Forgassing - Gasification

Gassifisering er en prosess som konverterer biomasse - eller fossilt brensel -baserte karbonholdige materialer i gasser, blant annet som de største fraksjoner: nitrogen (N2), karbonmonoksid (CO), hydrogen (H 2 ), og karbondioksyd ( CO
2
). Dette oppnås ved å reagere råmaterialet ved høye temperaturer (typisk> 700 ° C), uten forbrenning, ved å kontrollere mengden oksygen og/eller damp som er tilstede i reaksjonen. Den resulterende gassblandingen kalles syngas (fra syntesegass) eller produsentgass og er i seg selv et drivstoff på grunn av antennelighet av H2 og CO som gassen stort sett består av. Kraft kan hentes fra den påfølgende forbrenningen av den resulterende gassen, og anses å være en kilde til fornybar energi hvis de forgassede forbindelsene ble hentet fra biomasse.

En fordel med forgassing er at syntesegasser kan være mer effektive enn direkte forbrenning av det opprinnelige råmaterialet fordi det kan brennes ved høyere temperaturer, slik at den termodynamiske øvre grensen for effektiviteten definert av Carnots regel er høyere. Syngas kan også brukes som hydrogenskilde i brenselceller, men syngassen produsert av de fleste forgassingssystemer krever ytterligere behandling og reformering for å fjerne forurensninger og andre gasser som CO og CO
2
for å være egnet for bruk ved lav temperatur av brenselceller, men brenselceller med høyt oksid ved høy temperatur er i stand til å ta imot blandinger av H2, CO, CO direkte
2
, damp og metan.

Syngas brennes oftest direkte i gassmotorer , brukes til å produsere metanol og hydrogen, eller omdannes via Fischer - Tropsch -prosessen til syntetisk drivstoff . For noen materialer kan forgassing være et alternativ til deponering og forbrenning , noe som resulterer i reduserte utslipp av atmosfæriske forurensninger som metan og partikler . Noen forgassingsprosesser tar sikte på å raffinere ut etsende askeelementer som klorid og kalium , slik at det kan produseres ren gass fra ellers problematiske råmaterialer. Forgassing av fossilt brensel er for tiden mye brukt i industriell skala for å generere elektrisitet. Forgassing kan generere lavere mengder av noen forurensninger som SO x og NO
x
enn forbrenning.

Historie

Adler Diplomat 3 med gassgenerator (1941)

Energi har blitt produsert i industriell skala via forgassing siden begynnelsen av 1800 -tallet. Opprinnelig ble kull og torv gasset for å produsere bygass for belysning og matlaging, med den første offentlige gatebelysningen installert i Pall Mall, London 28. januar 1807, og spredte seg kort tid for å levere kommersiell gassbelysning til de fleste industrialiserte byer til slutten av 19. århundre da den ble erstattet med elektrisk belysning. Forgassing og syngas ble fortsatt brukt i masovner og mer betydelig i produksjonen av syntetiske kjemikalier der det har vært i bruk siden 1920 -tallet. Tusenvis av steder etterlot giftige rester. Noen nettsteder er utbedret, mens andre fortsatt er forurenset.

Under begge verdenskrigene , spesielt andre verdenskrig , dukket behovet for drivstoff igjen fra forgassingen opp igjen på grunn av mangel på petroleum. Tre gassgeneratorer , kalt Gasogene eller Gazogène, ble brukt til makten kjøretøyer i Europa . I 1945 var det lastebiler, busser og landbruksmaskiner som ble drevet av forgassing. Det anslås at det var nær 9 000 000 kjøretøyer som kjørte på produsentgass over hele verden.

Kjemiske reaksjoner

I en forgasser gjennomgår det karbonholdige materialet flere forskjellige prosesser:

Pyrolyse av karbonholdige drivstoff
Forgassing av røye
  1. Den dehydratisering eller tørkeprosessen forekommer ved omkring 100 ° C. Vanligvis blandes den resulterende dampen inn i gasstrømmen og kan være involvert i påfølgende kjemiske reaksjoner, spesielt vann-gassreaksjonen hvis temperaturen er tilstrekkelig høy (se trinn #5).
  2. Den pyrolyse (eller devolatilisering) prosess foregår ved omkring 200-300 ° C. Flyktige stoffer frigjøres og røye produseres, noe som resulterer i opptil 70% vekttap for kull. Prosessen er avhengig av egenskapene til det karbonholdige materialet og bestemmer strukturen og sammensetningen av røyen, som deretter vil gjennomgå forgassingsreaksjoner.
  3. Den forbrenningsprosessen finner sted som de flyktige produkter, og noen av trekullet reagere med oksygen for å danne primært karbondioksid og små mengder av karbonmonoksid, som tilveiebringer varme for de etterfølgende reaksjonene gassifisering. La C representere en karbonholdig organisk forbindelse , den grunnleggende reaksjonen her er
  4. Den gassifisering prosessen skjer som char reagerer med damp og karbondioksid for å produsere karbonmonoksid og hydrogen, via reaksjonene og
  5. I tillegg er de vendbare gassfase- vann-gass-skiftreaksjonen delene likevekt meget hurtig ved temperaturer i en forgasser. Dette balanserer konsentrasjonene av karbonmonoksid, damp, karbondioksid og hydrogen.

I hovedsak blir en begrenset mengde oksygen eller luft introdusert i reaktoren slik at noe av det organiske materialet kan "brennes" for å produsere karbondioksid og energi, noe som driver en andre reaksjon som omdanner ytterligere organisk materiale til hydrogen og ytterligere karbondioksid . Ytterligere reaksjoner oppstår når det dannede karbonmonoksyd og gjenværende vann fra det organiske materialet reagerer for å danne metan og overflødig karbondioksid ( ). Denne tredje reaksjonen skjer mer rikelig i reaktorer som øker oppholdstiden for de reaktive gassene og organiske materialer, samt varme og trykk. Katalysatorer brukes i mer sofistikerte reaktorer for å forbedre reaksjonshastighetene, og dermed flytte systemet nærmere reaksjonsbalansen for en fast oppholdstid.

Prosesser

Hovedtyper av forgassere

Flere typer forgassere er for øyeblikket tilgjengelig for kommersiell bruk: faststrømsseng , faststrømseng, faststrømsjikt , fluidisert seng , medbrakt strømning, plasma og frie radikaler.

Motstrøm fast seng ("opptrekk") forgasser

Et fast lag av karbonholdig brensel (f.eks. Kull eller biomasse) som "forgassingsmiddel" (damp, oksygen og/eller luft) strømmer gjennom i motstrømskonfigurasjon. Asken fjernes enten i tørr tilstand eller som et slagg . Slaggassgasserne har et lavere forhold mellom damp og karbon, og oppnår temperaturer høyere enn askesmeltingstemperaturen. Forgasserens beskaffenhet betyr at drivstoffet må ha høy mekanisk styrke og ideelt sett må være ikke-klumpete slik at det danner et gjennomtrengelig lag, selv om den siste utviklingen har redusert disse begrensningene til en viss grad. Gjennomstrømningen for denne typen forgassere er relativt lav. Termisk effektivitet er høy ettersom temperaturene i gassutgangen er relativt lave. Dette betyr imidlertid at produksjon av tjære og metan er betydelig ved typiske driftstemperaturer, så produktgass må rengjøres grundig før bruk. Tjæren kan resirkuleres til reaktoren.

Ved forgassing av fin, usensifisert biomasse, for eksempel risskall , er det nødvendig å blåse luft inn i reaktoren ved hjelp av en vifte. Dette skaper meget høy forgassningstemperatur, så høy som 1000 C. Over forgassingssonen dannes et lag med fin og varm røye, og når gassen blåses gjennom denne sengen, brytes de fleste komplekse hydrokarboner ned i enkle komponenter av hydrogen og karbonmonoksid.

Gassforsterker med fast strøm ("trekk ned")

Ligner på motstrømstypen, men forgassningsmidlet gass strømmer i samstrømskonfigurasjon med drivstoffet (nedover, derav navnet "nedtrekksgasser"). Varme må tilføres den øvre delen av sengen, enten ved å forbrenne små mengder drivstoff eller fra eksterne varmekilder. Den produserte gassen forlater forgasseren ved en høy temperatur, og det meste av denne varmen blir ofte overført til forgassingsmiddelet tilsatt i toppen av sengen, noe som resulterer i en energieffektivitet på nivå med motstrømstypen. Siden alle tjære må passere gjennom et varmt røyeseng i denne konfigurasjonen, er tjærenivåene mye lavere enn motstrømstypen.

Reaktor med fluidisert seng

Forgassingsanlegg for fluidisert seng under bygging i Amsterdam designet for å konvertere avfallsmaterialer til biodrivstoff. Driften forventes i 2023.

Drivstoffet blir fluidisert i oksygen og damp eller luft. Asken fjernes tørr eller som tunge agglomerater som defluiderer. Temperaturene er relativt lave i tørkegassgassere, så drivstoffet må være svært reaktivt; lavkvalitets kull er spesielt egnet. De agglomererende forgassere har litt høyere temperaturer, og er egnet for kull med høyere rangering. Drivstoffmengden er høyere enn for den faste sengen, men ikke så høy som for den medfølgende strømningsgassgasseren. Konverteringseffektiviteten kan være ganske lav på grunn av elutriering av karbonholdig materiale. Resirkuler eller etterfølgende forbrenning av faste stoffer kan brukes for å øke omdannelsen. Fluidiserte forgassere er mest nyttige for drivstoff som danner svært etsende aske som kan skade veggene til slaggassgassere. Biomassebrensel inneholder generelt høye nivåer av etsende aske.

Forgassere med fluidisert seng bruker inert sengemateriale i en fluidisert tilstand som forbedrer varme- og biomassedistribusjonen inne i en forgasser. Ved en fluidisert tilstand er den overfladiske væskehastigheten større enn den minimale fluidiseringshastigheten som kreves for å løfte sengematerialet mot sengens vekt. Fluidiserte forgassere er delt inn i Bubbling Fluidized Bed (BFB), Circulating Fluidized Bed (CFB) og Dual Fluidized Bed (DFB) forgassere.

Entrained flow gasifier

Et tørt pulverisert fast stoff, et atomisert flytende drivstoff eller en drivstoffoppslemming gasses med oksygen (mye sjeldnere: luft) i medstrøm. Forgassingsreaksjonene finner sted i en tett sky av veldig fine partikler. De fleste kull er egnet for denne typen forgassere på grunn av de høye driftstemperaturene og fordi kullpartiklene er godt skilt fra hverandre.

De høye temperaturene og trykket betyr også at en høyere gjennomstrømning kan oppnås, men termisk effektivitet er noe lavere ettersom gassen må avkjøles før den kan rengjøres med eksisterende teknologi. De høye temperaturene betyr også at tjære og metan ikke er tilstede i produktgassen; men oksygenbehovet er høyere enn for andre typer gassgassere. Alle medfølgende strømningsgassgassere fjerner hoveddelen av asken som slagg ettersom driftstemperaturen er godt over askesmeltingstemperaturen.

En mindre brøkdel av asken produseres enten som en veldig fin tørr flyveaske eller som en svartfarget flyveaskeoppslemming. Noen drivstoff, spesielt visse typer biomasser, kan danne slagg som er etsende for keramiske indre vegger som tjener til å beskytte forgasseren yttervegg. Noen inngassede flytgassarter har imidlertid ikke en keramisk indre vegg, men har en innvendig vann- eller dampkjølt vegg dekket med delvis størknet slagg. Disse typer forgassere lider ikke av etsende slagg.

Noen drivstoff har aske med meget høy askesmeltingstemperatur. I dette tilfellet blandes det meste kalkstein med drivstoffet før forgassingen. Tilsetning av litt kalkstein vil vanligvis være tilstrekkelig for å senke fusjonstemperaturene. Drivstoffpartiklene må være mye mindre enn for andre typer forgassere. Dette betyr at drivstoffet må pulveriseres, noe som krever noe mer energi enn for andre typer gassgass. Det desidert mest energiforbruket knyttet til forgassing av medbrakt strøm er ikke fresing av drivstoffet, men produksjonen av oksygen som brukes til forgassingen.

Plasma forgasser

I en plasmagassgasser mates en høyspenningsstrøm til en fakkel, noe som skaper en bue med høy temperatur. Den uorganiske resten hentes som et glasslignende stoff.

Råstoff

Det finnes et stort antall forskjellige råmaterialetyper for bruk i en forgasser, hver med forskjellige egenskaper, inkludert størrelse, form, bulkdensitet, fuktighetsinnhold, energiinnhold, kjemisk sammensetning, askesmeltingsegenskaper og homogenitet av alle disse egenskapene. Kull og petroleumskoks brukes som primære råvarer for mange store forgassingsanlegg over hele verden. I tillegg kan en rekke av biomasse og avfall-avledede råstoffer skal forgasses, med pellets og flis, treavfall, plast og aluminium, kommunalt avfall (MSW), avfallsutvunnet brensel (RDF), jordbruks- og industriavfall, kloakkslam , bytte gress, kastet frøkorn, maisstover og andre avlingsrester som alle brukes.

Chemrec har utviklet en prosess for forgassing av svartlut .

Avfallshåndtering

HTCW -reaktor, en av flere foreslåtte avfallsgassifiseringsprosesser.

Forgasning av avfall har flere fordeler i forhold til forbrenning:

  • Den nødvendige omfattende røykgassrengjøringen kan utføres på syngassen i stedet for det mye større volumet av røykgass etter forbrenning.
  • Elektrisk kraft kan genereres i motorer og gassturbiner , som er mye billigere og mer effektive enn dampsyklusen som brukes i forbrenning. Selv brenselceller kan potensielt brukes, men disse har ganske strenge krav til gassens renhet.
  • Kjemisk behandling ( gass ​​til væsker ) av syngassen kan produsere annet syntetisk drivstoff i stedet for elektrisitet.
  • Noen forgassingsprosesser behandler aske som inneholder tungmetaller ved svært høye temperaturer, slik at den frigjøres i en glassaktig og kjemisk stabil form.

En stor utfordring for avgassingsteknologier er å nå en akseptabel (positiv) brutto elektrisk effektivitet. Den høye effektiviteten ved å konvertere syngass til elektrisk kraft motvirkes av et betydelig strømforbruk i avfallsforbehandlingen, forbruket av store mengder rent oksygen (som ofte brukes som forgassingsmiddel) og gassrensing. En annen utfordring som blir tydelig ved implementering av prosessene i det virkelige liv, er å oppnå lange serviceintervaller på anleggene, slik at det ikke er nødvendig å stenge anlegget noen få måneder for rengjøring av reaktoren.

Miljøforkjempere har kalt forgassingen "forbrenning i forkledning" og hevder at teknologien fremdeles er farlig for luftkvalitet og folkehelse. "Siden 2003 har mange forslag til avfallsbehandlingsanlegg i håp om å bruke ... forgassingsteknologier ikke mottatt endelig godkjenning for å fungere når påstandene fra prosjektforkjemperne ikke tålet offentlig og statlig granskning av sentrale krav," ifølge Global Alliance for Incinerator Alternatives . Ett anlegg som opererte fra 2009–2011 i Ottawa hadde 29 "utslippshendelser" og 13 "utslipp" i løpet av de tre årene. Det var også bare i stand til å operere omtrent 25% av tiden.

Flere avfallsgassifiseringsprosesser har blitt foreslått, men få er ennå bygget og testet, og bare en håndfull er implementert som anlegg som behandler ekte avfall, og mesteparten av tiden i kombinasjon med fossilt brensel.

Ett anlegg (i Chiba , Japan som bruker Thermoselect -prosessen) har behandlet industriavfall med naturgass og renset oksygen siden år 2000, men har ennå ikke dokumentert positiv netto energiproduksjon fra prosessen.

I 2007 reiste Ze-gen et demonstrasjonsanlegg for avgassdannelse i New Bedford, Massachusetts . Anlegget ble designet for å demonstrere forgassing av spesifikke ikke-MSW avfallsstrømmer ved bruk av forgassing av flytende metall . Dette anlegget kom etter at utbredt offentlig opposisjon skrinlagt planer for et lignende anlegg i Attleboro, Massachusetts . I dag ser det ut til at Ze-gen er nedlagt, og selskapets nettsted ble tatt ned i 2014.

Også i USA ble et plasmasystem levert av PyroGenesis Canada Inc. i 2011 testet for å gassifisere kommunalt fast avfall, farlig avfall og biomedisinsk avfall ved Hurlburt Field Florida Special Operations Command Air Force base. Anlegget, som kostet 7,4 millioner dollar å bygge, ble stengt og solgt på en statlig likvidasjonsauksjon i mai 2013. Åpningsbudet var $ 25. Vinnerbudet ble forseglet.

Gjeldende applikasjoner

Syngas kan brukes til varmeproduksjon og til generering av mekanisk og elektrisk kraft. Som andre gassformige drivstoff gir produsentgass større kontroll over effektnivåer sammenlignet med fast brensel, noe som fører til mer effektiv og renere drift.

Syngas kan også brukes til videre behandling til flytende drivstoff eller kjemikalier.

Varme

Gassgivere tilbyr et fleksibelt alternativ for termiske applikasjoner, ettersom de kan ettermonteres i eksisterende gassdrevne enheter som ovner , ovner , kjeler , etc., hvor syngass kan erstatte fossilt brensel. Oppvarmingsverdiene til syngas er vanligvis rundt 4–10 MJ/m 3 .

Elektrisitet

Foreløpig brukes forgassing i industriell skala hovedsakelig til å produsere elektrisitet fra fossile brensler som kull, hvor syngassen brennes i en gasturbin. Forgassning brukes også industrielt til produksjon av elektrisitet, ammoniakk og flytende drivstoff (olje) ved bruk av Integrated Gasification Combined Cycles ( IGCC ), med mulighet for å produsere metan og hydrogen til brenselceller. IGCC er også en mer effektiv metode for CO 2 -fangst sammenlignet med konvensjonell teknologi. IGCC demonstrasjonsanlegg har vært i drift siden begynnelsen av 1970 -tallet, og noen av anleggene som ble bygget på 1990 -tallet går nå i kommersiell tjeneste.

Kombinert varme og kraft

I små bedrifter og bygningsapplikasjoner, der trekilden er bærekraftig, er det installert 250–1000 kWe og nye forgassingsanlegg for null karbonbiomasse i Europa som produserer tjærefrie syngasser fra tre og brenner det i stempelmotorer koblet til en generator med varmegjenvinning . Denne typen anlegg blir ofte referert til som en trebiomasse CHP -enhet, men er et anlegg med syv forskjellige prosesser: biomassebehandling, drivstofflevering, forgassing, gassrensing, avfallshåndtering, elektrisitetsproduksjon og varmegjenvinning.

Transportdrivstoff

Dieselmotorer kan drives på dual fuel -modus ved hjelp av produsentgass. Dieselsubstitusjon på over 80% ved høye belastninger og 70–80% under normale lastvariasjoner kan lett oppnås. Gnist tenningsmotorer og brenselceller med fast oksid kan operere på 100% forgassingsgass. Mekanisk energi fra motorene kan brukes til f.eks. Kjøring av vannpumper for vanning eller til kopling med en generator for elektrisk kraftproduksjon.

Selv om forgassere i liten skala har eksistert i godt over 100 år, har det vært få kilder for å få tak i en maskin som er klar til bruk. Små enheter er vanligvis DIY -prosjekter. Imidlertid, for tiden i USA, tilbyr flere selskaper forgassere for å drive små motorer.

Fornybar energi og drivstoff

Forgassingsanlegg Güssing, Østerrike (2001-2015)

I prinsippet kan forgassingen gå fra omtrent alt organisk materiale, inkludert biomasse og plastavfall . Det resulterende syngaset kan brennes. Alternativt, hvis syngassen er ren nok, kan den brukes til kraftproduksjon i bensinmotorer, gasturbiner eller til og med brenselceller, eller omdannes effektivt til dimetyleter (DME) ved metanol dehydrering, metan via Sabatier-reaksjonen eller diesellignende syntetisk drivstoff via Fischer – Tropsch -prosessen . I mange forgassingsprosesser beholdes de fleste av de uorganiske komponentene i inngangsmaterialet, for eksempel metaller og mineraler, i asken. I noen forgassingsprosesser (slaggingsgassifisering) har denne asken form av et glassaktig faststoff med lave utvaskingsegenskaper , men nettokraftproduksjonen ved slaggegassifisering er lav (noen ganger negativ) og kostnadene er høyere.

Uavhengig av den endelige drivstoffformen, avgir selve forgassingen og påfølgende behandling verken klimagasser som karbondioksid direkte eller fanger den . Strømforbruket i forgassings- og syngassomdanningsprosessene kan imidlertid være betydelig og indirekte forårsake CO 2 -utslipp; ved slagging og plasmagassgjøring kan strømforbruket til og med overstige enhver kraftproduksjon fra syngassen.

Forbrenning av syntetiske gasser eller avledet drivstoff avgir nøyaktig samme mengde karbondioksid som ville ha blitt avgitt ved direkte forbrenning av det opprinnelige drivstoffet. Forgassing og forbrenning av biomasse kan spille en vesentlig rolle i en økonomi for fornybar energi, fordi produksjon av biomasse fjerner den samme mengden CO 2 fra atmosfæren som kommer fra forgassing og forbrenning. Mens andre biodrivstoffteknologier som biogass og biodiesel er karbonnøytrale , kan forgassing i prinsippet kjøre på et større utvalg av innsatsmaterialer og kan brukes til å produsere et bredere utvalg av drivstoff.

Det er for tiden noen få forgassingsanlegg for biomasse i industriell skala. Siden 2008 i Svenljunga, Sverige, genererer et forgassingsanlegg for biomasse opptil 14 MW th , som gir industrien og innbyggerne i Svenljunga henholdsvis prosessdamp og fjernvarme . Gassgasseren bruker biomassebrensel som CCA eller kreosotimpregnert avfallstræ og andre typer resirkulert tre for å produsere syngass som forbrennes på stedet. I 2011 en lignende gasifier, med de samme typer brensel, blir installert på Munkfors Energi 's CHP anlegget. Kraftvarmeanlegget vil generere 2 MW e (elektrisitet) og 8 MW th ( fjernvarme ).

Eksempler på demonstrasjonsprosjekter inkluderer:

  • 32 MW forgassingen med dobbel fluidisert seng av GoBiGas -prosjektet i Göteborg , Sverige, produserte rundt 20 MW substituert naturgass fra skogrester og førte den inn i naturgassnettet siden desember 2014. Anlegget ble permanent stengt på grunn av tekniske og økonomiske problemer i april 2018. Göteborg Energi hadde investert 175 millioner euro i anlegget, og intensive forsøk på å selge anlegget til nye investorer hadde mislyktes i et år.
  • De av Renewable Energy Network Østerrike, inkludert en plante ved hjelp av dual fluidisert seng gassifisering som har levert byen Güssing med 2 MW elektrisitet, produsert utnytte GE Jenbacher stempelgassmotorer og fire MW varme, generert fra flis, siden 2001. Anlegget ble tatt ut av drift i 2015.
  • Go Green Gas 'pilotanlegg i Swindon, Storbritannia har demonstrert metanproduksjon fra avfallsstoffer på 50 kW. Prosjektet har bedt om bygging av et kommersielt anlegg på 25 millioner pund som har som mål å generere 22 GWh per år naturgass av nettkvalitet fra avfall og avfall avledet drivstoff, som skal stå ferdig i 2018.
  • Chemrecs pilotanlegg i Piteå som produserte 3 MW rene syntetiske gasser fra inngasset forgassing av svartlut. Anlegget ble stengt permanent på grunn av økonomiske problemer i 2016
  • High Temperature Winkler (HTW), en gassifiseringsprosess med sirkulerende fluidisert seng. I løpet av 1990-årene ble HTW testet med en rekke forskjellige råvarer, inkludert lavrangerte kull og forskjellige former for biomasse; treverk, avfallsmateriale (RDF) og kommunalt fast avfall (MSW). Det siste HTW-anlegget stengte permanent i 2002. Siden 2015 fortsetter tester av prosessen på en 0,1 t/t pilotenhet ved Darmstadt University, mens en redesignet fullskalaenhet er under oppføring i Amsterdam

Se også

Referanser

Eksterne linker