upp genom beskickningen upp till ugnens topp. Vid förgasning av kol bildas kolmonoxid som är den reducerande gasen, den möjliggör reduktionen av järnoxider vid framställning av råjärn. Torrefierad biomassa kan delvis ersätta fossilt kol i kolblandningarna för kokstillverkning, i kolinjektionen och i briketter. Syftet med detta projekt var att maximera mängden tillsatt biomassa i kolblandningarna för kokstillverkning och i briketter för återvinning av järnbärande restprodukter. Utmaningen med biomassa i kokstillverkningen är den höga reaktiviteten och den låga densiteten av kol, vilket resulterar i låg koksutbyte när den tillsätts i kolblandningar. Biomassa innehåller också en högt halt flyktiga ämnen vilket resulterar i koks med låg hållfasthet och hög reaktivitet. Kokskvalitén måste behållas för att undvika processvariationer i masugnen. Tillsatsen av biomassa i briketter, är begränsat då biomassa kan påverka briketternas hållfasthet. Effekten av tillsatsen av biomassa i koks och briketter har studerats för att kunna förstå reaktionsbeteendet i dessa när torrefied sågspån och förbehandlat sågspån med hög fluiditetskol har tillsatts till blandningarna. Värmebehandling av torrifierat sågspån med en hög fluiditeteskol gjordes för att uppnå en mindre reaktiv biomassa. Torrifierat sågspån innehöll 22.9 viktsprocent kol, förbehandlingen av sågspån med hög fluiditetskol ökade halten till cirka 60 viktsprocent. Den behandlade sågspånen tillsattes till fem kolblandningar för koksframställning, 5, 10 och 20 viktprocent tillsattes till en bas blandning som användes referens. Koksreaktiviteten, kemisk sammansättning och hållfasthet i koks studerades. Arbetet resulterade i en förbättrad bulkdensitet då upp till 20 viktprocent förbehandlad biomassa kunde tillsättas i kolblandningen och fortfarande behålla en bulkdensitet på 800 kg/m3. Koksutbytet i alla koks med förbehandlat sågspån var jämförbart med koksreferensen. Temperaturen där kemisk kol i koks började förbrukas, var något högre i koks som innehöll sågspån med 50 viktsprocent hög fluiditetskol. Koldioxidutsläppen från fossilt kol per ton råjärn (THM) uppskattades att vara 8,6 % lägre med tillsatsen av 10 viktprocent förbehandlat sågspån i kolblandningar för kokstillverkning. Tillsatsen av 20 viktprocent skulle innebära en minskning på 10 % per ton råjärn. Briketter med två olika blandningar framställdes, en blandning med torrifierat sågspån och en blandning med behandlat sågspån. Briketterna karakteriserades genom att analysera den kemiska sammansättningen och reduktionen av järnoxider i termisk reducerade briketter. Briketter med behandlat sågspån var mer kompakta, d.v.s. hade en högre densitet än briketter som innehöll torrifierad sågspån. Mängden hematit som kunde tillsättas i mixen med torrifierad sågspån var 0.107 mol, medan i mixen med förbehandlat sågspån 0.112 mol kunde tillsättas. / Bio4metals / CAMM