Modeling of Biomass Gasification with Adaptation to Biological Methanation Using Aspen Plus®

Abstract (Arabic)

حظيت البدائل المتجددة باهتمام كبير في ظل انخفاض موارد الوقود الاحفوري المتاحة وزيادة المتطلبات البيئية. ان انتاج المواد الكيميائية والوقود المتجدد من خلال استغلال الكتلة الحيوية يقدم طريقا واعدا لدفع هذا التحول الى الامام. ومن الممكن انتاج غاز "الاصطناع" (syngas)، وهو خليط مكون أساسا من غاز اول أكسيد الكربون (CO) وغاز الهيدروجين (H2)، من الكتلة الحيوية عبر عملية التغويز (gasification). يمكن بعد ذلك استخدام عملية انتاج الميثان البيولوجية (biological methanation) كبديل محتمل للعمليات التحفيزية لإنتاج الغاز الحيوي من غاز "الاصطناع" المشتق من الكتلة الحيوية.

كان الهدف من هذا المشروع نمذجة ومحاكاة عملية تغويز الكتلة الحيوية في برنامج المحاكات Aspen Plus® مع التكيف لعلمية انتاج غاز الميثان بطريقة بيولوجية. استندت هذه الدراسة على مفاعل التغويز الدوّامي (cyclone gasifier) بقدرة 5 ميجاواط حرارية التابع لشركة Meva Energy والذي يعمل تحت ضغط 0.65 barg ودرجة حرارة ما بين 850 و1000 درجة مئوية. يتكون الغاز الناتج بشكل أساسي من النيتروجين (N2)، والهيدروجين (H2)، وأول أكسيد الكربون (CO)، وثاني أكسيد الكربون (CO2)، والميثان (CH4)، والهيدروكربونات الخفيفة غير العطرية (non-aromatic)، والقطران (tars).

انّ معظم الدراسات المنشورة حالياً حول نماذج المحاكاة التي تستخدم برنامج Aspen Plus® تسند على استخدام حسابات التوازن الكيميائي. لكنّ هذه الحسابات تتسم غالباً في المبالغة في تقدير مدى تفاعل الكربون وإهمال وجود القطران أثناء عملية التغويز. في هذه الدراسة تم تطوير نماذج تستند على التوازن الكيميائي وسرعة التفاعلات الكيميائية لعملية تغويز الكتلة الحيوية في المفاعل الدوّامي. بالإضافة إلى ذلك، تم تطوير نموذج لنظام تنظيف الغاز التابع لهذا المفاعل، ثم تم التحقق من صحة جميع النماذج باستخدام بيانات وقياسات حقيقية من المفاعل. تم أيضاً حساب قيمة حرارة الاحتراق الدنيا (lower heating value) للغاز الناتج وكفاءة العملية (cold gas efficiency) لجميع الحالات.

كانت درجة الحرارة المتوقعة في المفاعل أقل بكثير عند استخدام نموذج التوازن الكيميائي مقارنة بالبيانات الحقيقية. كما لوحظ انحراف كبير بين نموذج التوازن والقياسات الحقيقة بالنسبة لتركيزات غاز الهيدروجين (H2) والميثان (CH4) والهيدروكربونات الخفيفة غير العطرية. ومن ناحية أخرى، تم العثور على اتفاق جيد بين المحاكاة والبيانات التجريبية عند استخدام النموذج القائم على سرعة التفاعلات الكيميائية. عند التحقق من صحة نموذج تنظيف الغاز، أظهرت النتائج المتوقعة بعض التوافقات مع القياسات الحقيقية، ولكن لوحظ وجود تباينات كبيرة في تركيز بعض المكونات مثل الإندين (indene) والنفثالين (naphthalene).

بالنسبة لعملية انتاج الميثان البيولوجية، فإن الشرط الرئيسي هو استخدام غاز "الاصطناع" (syngas) خالٍ من غاز النيتروجين (N2). ولم يتم العثور على اي تأثير سلبي لغاز النيتروجين على عملية انتاج الميثان البيولوجية بذاتها، ولكن تكمن الإشكالية في ان عملية فصل غاز النيتروجين من المنتج تكون ذو تكلفة عالية. يمكن تحقيق هذا الشرط الرئيسي عن طريق استخدام مزيج من غاز الاكسجين (O2) وثاني أكسيد الكربون (CO2) بدلاً من الهواء خلال عملية التغويز. وعندما تم تغيير عملية التغويز لتناسب عملية انتاج الميثان البيولوجية، لوحظ انخفاض في درجة حرارة المفاعل مقارنة بعملية التغويز التقليدية. ويتسبب هذا التغيير في انخفاض كفاءة عملية التغويز وفي زيادة محتوى القطران في الغاز الناتج. لذلك يعد استخدام تركيز منخفض من غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في وسط التغويز (gasifying medium) أمرًا مرغوبًا فيه، ولكن هذا سيؤثر في كفاءة عملية فصل الجسيمات من الغاز الناتج بسبب انخفاض معدل التدفق الحجمي للغاز.

Abstract

With reduced resources of fossil fuels and increased environmental requirements, renewable substitutes have received greater attention. The production of renewable chemicals and fuels through biomass gasification presents a promising route to drive this energy transition. Synthe-sis gas (syngas), a mixture of mainly CO and H2, can be produced from biomass via gasifica-tion. Biological methanation, as a potential alternative to catalytic methanation, can then be used to produce biogas from biomass-derived syngas.

The aim of this work was to model the gasification process of biomass in the Aspen Plus® simulation software with an adaptation to the subsequent biological methanation of syngas. The study was based on Meva Energy’s 5-MWth cyclone gasifier, which operates at 0.65 barg and 850–1000 °C. The generated syngas consisted mainly of N2, H2, CO, CO2, CH4, light non-aromatic hydrocarbons, and tars.

As of today, most simulations in Aspen Plus® found in literature are based on equilibrium cal-culations. The main drawbacks of equilibrium-based models are the overestimation of char conversion and the neglect of tars and their reactions during gasification. In this study, equi-librium and kinetic models were developed for modeling biomass gasification in a cyclone gasifier. In addition, a third model was developed for the succeeding gas-cleaning system in the plant. All models were validated against experimental data. The lower heating value of produced gas and the cold gas efficiency of the process were calculated for all cases.

Predicted temperature in the gasifier was lower than experimental data when equilibrium was assumed. A large deviation was also observed between the equilibrium model and measure-ments with respect to concentrations of H2, CH4 and light non-aromatic hydrocarbons. On the other hand, a better agreement between simulation and experimental data was found when employing the kinetic-based model. When validating the gas-cleaning model, predicted values showed some agreement with measurements, but big errors were observed for some compo-nents, such as indene and naphthalene.

For the biological methanation process, the main requirement is a syngas free of N2. There is no negative effect of N2 on the biological methanation itself, however, the separation of N2 in the product can be associated with high costs. This requirement can be achieved by replacing air as the gasification medium with a mixture of O2 and recycled CO2 which has been separat-ed from the gas after the methanation. When gasification was adapted to biological methana-tion, a lower gasification temperature was observed compared to conventional air-blown gasi-fication at the same air–fuel equivalence ratio (lambda). This comes with a cost of lower cold gas efficiency and higher tar content in the syngas. Therefore, lower concentration of CO2 in the gasifying medium is desired, but particle separation will be affected as the gas volumetric flow rate decreases.

Abstract (Swedish)

Med minskade resurser av fossila bränslen och ökade miljökrav har förnybara ersättningar fått större uppmärksamhet. Produktionen av förnybara kemikalier och bränslen genom förgasning av biomassa är en lovande lösning för att driva denna energiomställning. Syntesgas (syngas), en blandning av främst CO och H2, kan framställas av biomassa via förgasning. Biologisk me-tanisering, som ett potentiellt alternativ till katalytisk metanisering, kan sedan användas för att framställa biogas från syngas som härrör från biomassa.

Syftet med detta arbete var att modellera förgasningsprocessen av biomassa i simulerings-mjukvaran Aspen Plus® med en anpassning till den efterföljande biologiska metaniseringen av syngas. Studien baserades på Meva Energys 5-MWth cyklonförgasare, som arbetar vid 0.65 bar övertryck och 850–1000 °C. Den producerade syngasen bestod huvudsakligen av N2, H2, CO, CO2, CH4, lätta icke-aromatiska kolväten samt tjäror.

Av de simuleringar i Aspen Plus® som finns publicerade i litteraturen idag, så är de flesta base-rade på jämviktsberäkningar. De främsta nackdelarna med jämviktsbaserade modeller är över-skattningen av kolomsättningen och försummelsen av tjäror och deras reaktioner under för-gasningen. I denna studie har jämvikts- och kinetiska modeller utvecklats för att modellera biomassaförgasning i en cyklonförgasare. Dessutom utvecklades en tredje modell för att simu-lera det efterföljande gasreningssystemet i anläggningen. Alla modeller validerades mot expe-rimentella data. Det effektiva värmevärdet för producerad gas och processens verkningsgrad beräknades för samtliga fall.

Den predikterade temperaturen i förgasaren var lägre än det uppmätta värdet när jämvikt an-togs. En avvikelse observerades också mellan jämviktsmodellen och mätningar med avseende på koncentrationer av H2, CH4 och lätta icke-aromatiska kolväten. Däremot uppnåddes en bra överensstämmelse mellan simuleringen och experimentella data när man använde den kine-tikbaserade modellen. Vid validering av gasreningsmodellen visade predikterade värden en god överensstämmelse med mätningar, men stora avvikelser observerades för vissa tjärkompo-nenter t.ex. indene och naftalen.

För den biologiska metaniseringen är huvudkravet en syngas fri från N2. Ingen negativ effekt av N2 finns på den biologiska metaniseringen i sig, dock kan separationen av N2 i produkten vara förknippad med höga kostnader. Detta krav kan uppnås genom att byta ut luft som för-gasningsmedium mot en blandning av O2 och recirkulerad CO2 som man har avskilt från gasen efter metaniseringen. När förgasningen anpassades till biologisk metanisering observerades en lägre förgasningstemperatur jämfört med konventionell luftblåst förgasning vid samma luft-bränsle-förhållande (lambdavärde). Detta kommer med en kostnad av en lägre verkningsgrad på processen och högre tjärhalt i syngasen. Därför är lägre koncentration av CO2 i förgas-ningsmediet önskvärt, däremot kommer partikelseparationen att påverkas när gasens volym-flöde minskar.

Popular Abstract (Swedish)

Är det möjligt att simulera omvandling av biomassa till ett förnybart bränsle på dator? Absolut!

Genom att låta biomassa reagera med luft kan man producera ett förnybart bränsle kallad syngas. Denna process modellerades och simulerades i ett datorprogram. Sedan har den anpassats till en efterföljande omvandling av syngas till biogas som kan användas till exempel inom transportsektorn.

Syngas är en blandning främst bestående av kolmonoxid och vätgas, som kan framställas via förgasning av biomassa. Förgasning är en process som sker vid underskott av luft, ett tryck på ca 1,66 bar och en medelhög temperatur på 850–1000 °C. Därefter kan denna syngas genomgå en process, kallad biologisk metanisering, för att producera förnybart biogas som då främst består av metan.

I detta arbete har man lyckats modellera och simulera förgasningen i ett simuleringsprogram på dator. Även reningsprocessen av denna gas har modellerats för att simulera processen. Resultaten av dessa modeller jämfördes med mätningar från den verkliga processen för att bekräfta dem.

Den nuvarande anläggningen har ingen datormodell som kan användas för att simulera processen och ge trovärdiga resultat. Därför har denna modell utvecklats inom denna studie för att lösa detta problem. Genom att använda modellen kan man undersöka hur gasen och reaktorn påverkas vid ändrade förhållanden. Detta sparar både tid och resurser då man inte behöver göra förändringar i den verkliga processen eller ha ett produktionsstopp.

Modellen kunde sedan användas för att initialt undersöka hur denna process behöver anpassas för att möta de krav som den biologiska metaniseringen ställer på syngasen. Resultaten av anpassningen till den biologiska metaniseringen tyder på att effektiviteten av processen kommer att sjunka och kontaminering i syngasen öka.

• author: Almashharawi, Abdallah
• supervisor: Ola Wallberg; Anders Wingren
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20212
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Biomass gasification, Cyclone gasifier, Aspen Plus, Syngas, Synthesis gas, Biogas, Biological methanation, Methane, CO2, RISE, Meva, Gas-cleaning, Gas cleaning, equilibrium, kinetic, pyrolysis, validation, Moisture content, Chemical engineering
• language: English
• id: 9072819
• date added to LUP: 2022-02-01 09:52:27
• date last changed: 2022-02-01 09:52:27