Advanced

Energy Efficient Processes for the Production of Gaseous Biofuels - Reforming and Gas Upgrading

Svensson, Helena LU (2014)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Arbetet som presenteras i denna avhandling handlar om att utveckla nya processer för att producera gasformiga biobränslen som är mer energieffektiva än de som används idag. Genom att göra processerna mer energieffektiva kan kostnaden för att producera biobränslen minskas. En lägre produktionskostnad för biobränslet gör det lättare att ersätta fossila bränslen med förnyelsebara alternativ, vilket minskar utsläppen av växthusgaser och ger oss en bättre levnadsmiljö.



Utsläppen av växthusgaser till atmosfären har ökat avsevärt sedan industrialiseringen och majoriteten av forskare är överens om att dessa utsläpp påverkar vårt klimat och vår miljö. Majoriteten av utsläppen är... (More)
Popular Abstract in Swedish

Arbetet som presenteras i denna avhandling handlar om att utveckla nya processer för att producera gasformiga biobränslen som är mer energieffektiva än de som används idag. Genom att göra processerna mer energieffektiva kan kostnaden för att producera biobränslen minskas. En lägre produktionskostnad för biobränslet gör det lättare att ersätta fossila bränslen med förnyelsebara alternativ, vilket minskar utsläppen av växthusgaser och ger oss en bättre levnadsmiljö.



Utsläppen av växthusgaser till atmosfären har ökat avsevärt sedan industrialiseringen och majoriteten av forskare är överens om att dessa utsläpp påverkar vårt klimat och vår miljö. Majoriteten av utsläppen är koldioxid som kommer från användning av fossila bränslen i trafikfordon och för att producera värme och elektricitet. För att minska koldioxidutsläppen finns nu flera processer tillgängliga för att producera biobränslen från biomassa. Biomassan kan vara restprodukter från lantbruksindustrin (exempelvis halm), källsorterat matavfall från hushåll, avloppsslam från industri och vattenrening samt rester från livsmedelsindustrin (exempelvis slakteriavfall eller matrester).



Det finns flera processer för att producera gasformiga biobränslen, som biogas, för att ersätta naturgas. Processerna brukar delas in i termokemiska processer, där man använder hög temperatur för att omvandla biomassan till biogas, och biologiska processer, där man använder mikroorganismer för omvandlingen av biomassa till biogas. Båda processer används i Sverige idag och det finns över 200 anläggningar som producerar biogas. Biogasen som produceras består huvudsakligen av metan och koldioxid. Biogasen kan användas för att producera värme och elektricitet i kraftvärmeverk, men även som fordonsbränsle. Idag finns ett stort utbud av bilar som tankas med biogas. För att biogasen ska kunna användas som fordonsbränsle måste man ta bort koldioxiden i gasen. Denna process kallas uppgradering.



I mitt arbete har jag utvecklat ny teknik för att omvandla biomassa till biogas i en termokemisk process. På grund av den höga temperatur som krävs i denna typ av process finns det mycket att vinna på att utveckla energieffektivare processer. Det första steget i den termokemiska processen kallas förgasning. Under förgasningen omvandlas biomassan till en gas, som består av flera komponenter. För att producera biogas måste de komponenter i gasen som är större än metan brytas ner till mindre beståndsdelar. Detta görs i reformern som kommer efter förgasaren. De flesta tekniker som används idag för reformering använder sig av en katalysator. Katalysatorn gör så att nedbrytningen av de stora komponenterna kan ske vid lägre temperatur. Problemet är att det också bildas föroreningar när man förgasar biomassan, som förgiftar katalysatorn. Alternativet är då att använda en teknik som inte behöver en katalysator. Reformeringen måste då ske vid en högre temperatur vilket gör den mer energikrävande. Min forskning har handlat om att utveckla en ny reformer som trots den höga temperaturen är energieffektiv. Genom att använda sig av en reaktor, fylld med ett material som kan absorbera värme, där flödesriktningen ändras med jämna mellanrum kan man ”fånga” värmen i mitten av reaktorn. Gasen som kommer in med en låg temperatur värms i reaktorn och reformeringen sker i mitten av reaktorn, där temperaturen är tillräckligt hög. När gasen lämnar mitten av reaktorn så absorberar den packade bädden värmen från gasen och temperaturen sjunker. Gasen som kommer ut från reformern har ungefär samma temperatur som gasen som gick in, men består nu huvudsakligen av metan och mindre komponenter, som kan omvandlas till metan i en senare process.



Jag har även arbetat med att utveckla ny teknik för uppgradering av biogas. Med denna teknik avlägsnas koldioxiden från biogasen genom kemisk absorption. Vid kemisk absorption absorberas koldioxiden i en vätska och reagerar med en amin i vätskan. Eftersom metan inte reagerar med aminen och inte heller absorberas i vätskan kan man på detta sätt ta bort koldioxiden från biogasen. Absorptionen av koldioxid sker i ett absorptionstorn. För att kunna använda samma vätska igen cirkuleras den till en stripper där den värms. När vätskan värms reverseras reaktionen med aminen och koldioxiden frigörs från vätskan. Därefter återförs vätskan till absorptionstornet där den kan ta bort mer koldioxid. Att värma vätskan kräver mycket energi och min forskning har handlat om att hitta nya aminlösningar som inte behöver värmas lika mycket som de system som används idag. För den teknik som används idag behöver man nå en temperatur på 120-130°C i strippern, vilket medför att man oftast använder trycksatt ånga. De nya absorptionssystem jag forskat på behöver bara värmas till 70-90°C, vilket innebär att det går att använda varmt vatten istället för ånga. Detta gör processen mindre kostsam eftersom det inte krävs lika mycket energi för uppgraderingen. Eftersom temperaturen i strippern är lägre, är risken också mindre att aminen bryts ner till farliga föreningar som kan släppas ut till atmosfären. (Less)
Abstract
Replacing fossil fuels with biofuels is one way of reducing the emission of greenhouse gases into the atmosphere, thus decreasing our impact on the global climate. For this to be a viable option, several production routes are needed, as no single option can fully replace fossil fuels. One way of making biofuels more competitive with fossil fuels is by reducing the production cost. As most of the processes involved in biofuel production are very energy intensive, this can be achieved by employing more energy-efficient processes.



The work presented in this thesis focuses on the development of energy-efficient processes in both biological and thermochemical production of gaseous fuels, such as biogas, synthetic natural gas... (More)
Replacing fossil fuels with biofuels is one way of reducing the emission of greenhouse gases into the atmosphere, thus decreasing our impact on the global climate. For this to be a viable option, several production routes are needed, as no single option can fully replace fossil fuels. One way of making biofuels more competitive with fossil fuels is by reducing the production cost. As most of the processes involved in biofuel production are very energy intensive, this can be achieved by employing more energy-efficient processes.



The work presented in this thesis focuses on the development of energy-efficient processes in both biological and thermochemical production of gaseous fuels, such as biogas, synthetic natural gas and hydrogen. Two processes in the production chain have been studied, namely reforming and gas upgrading. Both existing and new technology have been investigated. The work performed on the reforming of a gasifier producer gas resulted in the modeling of a reverse-flow reformer using non-catalytic partial oxidation to produce synthetic natural gas, hydrogen or synthesis gas. The results of the modeling showed that the reverse flow reformer is more suited for the reforming of higher hydrocarbons and tars, than for reforming of methane, due to the increased soot formation at the high temperatures needed to reform methane. For the gas upgrading process, existing technology using piperazine-activated N-methyl diethanolamine was investigated in order to obtain more information on the heat of absorption of carbon dioxide in these solutions. The investigation showed that piperazine increased the heat of absorption of the solution significantly at low carbon dioxide loadings. New amine solutions for gas upgrading were also investigated, where a precipitate was formed during the absorption of carbon dioxide. These solutions allowed the regeneration of the amine using low-grade heat, which can greatly reduce the production cost of the biofuels. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Knuutila, Hanna, Department of Chemical Engineering, Norwegian University of Science and Technology
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Biofuels, Reverse-flow reforming, Gas upgrading, Amine absorption
pages
172 pages
publisher
Department of Chemical Engineering, Lund University
defense location
Lecture hall K:B at the Center for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2014-06-04 10:15
ISBN
978-91-7473-988-6
language
English
LU publication?
yes
id
7a62071b-f122-49dd-a976-113c5651a22e (old id 4407324)
date added to LUP
2014-05-09 08:01:48
date last changed
2016-09-19 08:45:14
@misc{7a62071b-f122-49dd-a976-113c5651a22e,
  abstract     = {Replacing fossil fuels with biofuels is one way of reducing the emission of greenhouse gases into the atmosphere, thus decreasing our impact on the global climate. For this to be a viable option, several production routes are needed, as no single option can fully replace fossil fuels. One way of making biofuels more competitive with fossil fuels is by reducing the production cost. As most of the processes involved in biofuel production are very energy intensive, this can be achieved by employing more energy-efficient processes.<br/><br>
<br/><br>
The work presented in this thesis focuses on the development of energy-efficient processes in both biological and thermochemical production of gaseous fuels, such as biogas, synthetic natural gas and hydrogen. Two processes in the production chain have been studied, namely reforming and gas upgrading. Both existing and new technology have been investigated. The work performed on the reforming of a gasifier producer gas resulted in the modeling of a reverse-flow reformer using non-catalytic partial oxidation to produce synthetic natural gas, hydrogen or synthesis gas. The results of the modeling showed that the reverse flow reformer is more suited for the reforming of higher hydrocarbons and tars, than for reforming of methane, due to the increased soot formation at the high temperatures needed to reform methane. For the gas upgrading process, existing technology using piperazine-activated N-methyl diethanolamine was investigated in order to obtain more information on the heat of absorption of carbon dioxide in these solutions. The investigation showed that piperazine increased the heat of absorption of the solution significantly at low carbon dioxide loadings. New amine solutions for gas upgrading were also investigated, where a precipitate was formed during the absorption of carbon dioxide. These solutions allowed the regeneration of the amine using low-grade heat, which can greatly reduce the production cost of the biofuels.},
  author       = {Svensson, Helena},
  isbn         = {978-91-7473-988-6},
  keyword      = {Biofuels,Reverse-flow reforming,Gas upgrading,Amine absorption},
  language     = {eng},
  pages        = {172},
  publisher    = {ARRAY(0x9745468)},
  title        = {Energy Efficient Processes for the Production of Gaseous Biofuels - Reforming and Gas Upgrading},
  year         = {2014},
}