Karlstads universitet 651 88 Karlstad Tfn 054-700 10 00 Fax 054-700 14 60 Information@kau.se www.kau.se Fakulteten för teknik och naturvetenskap Avdelningen för energi-, miljö- och byggteknik
Jonatan Brunbäck
Indirekt förgasning av biomassa
Produktion av bränngas i syfte att ersätta el och olja på ett kartongbruk
Allothermal gasification of biomass
Production of fuel gas to replace electricity and oil at a paperboard mill
Examensarbete 30 hp
Civilingenjör Energi- och miljöteknik
Datum: 11-06-28
Handledare: Lars Nilsson, KaU
Christer Gustavsson, Pöyry Gösta Norell, Pöyry Examinator: Roger Renström
I
Sammanfattning
I denna studie utreds hur bränngas kan produceras via indirekt förgasning av biomassa i samband med en befintlig panna i syfte att ersätta el och olja vid olika förbrukare på ett massa- och pappersbruk.
Ett av de största problemen västvärlden måste lösa detta århundrade är energiförsörjningen. Med allt hårdare krav på utsläpp av koldioxid och andra föroreningar blir förnybara bränslen allt mer intressanta. Biomassa och framförallt trä kommer att vara en av Sveriges viktigaste resurser i framtiden. För att undvika långa transporter av fast biomassa bör resursen förädlas innan den används för energiomvandling. Förgasning och framför allt indirekt förgasning är en erkänd termokemiskt effektiv omvandlingsmetod där slutprodukten till exempel kan bli bränngas, syntetisk naturgas, biodrivmedel som dimetyleter (Biodiesel), etanol och mycket annat. Fördelarna med indirekt förgasning är många bl.a. låg investeringskostnad om panninfrastruktur redan finns, produktgas med högt värmevärde och låg drifttemperatur. Nackdelen med indirekt förgasning är att en betydande andel tjära produceras vilket ställer höga krav på nedströms reningsteknik.
Inom massa- och pappersindustrin går utvecklingen mot att integrera processer som elproduktion och bränsleproduktion. Detta görs för att minska beroendet av externa producenter av både el och bränslen, samt för att minska kostnader och öppna nya marknader. En potentiell ersättning av el och olja med biomassa skulle kunna vara både ekonomiskt och miljömässigt fördelaktigt.
I detta examensarbete har två koncept tagits fram dels för en förgasningsreaktor och dels för erforderlig nedströms gasrening. Anläggningen är dimensionerad för att kunna integreras i Skoghalls kartongbruk. Där används stora volymer olja till förbränning i mesaugnen (ca 100 GWh per år) och el används i IR-torkar (ca 13 GWh per år). Ersättning av olja och el med biomassa skulle kunna vara både ekonomiskt och miljömässigt fördelaktigt.
Syftet med studien är ta fram ett förslag som ska minska Stora Enso, Skoghalls kartongbruks olje- och elberoende. Målet är att designa ett förgasningsreaktorkoncept och reningskoncept baserat på:
litteratur, mass- och energibalanser samt fluiddynamiska modeller. Detta görs för att utreda hur olja till mesaugnen respektive el till IR-torkar kan ersättas. Designen skall även innefatta förslag på gasrening och distributionssystem. Målet är även att presentera en översiktlig ekonomisk kalkyl för koncepten.
Ett förgasningskoncept har utretts där en CFB-reaktor bedömts vara lämpligast att kombinera med befintlig pann-infrastuktur. Modellerad energibalans visar att ca 23 kg bäddmaterial behövs per kg bränsle. Reaktorn är utformad som ett murat rör med höjden 5 m och bredden 1,1 m i diameter.
Gasreningskonceptet består av två flöden till olika användare IR-tork och mesaugn. Gasflödet till IR- torken renas i en eller flera skrubbers och flödet till mesaugnen renas i en termisk krackningsreaktor.
Gasverkningsgraden samt total verkningsgrad för gasflöde till IR-tork är 68 % respektive 85 % och för mesaugnen 58 % respektive 83 %. Uppskattad återbetalningstid för IR-tork- och mesaugnsystemet är ca 1,9 respektive 7,3 år.
II
Abstract
This study it is investigated how fuel gas can be produced via Allothermal gasification of biomass in the context of an existing boiler to replace the electricity and oil at various loads at pulp and paper mill.
The future energy supply is one of the major problems the Western world has to face this century.
With tougher requirements on emissions of carbon dioxide and other pollutants renewable fuels are becoming increasingly attractive. Biomass and especially wood will be one of Sweden's most important resources in the future. To avoid long distance transportation of solid biomass the resource should be processed before being used for energy conversion. Gasification and especially indirect gasification is a recognized effective thermal chemical conversion method in which the final product can for example be fuel gas, synthetic natural gas, biofuels, dimethyl ether and ethanol. The advantages of indirect gasification are many such as low investment cost if the boiler infrastructure already exists, fuel gas with high calorific value and low operating temperature. The disadvantage of indirect gasification is that a significant portion of tar is produced which makes great demands on downstream gas cleaning technologies.
The pulp and paper industry is progressing towards the integration energy and fuel production. This is done to reduce dependence on external providers of electricity and fuels, and to reduce costs and open new markets. A potential replacement of electricity and oil with biomass could be both economically and environmentally beneficial.
In this thesis two concepts has been developed partly for a gasification reactor and partly for the required downstream gas purification. The facility is designed to be integrated in Skoghalls paperboard mill. Skoghalls paperboard mill use large volumes of oil that is used in the lime kiln (about 100 GWh per year) and electricity used in infrared drying (about 13 GWh per year).
The purpose of this study is to develop a proposal that will reduce Stora Enso, Skoghalls paperboard mills oil and electricity dependency. The goal is to design a gasification reactor concept based on:
literature, mass and energy balances and fluid dynamic models. This is done to investigate how the oil to the lime kiln and power to the IR- drying units can be replaced. The design shall also include proposals for gas purification and distribution systems. The aim is also to present a brief economic analysis of the developed concepts.
A gasification concept has been investigated in which a CFB-reactor has been deemed appropriate to combine with existing boiler infrastructure. Modeled energy balance shows that about 23 kg bed material is required per kg of fuel. The reactor is designed as a walled tube with a height of 5 m and 1.1 m in diameter. The gas cleaning concept consists of two streams to different users, IR drying and lime kiln heating. Gas flow to the IR-dryer is cleaned in one or more scrubbers and flow into the kiln is cleaned in a thermal cracking reactor. Conversion efficiencies and overall efficiency of the gas flow to the IR-dryer is 68% and 90% and for the lime kiln the efficiencies are 58% and 83% respectively.
Estimated payback time for the infrared drying system is approximately 1.9 and 7.3 years for the lime kiln system.
III
Förord
Detta examensarbete som handlar om indirekt förgasning av biomassa har tillkommit på uppdrag av Pöyry AB, Karlstad. Arbetet omfattar 30 högskolepoäng för en civilingenjörsexamen inom energi och miljöteknik vid Karlstads universitet.
Jag vill tacka mina handledare Christer Gustavsson samt Gösta Norell på Pöyry AB i Karlstad och Lars Nilsson vid Karlstads universitet. Tillsammans har vi lyft frågeställningar och diskussioner som har gjort examensarbetet utmanande och lärorikt men också roligt.
Jag vill också tacka Leif Lövgren och Kajsa Fougner på Stora Enso i Skoghall samt Anna Welin på Värö bruk för att de har bidragit med nödvändig bakgrundsfakta. Dessutom vill jag tacka Dr. Richard Aust på Voith Paper Krieger i Tyskland för hans insiktsfulla kommentarer angående förbränning av syntesgas i IR-torkar.
I övrigt vill jag tacka alla som svarat på frågor eller på ett eller annat sätt hjälpt mig att färdigställa detta examensarbete.
Karlstad, juni 2011 Jonatan Brunbäck
IV
Innehållsförteckning
1 Inledning ... 1
2 Bakgrund ... 3
2.1 Förgasning då och nu ... 3
2.2 Förgasning av biomassa... 3
2.2.1 Biobränsle egenskaper ... 4
2.2.2 Pyrolys ... 4
2.2.3 Förbränning ... 5
2.2.4 Förgasning ... 6
2.2.5 Syntesgas ... 6
2.2.6 Tryck ... 7
2.2.7 Temperatur ... 7
2.2.8 Fluidiseringsmedium ... 7
2.2.9 Syre, bränsle, fluidiseringsmedia förhållanden ... 8
2.2.10 Bäddmaterial ... 8
2.3 Indirekt förgasning (DFBG) ... 8
2.4 Gasrening ... 10
2.4.1 Rågassammansättning ... 10
2.4.2 Rening av ickeorganiska komponenter ... 14
2.5 Förgasning på massa- och pappersbruk ... 14
2.5.1 Skoghalls kartongbruk ... 14
3 Metod ... 17
3.1 Reaktorkoncept ... 17
3.1.1 Förgasningsmedia ... 18
3.1.2 Förbehandling av bränsle ... 18
3.1.3 Mass- och energibalansmodell ... 20
3.1.4 Reaktordimensionering ... 24
3.2 Gasrening och distributionskoncept ... 31
3.2.1 Krav på syntesgasens renhet i en IR-torkbrännare ... 31
3.2.2 Krav på syntesgasens renhet vid förbränning i mesaugn ... 31
3.2.3 Lämplig gasreningsteknik ... 32
3.2.4 Gasdistribution ... 33
3.3 Ekonomisk kalkyl ... 33
4 Resultat ... 34
4.1 Reaktorkoncept ... 34
4.1.1 Bäddmaterialstransport ... 35
4.1.2 Förbehandling av bränsle ... 37
4.2 Gasrenings- och distributionskoncept ... 37
4.2.1 Mesaugn ... 37
4.2.2 IR-tork ... 38
4.2.3 Gasdistribution ... 39
4.3 Ekonomisk kalkyl ... 39
5 Diskussion ... 41
5.1 Reaktorkoncept ... 41
5.2 Reningskoncept ... 44
5.3 Kalkyl ... 45
6 Slutsats ... 46
Referenser ... 47
Bilaga A Principschema... 51
Bilaga B Nomenklatur ... 52
1
1 Inledning
I denna studie har två koncept tagits fram dels för en förgasningsreaktor och dels för erforderlig nedströms gasrening. Bränngasen som produceras via indirekt förgasning av biomassa i samband med en befintlig panna ska ersätta el och olja vid olika förbrukare på integrerat massa- och pappersbruk. Biomassa (BM) är en erkänd källa till förnybar energi. Energiomvandling med BM som bränsle anses vara nästan koldioxidneutral jämfört med t.ex kol och olja. Trä är den BM som nyttjas i störst utsträckning och har lägre innehåll av förorenande fraktioner än t.ex torv, halm, och gödsel [1].
Förgasning av BM har blivit allt intressantare under senare år på grund av stigande oljepriser och högre utsläppskrav [2]. Obehandlad biomassa har egenskaper som inte är lämpliga för många slutprocesser. Biomassa är en solid och kan bara transporteras som sådan och har lågt värmevärde jämfört med t.ex olja och naturgas. Det innebär att transporter över långa sträckor är ineffektivt.
Biomassans egenskaper skiftar beroende på ursprung. Sammansättning och densitet skiljer sig i t.ex halm och fura.
Förgasningsteknik har funnits länge, ca tvåhundra år. Tekniken fick sitt genombrott under världskrigen när det var brist på fossilbaserade drivmedel. Det finns tre huvudtekniker för förgasning:
entrained flow gasifier, co/counter-current flow gasifier och fluidized bed gasifier (FBG). Vid förgasning av BM används i stort sett endast FBG. Det beror på att askan från biomassa är mycket korrosiv vilket skulle skada väggar i slaggbildande förgasare [3]. Indirekt förgasning innebär att de primära förgasnings- och förbränningsreaktionerna separeras i två skilda reaktorer. Ett vanligt namn på denna typ av process är dubbla fluidiserade bäddförgasare (dual fluidized bed gasifier, DFBG) Reaktorerna är ofta av typen bubblande fluidiserad bädd (Bubbling fluidized bed BFB) eller cirkulerande fluidiserad bädd (Circulating fluidized bed, CFB). Det finns dock innovativa varianter där BFB kombinerats med en stigare (riser) [4].
Fördelarna med DFBG är låg investeringskostnad om panninfrastruktur redan finns, ingen eller enkel förbehandling av BM, lämplig för små och mellanskalig bränsleproduktionsanläggning, låg drifttemperatur, tekniken är testad och finns i kommersiellt bruk [5]. Fler fördelar med indirekt förgasning är att det är mer energieffektivt att framställa syntesgas med högt värmevärde, cirka 13- 20 MJ/nm3. Vid direktförgasning med luft används en del av energin till att driva processen och dessutom fås en stor andel kväve i gasen vilket sänker värmevärdet. Typiskt värmevärde vid direkt förgasning är ca 4-7 MJ/nm3, något högre om syrgas används [6].
Generellt inom pappersindustrin går utvecklingen mot att integrera processer som elproduktion och bränsleproduktion. Detta görs för att minska beroendet av externa producenter av både el och bränslen, samt för att minska kostnader och öppna nya marknader [7]. Specifikt för Skoghalls kartongbruk används stora volymer olja till förbränning i mesaugnen, ca 100 GWh per år [8].
Kartongbruket är också en stor konsument av el vilket är önskvärt att minska. Elvärmda IR-torkar används på KM8 till en total förbrukning av ca 13 GWh per år. En potentiell ersättning av el och olja med biomassa skulle kunna vara både ekonomiskt och miljömässigt fördelaktigt.
På integrerade massa- och pappersbruk finns ett stort behov av värme som distribueras i form av vattenånga. Ångan produceras i olika pannor som använder bränslena lut, biobränsle och olja. På Skoghalls bruk finns en 160 MW biobränsleeldad fluidbäddspanna (P11). Denna studie undersöker möjligheten för en eftermontering av en förgasningsreaktor i en indirekt förgasningskonfiguration i samband med P11. Studier i både lab-, pilot- och industriell skala har visat goda resultat för denna typ av teknik [9][3][10]. Den producerade syntesgasen skulle kunna användas för att ersätta olja i mesaugnen och el i IR-torken.
2
1.1 Syfte/Mål
Syftet med studien är att ta fram ett förslag som minskar Stora Enso, Skoghalls kartongbruks olje- och elberoende med hjälp av indirekt förgasningsteknik.
Målet är att designa ett förgasningsreaktorkoncept och reningskoncept baserat på: litteratur, mass- och energibalanser samt fluiddynamiska modeller. Detta görs för att utreda hur olja till mesaugnen respektive el till IR-torkar kan ersättas. Designen skall även innefatta förslag på gasrening och distributionssystem. Målet är även att presentera en översiktlig ekonomisk kalkyl för koncepten.
1.2 Avgränsningar
Stora Ensos kartongbruk i Skoghall ligger till grund för studien avseende FB-panna, värmebehovsanvändning (Mass & energibehov). Modellen kommer ej simulera förgasningsreaktionerna i reaktorn. Kravet är att den övriga processen (BFB-pannan) skall påverkas så lite som möjligt.
3
2 Bakgrund
2.1 Förgasning då och nu
De senaste 10-15 åren har medfört en nystart för intresset för förgasning. Det kan bero på många saker men framförallt beror det på stigande energipriser. Mellan 1980 och 2005 låg olje- och naturgaspriserna ganska stabilt runt 25 $/fat respektive 5 $/MMBtu, (1 SEK = 6.6 USD, maj 2011).
Efter 2005 sågs en fördubbling av både olja och gaspriser på korttid och idag (2011) ligger priset på olja runt 90-100 $/fat [11]. Prisökningarna beror i sin tur bland annat på snabb industrialisering av utvecklingsländer såsom Kina och Indien. Efter 2005 ökade konstruktion och planering av nya förgasningsanläggningar explosionsartat och följer oljeprisutvecklingen. Det finns anläggningar motsvarande 160 GWth planerade att vara färdiga 2014, vilket är en fördubbling mot installerad effekt 2010. Av de planerade anläggningarna är cirka hälften byggda för elproduktion, men stora satsningar sker också för produktion av Fischer-Tropschvätskor (FT). [3]
De vanligaste teknikerna är Entrained flow-förgasare (EF), Med/Motströmsförgasare (MF) och Fluidbäddsförgasare (FBG). Teknikerna kan delas upp i slaggning och icke-slaggning, EF är slaggande och även MF kan vara slaggande. I en EF-förgasare är ofta bränslet i en semiflytande form (slurry) och genomgår då först ett pyrolyseringsteg. Vanligtvis används kol men intresset ökar för att effektivt förgasa svartlut [7]. Produktgasen får ett högt värmevärde och idealt ingen tjära. MF är begränsade till liten skala, <1,5 MWth, och i motströmsförgasning fås dessutom mycket tjära.
Medströmsförgasning löser problemet med tjära men på bekostnad av lägre värmevärde på gasen.
Samtliga tekniker skulle kunna användas för att förgasa biomassa, men på grund av att smält aska från biomassa är aggressivt så är slaggning inte lämpligt. I huvudsak används FBG vilket idealt ger god omblandning och uniform temperatur i bädden. I en FBG är sintring (slaggning) oönskat eftersom det kan avfluidisera bädden. Trots att mycket tjära bildas så är de flesta biomassaförgasare av typen FBG och tjäran behandlas utanför reaktorn. [3]
Vid direkt (Autoterm) förgasning balanseras syretillförsel mot värmebehovet. En del av bränslet förbränns medan resterande förgasas. Detta ger en högre halt av CO2 jämfört med indirektförgasning. Indirekt (Alloterm) förgasning är när förgasningsreaktorn och förbränningsreaktorn är åtskilda och värmen överförs indirekt mellan de båda. Oftast används FB eftersom det är enkelt att separera bäddmaterialet som används till värmetransport. Det finns varianter där en separerande vägg används som värmeledare vilket är enklare men erosion blir ett stort problem [12]. Indirektförgasning påstås vara energieffektivare än direkt förgasning via EF eller FBG [4].
2.2 Förgasning av biomassa
I en förgasningsreaktor sker fyra olika processer. Förångning av vatten i bränslet sker vid konstant temperatur. Därefter sker pyrolys, förbränning och förgasning samtidigt, se figur 1. Vilken av reaktionerna som är dominerande beror på ER (Equivalence Ratio) eller SB (Steam to biomass Ratio), bränslets egenskaper, temperatur, tryck och reaktordesign. ER är förhållandet mellan tillsatt syre och det syre som krävs för fullständig förbränning vid direkt förgasning. SB är förhållandet mellan tillsatt mängd biomassa och mängden tillförd vattenånga vid indirektförgasning. Bränsleegenskaper är förhållandet mellan lättflyktiga ämnen och bundet kol, struktur, askhalt och form.
4
Figur 1 Illustrativ bild över pyrolys och förgasningsreaktioner.
2.2.1 Biobränsle egenskaper
Biomassa, som är ett förnybart bränsle, har använts som bränsle sedan elden började nyttjas av människan. Av alla bränslen som används i världen är andelen biomassa 15-20%. Biomassa används i störst utsträckning i icke-industrialiserade ekonomier och i industrialiserade länder används biomassa mest i form av biprodukter från skog och pappersindustri [3]. Enligt några scenarion som publicerats i Intergovermental Panel on Climate Change (IPCC) kommer fossilbränsleanvändningen minska till en fjärdedel av nuvarande nivå i slutet på århundradet [13]. Samtidigt förväntas biobränslen introduceras i stor skala för att tillfredställa energibehovet. I Sverige uppgår användningen av biobränsle, torv och avfall till ca 18 procent av den totala energianvändningen. Det nuvarande politiska målet är dock att år 2020 skall minst 50 % av energin komma från förnyelsebara energikällor [14].
Trä är den biomassa som nyttjas i störst utsträckning och är det biobränsle som behandlas i denna rapport. Energiomvandling med biomassa som bränsle anses vara nästan koldioxidneutral och har lågt innehåll av förorenande fraktioner. Obehandlat träbränsle har egenskaper som inte är lämpliga för många slutprocesser. Trädbränsle är en solid och kan bara transporteras som sådan och har lågt värmevärde (19,2 MJ/kg) jämfört med t.ex olja (~38 GJ/m3) och naturgas (39,8 GJ/km3) [15]. Det innebär att transporter över långa sträckor är ineffektivt [16]. Biomassans egenskaper skiftar beroende på ursprung. Sammansättning och densitet skiljer sig i t.ex mellan löv och barrträd.
Bränslets form, förhållandet mellan volym och area, har stor betydelse för hastigheten i förgasningsprocessen. Gas-solidkontakten är avgörande för en effektiv förgasning, ju större area desto snabbare förgasas bränslet. Till exempel så förgasas träflis snabbare än träpellets. [5]
2.2.2 Pyrolys
Definitionen av pyrolys är sönderdelningen av ett organiskt material vid hög temperatur i en syrefri miljö, dock blir det aldrig en syrefri miljö i biomaterial eftersom syre finns bundet i bränslet.
5 Fasövergången mellan fastform och gasform kallas sublimering och i hemicellulosa i trä börjar den ske redan vid 225-325 oC, för cellulosa vid 325-375 oC och vid 300-500 oC för lignin [17]. En uppdelning kan göras beroende på bränslets uppvärmningshastighet. Om bränslet värms långsamt anses pyrolysen ske först varpå förgasning tar vid när alla lättflyktiga ämnen är förångade. Vid hög uppvärmningshastighet, vilket generellt är fallet vid industriella energiomvandlingsprocesser, sker pyrolys och förgasning samt förbränning samtidigt [3]. Det är inte bara temperaturen utan också bränsleegenskaperna som bestämmer pyrolyshastigheten. Exempel på bränsleegenskaper som påverkar pyrolyshastigheten är andelen lättflyktiga ämnen, densitet och form. Vid pyrolysen bildas kolväten som i sin tur reagerar och bildar nya föreningar. Detta sker genom diverse termiska kracknings och polymeriseringsreaktioner. Generellt anses att ju högre temperatur desto lättare kolväten fås och lägre temperaturer ger tyngre kolväten. Biobränsle innehåller ofta vatten vilket också deltar i reaktionen via ångreformeringsreaktioner, reaktion 11 i tabell 2.
Nedan visas en översiktlig reaktionsformel för pyrolys av biobränsle. [18]
4.2 5.8 2.8
2
0.85 0.13
3
0.2 0.13
4 2 5 6 4 7 2 41träbränsleC H O xtjäraCH O xträkolCH O xH xCO xCH xC H
x (2.1)
Pyrolysreaktionerna är endoterma och behöver därmed värme för att inträffa. Vid klassisk förbränning i en eldstad förbränns de sublimerade gaserna på ytan av bränslepartikeln och förser reaktionen med värme. Under kontrollerade former i t.ex en kolmila tillåts lite luft att reagera med bränslet för att hålla processen under rätt temperatur. Samma princip används vid direkt förgasning.
Att modellera och bestämma produktgasens sammansättning vid pyrolys beskrivs som mycket komplext men ekvation 2.1 ger en generell bild över hur tjära och träkolsförhållandet ser ut. Träkol brukar även kallas koks vilket består till störst del av kol och en viss andel väte och syre. [3]
2.2.3 Förbränning
Förbränning är den exoterma reaktionen mellan ett bränsle och en oxidant. Tabell 1 visar hur elementärt kol reagerar med syre och bildar koldioxid och vatten. Träbränslen innehåller förutom kol både syre och väte. En mer generell formel för förbränning av träkol visas i ekvation 2.2. Dessutom kan även förbränning av tjäran som bildas vid pyrolys beskrivas på ett liknande sätt, ekvation 2.3 [18].
Tabell 1 De grundläggande kemiska reaktionerna vid förbränning av biomassa [19].
Reaktion Formel ∆H (850 oC)
[kJ/mol]
∆G (850 oC) [kJ/mol]
Kp (850 oC)
1 C + ½O2 = CO -225,7 -422,2 4,34∙1019
2 CO + ½O2 =CO2 -282,6 -184,9 3,97∙108
3 H2 + ½O2 = H2O -248,7 -185,7 4,35∙108
4 C + O2 = CO2 -395,0 -396,0 2,61∙1018
CH O
xO x CO x CO x HO träkolx8 0.20 0.2.8 9 2 10 11 2 12 2 (2.2)
CH O
x O x CO x CO x H O tjärax13 0.85 0.17 14 2 15 16 2 17 2 (2.3)
Koefficienten xi används för att balansera formeln. De lätta kolvätena metan och eten samt en mindre andel etan bildas vid pyrolys som också kan förbrännas.
6
2.2.4 Förgasning
Förgasning kallas den process som omvandlar kolhaltiga substanser såsom petroleum, kol och biomassa till kolmonoxid samt vätgas under hög temperatur. Förgasning av biomassa sker vid hög temperatur, minst 800 oC, oftast vid 850 oC som temperaturberoendet beskrivs närmare avsnitt 2.2.7. Förgasning har även kallats partiell oxidation och orden är synonyma i denna rapport.
Förgasning sker först efter pyrolysen när väte och tjära har förångats och kvar finns nästan bara träkol (koks). Därefter sker en rad reaktioner beroende på förgasningsmedium, där de flesta är endoterma reaktioner men metanreformering av väte och kolmonoxid är kraftigt exoterm, reaktion 10. Reaktion 8 och 9 (vatten-gasreaktionen) och reaktion 5 (Boudouard) vilka är de huvudsakliga reaktionerna vid indirekt förgasning. Reaktion 11 kallas vatten-gasskiftreaktionen vilken är extra viktig vid upparbetning av syntesgas till flytande bränslen. [3]
Tabell 2 Sammanfattning av de viktigaste förgasningsreaktionerna [19].
Reaktion Formel ∆H(850 oC)
[kJ/mol]
∆G(850 oC) [kJ/mol]
Kp (850 oC)
5 C + CO2 ↔ 2CO 169,8 -26,2 1,66∙101
6 C + 2H2 ↔ CH4 -91,0 33,1 2,90∙10-2
7 C + 2H2O ↔ CH4 + O2 406,3 404,5 1,53∙10-19
8 C + 2H2O ↔ CO2 + 2H2 101,8 -24,5 1,38∙101
9 C + H2O ↔ CO + H2 135,8 -25,4 1,51∙101
10 CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O -226,6 58,3 1,94∙10-3
11 CO + H2O ↔ CO2 + H2 -34,0 0,9 9,13∙10-1
Även här kan förgasningsreaktionen beskrivas med empiriska formler enligt Corella et al [18], ekvation 2.4 och 2.5.
0.20 0.13
19 2 20 21 2 18träkolCH O x HO x CO x Hx (2.4)
CH O
x CO x CO x träkol
CxHyOz
träkol
x22 0.20 0.13 23 2 24 25 2 (2.5)
2.2.5 Syntesgas
Syntesgasen består till största delen av CO, H2, CO2, CH4, C2H4, C2H6 och tjäror. Den skall inte förväxlas med syntetisk naturgas (Substitute natural gas, SNG) som framställs med ett efterföljande metaneringssteg och består till största delen av metan. Gassammansättning beror på reaktorutformning, fluidiseringsmedium, temperatur, tryck och bränsleegenskaper. [3]
Syntesgasen har många olika användningsområden t.ex: vid framställning av flytande biobränslen såsom etanol, metanol, dimetyleter och estrar. Via metanreformering erhålls fordonsgas. Vid Integrerad förgasning kombinerad cykel (Integrated gasification combined cycle, IGCC) kombineras en gasturbin med en ångturbin. Syntesgasen bränns först i gasturbinen och de heta gaserna värmeväxlas mot ett ångflöde som driver en ångturbin. Det finns angivet att i en sådan process kan effektiviteten, kvoten mellan producerad elenergi och tillförd energi i bränslet, vara nära 60 % [20].
Ett vanligt alternativ för mindre anläggningar är att syntesgasen bränns direkt i en gasmotor kopplad till en elgenerator. Kall gasverkningsgrad (Cold Gas Efficiency, CGE) är ett vanligt nyckeltal för att bedöma processens effektivitet, ekvation 2.6 [3]. Det är viktigt att bestämma definitionen av värmevärde, t.ex om det är effektivt värmevärde och om sensibelt värme ingår.
100 ) (
) (
MW bränsle i
Värmevärde
MW produktgas i
Värmevärde
CGE (2.6)
7 I tabell 3 presenteras syntesgasens värmevärde vid olika typer av förgasningsteknik och fluidiseringsmedium.
2.2.6 Tryck
Göransson et al anger att en trycksättning av reaktorn ger positiva termokemiska effekter men negativa tekniska konsekvenser för förgasningsreaktionerna, avsnitt 2.2.4 [5]. Kapaciteten ökar markant vilket är en förutsättning för syntetisk bränsleproduktion. Det beror på att reaktionshastigheten för kol-vattenförgasnings (reaktion 9) och vatten-gasskiftreaktionen (reaktion 11) ökar med ökat ångtryck. Effektiviteten av reaktioner i gasfas ökar, detsamma gäller för reformering av tjära och metan. De positiva tekniska aspekterna med trycksättning är att processen potentiellt behöver mindre kompressionsenergi vilket sparar elenergi nedströms. Det är fördelaktigt att trycksätta förgasningen jämfört med att höja trycket på syntesgasen nedströms reaktorn [3].
Bränslematningen måste också trycksättas vilket är besvärligare än inmatning vid atmosfärstryck.
Fördelarna uppnås redan vid 15-25 bars tryck medans IGCC körs vid tryck på 20-40 bar. Högt tryck ökar metanhalten i syntesgas upp till 100 % vilket är fördelaktigt vid produktion av syntetisk naturgas och det avlastar även anläggningen nedströms förgasaren.
2.2.7 Temperatur
Tillåts övriga parametrar vara konstanta så påverkar temperaturen tjärinnehållet i produktgasen.
Tjäran krackas snabbare och en mindre andel tjära lämnar reaktorn vid hög temperatur. Hög temperatur innebär en snabbare förgasning av träkol då reaktionshastigheten är kraftigt beroende av temperaturen. Under 730 oC sker försumbar förgasning och vid ca 900 oC nås termodynamisk jämvikt. Larsson et al [21] utförde experiment som visade att ca 1 % av träkol (koks) förgasades vid 730 oC jämfört med 25 % vid 830 oC Detta innebär att för att åstadkomma effektiv förgasning så är det fördelaktigt att ha en så hög temperatur som möjligt. Detta beror delvis på att Boudouard, reaktion 5, blir alltmer betydelsefull vid temperaturer högre än 830 oC samtidigt som vatten-gasskift, reaktion 11, blir mindre viktig. [21][22][23]
2.2.8 Fluidiseringsmedium
Det vanligaste förgasningsmediet vid förgasning av biomassa är vattenånga men luft, koldioxid, produktgas och syre används också enskilt eller blandat. Vid förgasning med ånga är vatten- gasreaktionen (reaktion 9) den huvudsakliga förgasningsreaktionen. Ånga ger produktgasen högre vätehalt och lägre tjärhalt, vilket är viktigt vid bränsleframställning och framför allt för FT-vätskor.
Ånga används främst vid indirekt förgasning men kan användas vid direkt förgasning i kombination med syre [6]. Luft används mest vid med/motströmsförgasning och syre används i EF-förgasare.
Tabell 3 Typiska värmevärden på syntesgas när olika typer av förgasningsmedium används [5].
Förgasningsmedium Effektivt värmevärde [MJ/Nm3]
Luft (Direkt förgasning) 4-7
Syre (Direkt förgasning) 10-12
Vattenånga + Syre (Direkt förgasning) 12-13 [6]
Vattenånga (Indirekt förgasning) 12-20
Naturgas ~40
Det är känt att ånga ger en produktgas med hög H2 och CO2 halt. Hög H2 halt är önskvärt vid produktion av flytande bränslen, men CO2 är en oönskad gas. Forskning har därför bedrivits på området CO2 separation. En väletablerad metod är absorption enhanced reforming (AER) [5].
8
2.2.9 Syre, bränsle, fluidiseringsmedia förhållanden
Equivalence ratio (ER) är förhållandet mellan tillfört syre och syret som krävs för fullständig oxidation. ER är en viktig parameter vid förgasning med luft. Ett högt ER ger högre grad av förbränning vilket resulterar i mer CO2 men mindre brännbara gaser såsom H2, CO och CH4. Ett lågt ER ger i stället låg temperatur vid direkt förgasning som i sin tur ger låg koksomvandling och hög andel tjära. Produktionen av metan och lättare kolväten hämmas, pyrolysreaktionerna dominerar produktgassammansättningen. Optimal ER anges att vara ca 0.2-0.4 vilket beror på olika driftparametrar [24][25]. Steam ratio (SB) är definierad som kvoten mellan ång- och biomassaflödet(TS). SB är den viktigaste parametern vid förgasning med ånga. Det finns experimentella studier som visar att det optimala förhållandet är 1-4. Thunman anser att för optimal bränngasproduktion bör SB vara 0,2 [22]. En ökning av SB minskar andelen CH4, CO samt C2H4
samtidigt som andelen H2 ökar och det totala värmevärdet sjunker. Detta förklaras genom att fler ångreformeringsreaktioner inträffar. Tjärproduktionen och aromatiskhet minskar med ökad SB [24].
2.2.10 Bäddmaterial
Bäddmaterialets uppgift i en indirekt förgasningsreaktor är att tjäna som en energibärare genom att cirkulera bäddmaterial mellan förbrännings och förgasningsreaktor. Förutom sand kan katalytiska bäddmaterial användas. Bäddmaterialen kan ge positiva effekter som ökad tjärkrackning och ökad reaktivitet hos förgasningsreaktionerna, se avsnitt 2.4.1.2 . Dessutom kan bäddmaterialet ingå i processer för att absorbera syre i konceptet Kemisk lopningsförbränning (Chemical-looping Combustion, CLC) [26] och koldioxid i konceptet Absorptions förbättrad reformering (Absorption Enhanced Reforming, AER) [27].
2.3 Indirekt förgasning (DFBG)
Indirekt förgasning innebär att de primära förgasnings- och förbränningsreaktionerna separeras i två skilda reaktorer. Bäddmaterialet cirkuleras mellan panna och förgasare. Energi tas upp i pannan där temperaturen är högre än i förgasaren där bäddmaterialet avger värme. Värmen avges för att driva de termokemiska pyrolys- och förgasningsreaktionerna. Förgasningsreaktorn fluidiseras med vattenånga som kondenseras ut för att få en rågas med högt värmevärde och även höga halter av väte om så önskas. [5]
Figur 2 Schematisk bild över DFBG-konceptet (a) [5] och ett processchema över FICFB-förgasningsanläggning i Güssing (b) [10].
9 Den äldsta publikationen angående forskning om DFB biomassaförgasare är från Japan och kom ut 1975. Sedan dess finns det knapphändig information om de forskningsprojekt som bedrivits.
Publikationer finns från Frankrike, Belgien, Italien, Spanien och USA mellan 1975 och 1992. Dock har nästan alla anläggningar från den perioden lagts ned. Dessa rapporter beskriver väl fungerande anläggningar men inte orsaken till att de lades ner. Det fanns varianter där de två reaktorerna är konstruerade i samma kärl. De förmodas ha haft problem med dels att överföra tillräckligt mycket värme mellan reaktorer och dels materialproblem på grund av den erosiva miljön samt att subventioner upphört [12]. De senaste 5-10 åren har intresset för indirekt förgasning ökat och forskningen likaså. Göransson et al visar att det finns minst 11 anläggningar i världen som är i drift för tillfället [5]. Av de elva finns tre pilotanläggningar i industriell skala, se tabell 4.
Tabell 4 Översikt över DFBG pilotanläggningar i industriell skala [3][5][9].
Namn/
Stad/
Land
Kapacite t/bränsl e (MW)
Teknik Förgasare /Panna
Bädd- material
Temperatur Förgasare/
Panna (oC)
Syntesgas- samman- sättning (vol%, torr)
Värmevärde (MJ/nm3)
Tjära (g/nm3)
Güssing FICFB/
Wien/
Österrike 8/
Träflis
BFB/CFB Olivin 900/
1000
H2 35-45 CO 20-30 CO2 15-25 CH4 8-12 N2 3-5
12-14 LHV 0,5-1,5
SilvaGas/
Burlington /USA
~40
~90/
Träflis
CFB/CFB Sand 980/? H2 22 CO 44 CO2 12 CH4 16 N2 ?
17,3 HHV 16
Chalmers/
Göteborg/
Sverige
2/
Träpellet s
BFB/CFB Sand 800/
850
H2 25 CO 33 CO2 14 CH4 12 N2 9
14,4 LHV 7.8
I staden Güssing i Österrike utvecklar Wiens tekniska universitet konceptet Snabb internt cirkulerande fluidiserad bädd förgasare (Fast Internally Circulating Fluidized bed, FICFB).
Anläggningen drivs som ett kraftvärmeverk som innehåller en förbrännare, förgasare, gasmotor och generator, figur 2b. De varma avgaserna kyls mot fjärrvärmenätet. Konceptet har två speciella egenskaper vilka är aktivt bäddmaterial och RME-skrubber. Det aktiva bäddmaterialet Olivin (MgO,SiO2) används vilket ger en låg tjärhalt (1-2 g/nm3). Rapsmetylester RME löser tjäror som bränns i pannan. Skrubbern anses rena 98-99 % av tjäran. [10][3]
SilvaGas består av dubbla fluidbäddar där den ena fungerar som panna och värmer bäddmaterialet som skickas till förgasaren. Temperaturen är förhållandevis hög, 980 oC, när sanden blandas med ånga och biomassa i förgasaren. Det speciella med SilvaGas-anläggningen är att två CFB reaktorer används. Bäddmaterial samt koks avskiljs i en cyklon och bäddmaterialet från pannan separeras på samma sätt. Tjärinnehållet i rågasen är ganska typiskt för indirekt förgasning 16 g/nm3 trots den höga reaktortemperaturen. [3]
Av de tre anläggningarna i pilotskala är Chalmers den mest intressanta för denna studie. Det beror på att en redan existerande panna använts och produktgasproduktionen är mycket mindre än pannans
10 kapacitet vilket är fallet för konceptet som utvecklas i denna studie. Dessutom är anläggning och försök väl dokumenterade. Där har en 12 MW CFB-panna kompletterats med en BFB förgasningsreaktor med kapacitet för 2-4 MW bränsle [9]. Bäddmaterialet är sand som fluidiseras med ånga. Mellan cyklon och förgasare finns en partikelfördelare som med hjälp av ånga styr flödet av bäddmaterial till förgasaren.
Chalmers panna har inte påverkats negativt av installationen och kan köras med eller utan förgasare.
Det kan vara förmånligt att ha en förgasare eftersom CFB pannor ofta förbränner problematiska och fuktiga bränslen. I vissa fall kan ett stödbränsle behövas för att nå rätt temperatur i bädden. Med återcirkulering av bäddmaterial i en DFBG tillsätts träkol vid högtemperatur till pannans nedre del som stöder förbränningen. Dessutom är pannor ofta effektbegränsade av rökgasflödet och koks bildar mindre rökgas vilket betyder att högre effekt kan tas ut ur pannan. [28]
Valet av reaktordesign, BFB, berodde främst på begränsat utrymme, kapacitet och enkelhet. En CFB förgasare skulle ta upp större volym och en extra cyklon skulle behövas. Ånga används primärt men även rökgas har använts som fluidiseringsmedium vilket ger lägre värmevärde. Det finns planer på att använda både luft och produktgas. Temperaturen i reaktorn är ca 800 oC. Högre och lägre temperaturer har testats. [22]
Trä och barkpellets har använts som bränsle utan komplikationer och träflis har också använts, dock med vissa komplikationer. Träflis kan skapa problem då stickor och annat kan hamna i inmatning och det kan även försämra fluidiseringen. Att döma av experimenten så förgasas flis snabbare än pellets.
Seemann och Thunman förklarar detta genom att uppehållstid och kontaktytan mellan gas och solid är större [9]. Längre uppehållstid och större kontaktyta gör att gassammansättningen närmar sig termokemisk jämvikt. Vid det motsatta fallet skulle gassammansättningen likna den vid endast pyrolys [9].
Produktgasen förbränns direkt i pannan, förutom en liten andel som går till gasrening och gasanalys i online förfarande. Problem med kväveläckage in i reaktorn uppstår på grund av undertryck i reaktorn. Kväve transporteras med bäddmaterialet och via bränsleinmatningen. I forskningssyfte är detta inget problem, men ställs anläggning om till produktion är kväveläckage ett stort problem.
Problemet är att kväve är en inertgas som minskar produktgasens värmevärde och är kostsam att separera. [22]
2.4 Gasrening
Vilken typ av gasrening som används beror på vilket användningsområde gasen har och även förgasningstekniken. Tjära har varit och är fortfarande det största hindret för att effektivt framställa en ren syntesgas från biomassa med högt värmevärde [1]. Därför läggs störst vikt vid reningstekniker för tjärseparering i detta avsnitt. Produktgasen behöver även renas från partiklar men träflis har förhållandevis liten andel svavel, klor, och alkali och ännu mindre hamnar i rågasen.
2.4.1 Rågassammansättning
Hasler et al har gjort ett försök att definiera syntesgasens sammansättning och därmed också gasens olika tjäror [29]. I tabell 5 visas en definitionslista på olika föreningar som återfinns i rågasen vid förgasning av biomassa.
11
Tabell 5 Översikt för rågassammansättning [29].
Grupp Typiska ämnen Kommentar
Tunga tjäror Ej definierad Anses vara summan av
högmolekylära aromatiska kolväten med en kokpunkt över 200 oC. Den kemiska sammansättningen är inte känd.
Lätta tjäror Bensen, toluen, xylen Aromatiska kolväten med
kokpunkt 80-200 oC . Polycykliska aromatiska
kolväten (PAH)
Naftalen, fenantren Det finns flera hundra identifierade PAH:er varav många är bioackumulerande och cancerframkallande [30].
Fenoler Fenol, kresol Aromatiska kolväten med minst
en OH grupp. Anses vara speciellt skadliga för förbränningsmotorer.
Lätta kolväten Metan, propan, eten, etan Lättflyktiga ickearomatiska kolväten.
Oxygenat Ättisksyra, metanol, Organiska ickearomatiska
föreningar
Partiklar Ej definierad Partiklarna består av flygaska,
oförbränt, alkali i fast fas och salter som ammoniumklorid.
Alkali Na, K Beroende på temperaturen
befinner sig alkali i gas eller solid fas.
Halogener HCl, klorfenol, klorbensen Anses ha ringa betydelse vid förgasning av oförorenat trä.
Vid förgasning av biomassa används i regel fluidiserande bäddar som har en driftstemperatur på
<1000 oC och det bildas generellt alltid tjära. Tjärinnehållet i rågasen kan vara flera tiotals g/nm3 vid förgasning av biomassa men 10-15 g/nm3 är typiskt för en DFBG. Gränsvärdena för tjära i syntesgasen är 100 mg/nm3 för gasmotorer [29] och mindre än 1 ppmV för turbiner [31]. Den primära och den mest effektiva metoden att få lite tjära i produktgasen är i första hand att optimera processen så att tjära ej uppstår. Det görs genom att optimera reaktorkonstruktion, uppehållstid, temperatur och massflöden samt att använda insitu-katalytisk krackning. De parametrarna bör undersökas innan nedströms reningsbehov utreds [5].
12 2.4.1.1 Termisk krackning
Många studier har gjorts på området termisk krackning. Dock är det få som behandlar syntesgas framställd från biomassa. De handlar istället om krackning vid pyrolys eller vid användning av kol som bränsle. Termisk krackning är en väl beprövad metod [32][29][1]. Till exempel vid en avfallshanteringsanläggning hålls temperaturen vid 1400-1600 oC vilket krackar alla termodynamiskt instabila kolväten i syntesgasen [33].
För termisk krackning av tjära i syntesgas från biomassaförgasning kan en del av syntesgasens energi användas genom att luft tillförs nedströms reaktorn. Det betyder att en del av energin i syntesgasen används och därmed minskar värmevärdet. Enligt Energy research Centre of the Netherlands (ECN) rapport så förbrukas för varje 100 oC temperaturhöjning av syntesgasen 0,5 MJ/nm3 eller en minskning av CGE med 3,5 % [1]. Experimentella studier beskriver att för att få en minskning av tjärinnehållet till 100 μg/nm3 bör temperaturen minst vara 1150 oC vilket resulterar i en minskning av CGE med 8 %. Brandt anser att temperaturen bör vara minst 1250 oC, vid uppehållstiden 0,5 sek, för att få effektiv krackning av tjära [32]. Houben et al menar att 90 % av tjäran från biomassa förgasning kan krackas termiskt. Termisk krackning påverkar värmevärdet mycket negativt eftersom gasen kräver värme och sen kylning, vilket innebär betydande exergiförluster. Längre uppehållstid betyder att en lägre temperatur kan hållas för att få samma krackningseffekt. Termisk krackning är inte selektiv, till exempel metan och etylen kommer också att krackas [1].
2.4.1.2 Katalytisk krackning
Vid katalytisk krackning bestämmer katalysmaterialet vilka typer av föreningar som reagerar.
Katalytisk krackning är fördelaktigt därför att ytterligare energi inte behöver tillföras, vilket innebär att termodynamiska förluster kan minimeras. Vid katalytisk rening blandas bäddmaterialet med en katalysator eller så placeras en katalytisk bädd, monolit eller filter nedströms reaktorn. Det har utförts mycket forskning på olika materials katalytiska förmåga. Materialen kan vara metaller, polymerer eller kalcinerad sten. Fördelar med bäddmaterialen är att de kan kracka så mycket som 95
% av tjäran i rågasen. Nackdelarna är många och de största problemen är: deaktivering och förgiftning, vissa material blir farligt avfall och kan vara kostsamma. De vanligaste katalysmaterialen är dolomit, olivin och nickelföreningar. En djupare sammanställning av aktuella katalysmaterial presenteras av både Zwart [1] och Dayton [34].
Olivin, Dolomit och kalksten är populära bäddmaterial för insitu-tjärkrackning på grund av att de är billiga, har hög aktivitet och enkel efterbehandling. Nackdelar med kalcinerad sten är hög nötning vilket leder till stor andel fina partiklar i produktgasen och ökad omsättning av material. En lösning är att använda syntetiska bäddmaterial som t.ex olivinsand (Fe,Mg)2SiO4 blandat med nickel vilket har hög katalytisk aktivitet. Problemet med att använda Ni och andra lantanoider är att: de snabbt kan bli deaktiverade, de klassas som farligt avfall, är dyra och behöver regenereras.
Vid nedströms katalytisk rening är krackningseffektiviteten ca 90-95 % [5] och gasen blir samtidigt uppgraderad eftersom tjärorna krackas till brännbara gaser som H2 och CO. Temperaturen bör vara mellan 800-900 oC för att ha hög effektivitet. Det betyder att luft måste tillföras för att nå rätt arbetstemperatur. De termodynamiska förlusterna blir dock mycket mindre jämfört med termisk krackning. En fluidiserande bädd placeras nedströms reaktorn där bäddmaterialet är aktivt.
Nackdelarna med denna teknik är just komplexiteten som denna fluidbädd medför i att styra processen mot optimala driftförhållanden [1].
En monolitreaktor består av en vaxkakeliknande keramisk struktur som är belagd med en tunn film av katalysmaterial, ofta nickel. Studier visar att en sådan reaktor ger tjärnivåer under 200 μg/nm3. Tekniken är mycket temperaturkänslig och Ni deaktiveras snabbt av svavel. Syntesgasen måste innehålla låg andel alkali, alternativt måste alkali avlägsnas innan krackningsreaktorn på grund av att
13 alkali är kletigt vilket minskar aktiv yta. Vid förgasaren Güssing kunde nästan fullständig tjärkrackning uppnås med monolitreaktor men då var tjärinnehållet i syntesgasen relativt lågt före reaktorn, 1,5 g/nm3. Andra metaller som studerats är Mg, Fe, Rh, Zi, Pa med mera, men de är långt ifrån kommersialisering. [1]
Katalytiska filter kombinerar krackning med partikelfiltrering i ett enda steg. Fördelarna är att gasen behåller det sensibla värmevärdet samtidigt som den uppgraderas och partiklarna separeras.
Nackdelen är att processen sker vid hög temperatur 700-900 oC vilket betyder att t.ex alkali i gasfas måste separeras i ett andra steg nedströms. [1]
2.4.1.3 Mekanisk rening
De vanligaste mekaniska separationsteknikerna för avlägsning av tjära är skrubber, filter, elektrostatisk avskiljning och cykloner. De är inte ovanligt att teknikerna kombineras för att avskilja partiklar, kväve, klor, svavel och alkali.
Filter har haft liten framgång vid separering av tjära på grund av att tjära är lågviskös och klibbig när den kondenserar. Filter fångar tjära på ytan men bildar en klibbig yta vilket är svårare att få bort jämfört med damm. [1]
En våt elektrostatisk separator (ESP) är nödvändig på grund av att torr kondensation av tjära skulle långsamt minska avskiljningen på grund av beläggningar på materialen. En ESP laddar partiklar mellan två elektroder varpå en yta med motsatt laddning attraherar partikeln som då avskiljs från gasflödet. ESP används främst för att fånga mycket små partiklar och aerosoler men är ineffektivt när det kommer till gasformiga kolväten. För att en ESP skall fungera väl bör därför temperaturen sänkas under respektive tjäras daggpunkt för att kunna fångas. Detta görs t.ex i OLGA-tekniken som förklaras nedan. [1]
En skrubber är enkel att konstruera och är lätt att ta i drift. Skrubbern har fördelen att den separerar fler ämnen än tjära. För att rena tjära har venturiskrubbern visat sig vara effektivast då den kan fånga små partiklar och har hög effektivitet. Hasler et al. anser att venturiskrubbern kan fånga 50-90 % av tjäran [29]. En venturiskrubber blandar en atomiserad vätska med en gas i en förträngning vilket innebär höghastigheter (turbulens) som ger mycket god omblandning. Nackdelar med venturiskrubbern är att den är förknippad med hög vattenkonsumtion och högt tryckfall vilket betyder att mer skrubbermedium och elenergi måste satsas. Dessutom måste dimma elimineras, vanligtvis i en centrifug eller med hjälp av bafflar och dylikt. Venturiskrubberns effektivitet beror mycket på hur väl dimmeliminering fungerar [35]. Spraytorn är ett enklare alternativ vilket har jämförelsevis lägre tryckfall. Nackdelar är att spraytorn är mindre effektiva för att rena mindre partiklar.
Ett sätt att öka reningseffektiviteten av tjära är att använda ett skrubbningsmedium som gör att tjäran löser sig. Ett exempel på detta är OLGA [1] som är utvecklad av Energy research Centre of the Netherlands (ECN) och RME-skrubbern som används nedströms förgasaren i Güssing [3]. I OLGA- tekniken används ett flerstegs koncept där en våtskrubber kondenserar tung tjära och löser finare partiklar. Därefter används en ESP för att få bort aerosoler och tillsist ett absorberingssteg för att binda de lättare tjärorna. Efter rening med OLGA är gasen 99 % fri från tjära. OLGA-tekniken använder ett effektivt sätt att återvinna oljan vilket gör att lite olja behöver tillföras processen till skillnad från RME-skrubbern. I RME skrubbern förbrukas ständigt olja som sedan eldas i pannan. Det betyder att tjärinnehållet i gasen behöver vara relativt lågt för att det ska vara ekonomiskt försvarbart. I Güssing är tjärinnehållet i rågasen ca 2 g/nm3 vilket åstadkoms med ett katalytiskt bäddmaterial [3]. Efter rening med RME är tjärinnehållet ca 20 mg/nm3.
14 En cyklon fungerar genom att centrifugalkrafterna slungar ut partiklar mot kanterna av en cylinder varpå partiklarna faller ner i cyklonbenet och gasen tas ut i toppen. Cykloner används i första hand för att separera solider och aerosoler ur gas. Det är ofördelaktigt att använda för avskiljning av tjära eftersom tjära är kletigt och fastnar på väggarna i cyklonen. [1]
2.4.2 Rening av ickeorganiska komponenter
Biomassa i detta fall träflis innehåller mycket små mängder klor, svavel, alkali och aska. Klor och svavel bildar halogener, svavelväten och syror som kan störa nedströms katalytiska processer. Nickel som är ett vanligt katalysmaterial deaktiveras fort av svavel. Svavel och klor kan enkelt absorberas av en lutlösning (NaOH) som kombineras med en våtskrubber. Partiklar blir ett problem i gasturbiner och motorer på grund av erosion och igensättning. Askan och alkali, som är i fast fas under ca 650 oC, kan separeras med filter, skrubber, cykloner och ESP. [1]
2.5 Förgasning på massa- och pappersbruk
På massa- och pappersbruk har syntesgas använts med framgång till mesaugnar och kokare. Det har funnits ungefär en handfull förgasare på Svenska pappersbruk men idag finns endast en kvar på Värö bruk. I mesaugnar eldas vanligtvis olja men många olika bränslen finns representerade t.ex tallbecksolja, sågspån, lignin och starkgaser. Genom att använda biobränsleförgasning kan bränslekostnaderna och fossilbränsleberoendet minskas. Problem har ofta uppstått under drifttid i form av slitage, tjärutfällning och klumpbildning. Problemen gör att tillgängligheten är förhållandevis låg, t.ex 75 % på Värö bruk. [19]
I övrigt gjordes några försök på 90-talet med svartlutsförgasning, men intresset har varit litet för tekniken. Det pågår dock en hel del forskning på just detta [7][36][37]. Anledningen är att förgasning kan potentiellt ge högre termodynamisk effektivitet och öppna nya marknader, framför allt för produktion av syntetiska bränslen. Ett av problemen är att sodapannor är enväldigt gammal och beprövad teknik medan förgasningsanläggningar historiskt haft en låg tillgänglighet. Kombineras det med massa- och pappersindustrins höga krav på tillgänglighet är det svårt att hitta företag som är villiga att investera i tekniken utan subventioner.
2.5.1 Skoghalls kartongbruk
I följande avsnitt är data inhämtade direkt från Stora Ensos kartongbruk i Skoghall. Stora Enso, Skoghall ligger på Hammarö i närheten av Karlstad. Bruket producerar ca 700 000 ton kartong per år [38]. För denna studie är energianvändningen för kartongbruket intressant, se tabell 6.
Skoghallsbruket producerar ca 39 % av elenergin internt.
Tabell 6 Energianvändning på Stora Enso, Skoghall [8].
Energibärare Energimängd (GWh)
El 992
Olja 341
Biobränsle 869
Lut 1600
Starkgaser 34
2.5.1.1 Biobränslepanna BFB P11
Förslaget är att P11 biobränslepanna ska användas som förbränningsreaktor i kombination med en förgasare. P11 är från början en oljepanna som var förberedd för kolpulvereldning vilket gjorde det
15 enkelt att konvertera den till BFB för biobränsleeldning. I pannan eldas en kombination av bark, spån, flis, GROT, kemslam och bioslam. Pannan består av en eldstad, tre överhettarpaket, fyra ekonomisers, en NOx katalysator och elfilter. Pannans syfte är att producera vattenånga som matar en mottrycksturbin som i sin tur förser bruket med mellan- och lågtrycksånga och el. [39]
Tabell 7 Specifikation av BFB-pannan P11 [39].
Max effekt 160 MW (BM)
Tillgänglighet Ca 7800 h/år
Bränsle Flis, spån, GROT, bark, kem- och bioslam Bäddtemperatur 850-890 oC
2.5.1.2 Kartongmaskin och IR-tork
Bruket har två kartongmaskiner KM7 och KM8 varav KM8 är bestyckad med IR-torkar. Syftet med IR- torken är att evaporera vattnet i bestrykningsskiktet för att få rätt torrhalt och kvalitet i pappret. På KM8 finns tre IR-torkar, en för varje bestrykningsyta, men endast två är igång samtidigt. IR1 är för förbestrykning och IR2 samt IR4 är för toppbestrykning. Baksidan av kartongen bestryks inte. Varje IR-tork har maxeffekten 2 MW och tack vare optimeringsarbete för att minimera kostnaden körs torkarna på 40 % av maxeffekt. Två av IR-torkar är på 95 % av drifttiden och av årets timmar så körs KM8 83 % av dem. Elenergianvändning i IR-torkarna uppgår till 13 GWh per år. [40]
Via korrespondens med R., Aust på IR-torksleverantören Voith som levererar gaseldade torkar till pappersindustrin framkom att det finns lite samlad erfarenhet av att använda syntesgas [41].
Problem kan dock uppstå på grund av rågassammansättningen i och med höga halter av H2 och CO som ger snabbare flamutbredning vilket kan ge baktändning bakom brännarens platta. De menar att omfattande tester bör göras för att bedöma gasens duglighet.
Figur 3 Bilden till vänster visar Kriegers gaseldade IR-tork [42]. Till höger visas ABB:s gaseldade torkcylinder där IR- strålning värmer cylinderns insida [43].
Uppgifter om verkningsgrader på IR respektive gastorkar skiljer sig åt beroende på vem som tillfrågas. Några leverantörer [42][43] menar att verkningsgraden är >70 % för deras gaseldade IR- torkar och >90 % för eltorkar, men då inkluderas värmeåtervinningen. Pettersson anser att verkningsgraden är något lägre för gaseldade jämfört med eldrivna IR-torkar [44]. Strålningsmässigt kan inte effektiviteten bli högre än lite drygt 50 % för gastorkar, medan för eltorkar är 60 % rimligt.
IR-torkarna på KM8 har en verkningsgrad på ca 50-70% inklusive värmeåtervinning [40]. En faktor som påverkar mycket är hur väl värmeåtervinning mellan in- och utlopp fungerar. I den här studien är
16 det därför rimligt att anta att verkningsgraden för IR respektive gaseldad tork är lika för att en gaseldad IR-tork kan ha minst lika hög verkningsgrad som befintligt IR-tork.
Skulle el ersättas med biobränsle är det troligt att både ekonomiska och miljömässiga fördelar uppnås. Spotpriset på el är ca 510 kr/MWh [45] jämfört med 200 kr/MWh [46] för flis vilket är mer än en halvering av energipriset samtidigt som elberoendet minskar. Koldioxidutsläppen skulle också indirekt minska samt att effektavtalet för Skoghalls bruk skulle kunna omförhandlas.
2.5.1.3 Mesaugn
Mesaugn, eller kalcineringsugn som den också kalls, används i kemikalieåtervinningen för att bränna mesan (CaCO3) till kalk (CaO) som i sin tur används i vitlutsberedningen [47]. På Skoghallsbruket åtgår det ca 10000 m3 eldningsolja (Eo5) per år i mesaugn, vilket motsvarar ca 100 GWh och effekten på mesaugnen är ca 12,6 MW. Här skulle det vara fördelaktigt ur både ett ekonomiskt och miljömässigt perspektiv att ersätta oljan med biobränsle. En jämförelse av bränslepriser illustrerar detta. Priset på flis är ca 200 kr/MWh [46] jämfört med olja som ligger runt 420 kr/MWh [39] vilket skulle innebära en halvering av bränslepriset. Därtill blir värmeproduktionen i mesaugnen nästan koldioxidneutral samtidigt som svavelutsläppen minskar. Dessutom blir bruket mindre känsligt för svängningar i oljepriset om olja ersätts med flis. Detta visar att det troligtvis finns potential att ersätta dyrare och mindre miljövänliga bränslen med flis. Den här studien utreder och bestämmer två lämpliga koncept.
Ett koncept för en förgasningsreaktor och ett koncept för erforderlig gasreningsteknik för att uppnå fördelar med att använda biobränsle istället för el och olja.
17
3 Metod
Metodavsnittet är indelat i tre delar. I del 3.1 behandlas möjliga reaktorkoncept för förgasaren och anslutande teknik motiveras utifrån en inledande litteraturstudie. Därefter modelleras energi och massbalanser för systemet för att utreda erforderlig bäddmaterialstransport. Till sist presenteras en modell för fluidisering och partikel transport i en BFB- respektive CFB-reaktor för att kunna bedöma dimensioner. I del 3.2 utreds reningsbehov för respektive användare samt lämplig reningsteknik. En enklare ekonomisk kalkyl konstrueras i del 3.3 där investerings- och driftkostnader uppskattas och presenteras för mesaugnsystem respektive IR-torksystem.
3.1 Reaktorkoncept
Det finns två alternativ vad gäller reaktortyp, de är BFB och CFB. En BFB består av en bubblande bädd med en höjd på ca 0,5-1 meter. I en BFB lämnar nästan inget bäddmaterial reaktorn via gasflödet. I en CFB ökas gashastigheten över terminalhastigheten för partiklarna och en stor andel material följer med rökgaserna vilket innebär att bäddhöjden är mer diffus. Partiklarna måste avskiljas vilket typiskt görs med en eller flera cykloner, se figur 4. [17]
Figur 4 Illustration av CFB respektive BFB-tekniken.
Både CFB och BFB-teknik är fullt möjliga lösningar för reaktorn, se avsnitt 2.3. I denna sektion utreds skillnader, för- och nackdelar som ska ligga till grund för reaktorvalet. De största skillnaderna är att CFB tar mycket mer plats i vertikalriktning än BFB och att i en CFB är bäddmaterialstransporten tillbaka till pannan betydligt enklare att utforma. I ett eftermonteringssyfte kan kompakta lösningar vara att föredra eftersom utrymmet ofta är begränsat. Fördelar med CFB är större flexibilitet vad det gäller bränslen och drift [17]. Bäddmaterialet och kokset har dessutom längre uppehållstid om bäddmaterialet återcirkuleras internt, förutsatt att mer bäddmaterial cirkuleras än vad som återförs till pannan. Återcirkulering av bäddmaterial i en förgasare är en designfråga. I till exempel SilvaGas design återcirkuleras inte bäddmaterialet [3]. Om bäddmaterialet återcirkuleras skapas en mer robust design men på bekostnad av mer komponenter och automation.
18 Det är återtransporten av bäddmaterialet som bestämmer teknik. Skulle BFB-teknik användas behöver bäddmaterialet antingen skruvas tillbaka eller föras tillbaka via pneumatisk transport [22].
Vid skruvning skulle det bli nödvändigt att kyla ner bäddmaterialet vilket innebär att den termodynamiska effektiviteten kommer minska. Vid pneumatisk transport används samma principer som för en CFB och att utöka designen till ett CFB-koncept är inte ett stort steg. I tabell 8 sammanfattas för- och nackdelar mellan reaktorkoncepten.
Tabell 8 För- och nackdelar med CFB jämfört med BFB
Fördelar Nackdelar
Bättre omblandning Högre tryckfall över bädden vilket betyder högre erfordrat tryckfall över reaktorn och i dysor Längre uppehållstid för koks om bäddmaterialet
återcirkuleras internt i reaktorn
Mer slitage i reaktorn på grund av högre hastigheter
Mer flexibel vad gäller bränsletyper Större och mer avancerad konstruktion Enklare bäddmaterialstransport Kräver mer utrymme på höjden
Kräver mindre utrymme på bredden Högre bäddmaterialsförbrukning
För att bestämma på vilken höjd materialet tas ut bör partikelfördelningen i bädden beaktas.
Partiklar av olika storlekar fördelas ojämnt i höjdled i bädden på grund av fluiddynamiska aspekter [52]. Bäddmaterialstransporten från cyklonen måste alltid kunna säkerställas på grund av att om den fylls kan det i bästa fall orsaka sämre verkningsgrad och i sämsta fall haveri. Om obalans i bäddmaterialstransport uppstår mellan inflödet i botten och utflödet ur bädden under cyklonen kan två scenarier ske om volymflödet antas vara konstant. Förutsatt att fluidseringsmediumet regleras till att hålla ett konstant massflöde. I det ena minskar bäddmaterialet i förgasningsreaktorn vilket innebär lägre tryckfall över bädden och högre hastigheter vilket ökar transporten av bäddmaterial ytterligare. Högre hastigheter minskar uppehållstiden vilket resulterar i att mindre tjära krackas och att mindre koks förgasas. I det andra fallet ackumuleras bäddmaterial vilket betyder ett högre tryckfall över bädden vilket ökar gashastigheten och minskar uppehållstiden. Till slut blir trycket för högt och bädden avfluidiseras.
3.1.1 Förgasningsmedia
För att få en produktgas med så högt värmevärde som möjligt är det önskvärt att ha lite koldioxid och kväve i gasen. Detta utesluter luft, och koldioxid(rökgas) som förgasningsmedia. Syre anses vara för dyrt eftersom det kräver nedkylning av luft för att kondensera ut syre. Det kräver mycket elenergi och kompressorer. Eventuellt kan produktgas cirkuleras om uppehållstiden är för kort eller om reaktorns yta behöver ökas [22].
3.1.2 Förbehandling av bränsle
Det är viktigt att bränslet har så hög torrhalt som möjligt eftersom vattnet i bränslet kan liknas vid barlast i systemet. Uppvärmning och förångning av vatten är mycket energikrävande vilket minskar värmevärdet. Vattnet i bränslet deltar inte i förgasningsreaktionerna då den andel som träffar kokset är försumbar [22].
