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

Abstract

Fluidised bed thermal gasification of biomass is an effective route that results in 100 % conversion of the fuel. In contrast to chemical, enzymatic or anaerobic methods of biomass treatment, the thermal conversion leaves no contaminated residue after the process. The product gas evolved within thermal conversion can be used in several applications such as: fuel for gas turbines, combustion engines and fuel cells, and raw material for production of chemicals and synthetic liquid fuels.



This thesis treats a part of the experimental data from two different gasifiers: a 90 kWth pressurised fluidised bubbling bed gasifier at Lund University and a 18 MWth circulating fluidised bed gasifier integrated with gas turbine (IGCC) in Värnamo.



A series of parallel and consecutive chemical reactions is involved in thermal gasification, giving origin to formation of a variety of products. These products can be classified within three major groups: gases, tars and oils, and char. The proportion of these categories of species in the final product is a matter of the gasifier design and the process parameters. The thesis addresses the technical and theoretical aspects of the biomass thermochemical conversion and presents a new approach in describing the gasification reactions.



There is an evidence of fuel effect on the characteristics of the final products: a mixture of plastic waste (polyethylene) and biomass results in higher concentration of linear hydrocarbons in the gas than gasification of pure biomass. Mixing the biomass with textile waste (containing aromatic structure) results in a high degree of formation of aromatic compounds and light tars.



Three topic questions within biomass gasification, namely: tars, NOx and alkali are discussed in the thesis. The experimental results show that gasification at high ER or high temperature decreases the total amount of the tars and simultaneously reduces the contents of the oxygenated and alkyl-substituted poly-aromatics in the product gas. There is an indication that the tars are the products of the stepwise destruction of the primary structure of the biomass. Increased temperature favours dissociation of the heavy tar compounds to lighter structures.



During gasification a part of the fuel-bound nitrogen (fb-N) converts to ammonia which forms NOx in the following combustion steps of the product gas. The degree of conversion to ammonia is dependent on the process parameters and generally increases with increasing ER and temperature until a total carbon conversion is achieved. The mechanisms of the release of the fb-N and also the routes to minimise the ammonia in the product gas are discussed.



In a gasification plant alkali metals can be the reason beyond problems such as agglomeration of the bed material, deposit formation on cold surfaces and erosion and corrosion of the ceramic and metallic parts. The experimental results show that the type of alkali from the fuel has a crucial importance in causing the alkali-related problems.

Abstract (Swedish)

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.

• author: Padban, Nader
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Docent Sjöström, Krister, Kemisk teknologi, Tekninkringen 42, 100 44, Stockholm, Sweden.
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: NH3 formation, agglomeration, thermal conversion, PNA, PAH, alkali, tar, Biomass, gasication, ammonia reduction, Chemical technology and engineering, Kemiteknik och kemisk teknologi
• pages: 228 pages
• defense location: Kemicentrum, Getingevägen 60, Lund, hörsal B
• defense date: 2000-09-28 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTKDH / TKKT - 00 / 1058 - - SE
• ISBN: 91- 78 74 - 084 - 3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Padban, N.; Wang, W.; Ye, Z.; Odenbrand, I.; Bjerle, I., "Distribution of fuel C, H and N in products of pressurized fluidized bed biomass air gasification", submitted to Energy & Fuels. Article: Padban, N.; Odenbrand, I., ''Polynuclear Aromatic Hydrocarbons in Fly Ash from Pressurized Fluidized Bed Gasification of Fuel Blends, A Discussion of the Contribution of Textile to PAHs'', Energy & Fuels, 1999, 13 (5), 1067-1073. Article: Padban, N.; Wang, W.; Ye, Z.; Bjerle, I.; Odenbrand, I., "Tar Formation in Pressurized Fluidized Bed Air Gasification of Woody Biomass", Energy & Fuels 2000, 14, 603-611. Article: Wang, W.; Padban, N.; Ye, Z.; Andersson, A.; Bjerle, I., "Kinetics of Ammonia Decomposition in Hot Gas Cleaning", Ind. Eng. Chem. Res. 1999, 38, 4175-4182. Article: Wang, W.; Padban, N.; Ye, Z.; Andersson, A.; Bjerle, I. "Catalytic hot gas cleaning of fuel gas from an air-blown pressurized fluidized bed gasifier" Accepted for publication in Ind. Eng. Chem. Res. Article: Padban, N.; Kiuru, S.; Hallgren, A. L., ''Bed Material agglomeration in PFB biomass gasification''. American Chemical Society; Division of Fuel Chemistry; Vol. 40, No. 3; (1995). Article: Padban, N.; Ye, Z.; Bjerle, I., "Alkali removal and bed material agglomeration studies applied to biomass gasification". in "Developments in Thermochemical Conversion of Biomass" ed. by A. V. Bridgwater and D. G. B. Boocock. Publ. by Blackie Academic & Professional; 1997; pp 1031-104.
• id: c99e3e4e-c797-4bf7-b7c3-47682a6718fb (old id 40838)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:16:39
• date last changed: 2018-11-21 21:10:01