PFB Air Gasification of Biomass, Investigation of Product Formation and Problematic Issues Related to Ammonia, Tar and Alkali

Abstract: Popular Abstract in Swedish Trycksatt fluidiserande bädd förgasning är ett effektivt sätt för att omvandla biomassa till en gas som kan användas i olika tillämpningar: som bränsle till gasturbiner och förbränningsmotorer, som råvara till kemikalieproduktion eller som bas i tillverkning av syntetiska drivmedel. I motsatts till rötning och jäsning lämnar termisk förgasning inga kontaminerade restprodukter och askan som blir kvar efter processen kan efter en viss behandling återföras till skog eller odlingsmarker. Den här avhandling behandlar de senaste resultaten inom trycksatt, termisk förgasning av biomassa och blandningar av biomassa och industriavfall. Basen för diskussionerna är experimentella data från två olika biomasseförgasare: en 90 kWth trycksatt bubblande fluidiserandebäddförgasare vid Lunds Universitet och en 18 MWth trycksatt cirkulerande fluidiserandebäddförgasare integrerad med gasturbin (IGCC) i Värnamo. De mest aktuella områden inom förgasningsteknik diskuteras i fem självständiga avsnitt. Tekniska och teoretiska aspekter av termisk omvandlingen av biomassa: Termisk förgasning av biomassa kan utföras i olika typer av anläggningar. Produkternas karaktär är i stort sett beroende av anläggningens konstruktion. Up-draftförgasarna producerar stora mängder av tjäror medan gasen från en down-draftförgasare är nästan fri från tjäror. Fluidiserande bäddar tar en intermediär plats mellan up- och down- draftförgasarna. Förgasningskemin har ofta i litteraturen beskrivits med hjälp av teorier baserade på fundamentala studier inom pyrolys och förvätskning eller med hjälp av termodynamiska modeller. Erfarenheten har emellertid visat att dessa teorier inte kunnat förklara kemiska reaktionsförlopp i en verklig förgasningsmiljö. Baserat på experimentella resultat från Lundaförgasaren och Värnamoverket behandlar avsnittet ett nytt tankesätt i beskrivningen av reaktionerna i förgasningen. Analysinstrument: På LTH har man under åren skaffat en gedigen kunskap i tillämpad användning av FTIR och GC-MS vid identifiering och bestämningen av olika komponenter i produktgasen från förgasningsanläggningar. I det här avsnittet har FTIR-resultaten jämförts med resultat från andra analysinstrument och dess för- och nackdelar har diskuterats. Principerna för GC-MS-instrument, dess kalibrering och detaljer om identifieringen av vissa okända komponenter i tjäror med hjälp av detta instrument har också behandlats i det här avsnittet. Tjäror i biomassaförgasning: Jämfört med kolförgasning resulterar biomassaförgasning i en större omvandling av bränslet till tjäror. Huruvida tjäror är önskade eller oönskade produkter avgörs helt och hållet av specifikationer på slutände-anordningen som kan vara en gasturbin, eller en förbränningsmotor. Graden av tjärminskning är, förutom slutände-anordningen, beroende av processen. Tjärproblematiken blir mera allvarlig om man måste kyla ner gasen innan dess slutanvändning. Minskning av tjäror i gasen kan uppnås genom tillämpning av både katalytiska och icke-katalytiska metoder. Med hjälp av katalytiska metoder kan man reducera mängden av tjäror i gasen till nivåer av storleksordning 100 mg/Nm3. Icke-katalytiska metoder är vanligen baserade på val av reaktorkonstruktion, tvåstegsförgasning, sekundärluftinjicering eller termisk nedbrytning. Resultat från studier av olika parametrars effekt på tjärbildningen har visat att luftfaktorn och förgasningstemperaturen är de två avgörande faktorer som påverkar mängden av och egenskapen hos tjärorna i en förgasningsprocess. Erfarenheter från Värnamoanläggningen har visat att genom att välja passande processparametrar går det att producera en produktgas som utan några problem kan användas i en IGCC process. Detaljerade analyser visar att tjärorna från en förgasare generellt kan uppdelas i fyra olika grupper: alkyl-substituerade, vanliga aromatiska, syre-innehållande och kväve-innehållande aromatiska föreningar. Av dessa är de två sistnämnda av större intresse eftersom de kan ge upphov till bildning av dioxiner eller kväveoxidemissioner i efterföljande förbränningssteg. Även här går det emellertid att styra mängden av dessa föreningar i gasen med hjälp av processparametrar. Experimentella resultat har visat att om förgasningstemperaturen är tillräckligt hög, försvinner dessa produktgrupper från tjärmatrisen. Kvävekemi: Vid förgasning omvandlas bränslekvävet till ammoniak, vilken i sin tur bildar kväveoxider vid förbränning av gasen. Omvandlingen av bränslekvävet till ammoniak påverkas av luftfaktorn och förgasningstemperaturen, men kvävets bindningsform i bränslestrukturen verkar också vara av avgörande betydelse vidi låga förgasningstemperaturer. Enkla kvävestrukturer, sådana som påträffas i textilavfall t.ex., ger upphov till en större omvandlingsgrad redan vid låga temperaturer. Påföljden blir att med ökad temperatur kan man åstadkomma en viss grad av termisk nedbrytning. Det finns ett samband mellan kolomsättning och omvandlingen av bränslekvävet till ammoniak: ju högre kolomsättning desto högre omvandlingsgrad av bränslekvävet till ammoniak. I en storskalig process som Värnamoanläggning får man emellertid en ganska konstant omvandlingsgrad för bränslekvävet. Anledningen är att i en storskalig anläggning kan processparametrarna bara varieras inom ett mycket snävt område. Det här avsnittet behandlar samtidigt olika ammoniaknedbrytningsmetoder och diskuterar problematiken inom varje område. Alkalimetaller i biomassaförgasning: De alkalimetaller som finns i biobränslen kan orsaka allvarliga driftproblem under förgasningen. Frigörelsen av alkalimetaller verkar vara beroende av både innehåll och inbördes förhållande mellan olika askbildande element i bränslet. I en förgasningsanläggning kan alkalirelaterade problem visa sig i form av a) sintring och agglomerering av den fluidiserande bädden b) beläggningsbildning på olika anläggningsdelar, c) keramisk korrosion av filter och d) korrosion eller slitage av metalliska delar som gasturbinblad. I det här avsnittet behandlas alkalimetallernas beteende inom förgasningen. Agglomereringen av Si-baserade bäddmaterial som orsakas av alkali samt icke-alkalirelaterde agglomerering av andra typer av bäddmaterial har diskuteras. Effekten av gasfiltreringstemperatur på diffusion av alkali genom keramiska filter, samt betydelsen av alkalit i stoftpartiklar behandlas också i det här avsnittet.