Bioenergi idag och i framtiden...

Transkript

1 Energi Sommarkurs för kemi- och fysiklärare Vasa Bioenergi idag och i framtiden... Mikko Hupa Åbo Akademi Turku, Finland

2 Förbränning av en träpartikel 800 C, luft

3 Fuel Particle Burning Stages H 2 O CO, CO 2, H 2 O Combustion of a solid fuel Solid fuel Air Drying C x H y O 2 CO, CO 2 O 2 Pyrolysis/ devolatilisation and gas combustion Char combustion Ash

4 Fray Bentos, Uruguay (Andritz)

5 Alholmens Kraft fluidicerad bädd panna 590 MW (545 C 165 bar) Torv, bark, REF, skogsavfall, sågspån, kol, olja Metso Power

6 Bubbling Fluidized Bed Boiler (Metso Power) E.ON UK Steven s Croft Power Station Lockerbie UK Steam Fuels 126 MW th 48 kg/s 137 bar 537 C Start-up 2007 Wood chips, sawdust, bark, recycled wood

7 Bioenergiteknologi Finlands styrkor Storskalig biomassaförbränning fluidicerade bäddar Svartlut sodapannor Dieselmotorer biobränslen Nya tekniker: förgasning, pyrolys...

8 FBC video

9 Fuel Solid Fuel Characteristics Typical Water content (Wt %) Heating Value (MJ/kg) Density (kg/m 3 ) Straw Straw + grains Grains Straw pellets Wood chips Saw dust Wood pellets Coal The energy specific volume of straw (vol/mj) is approx. 20 times coals!

10 Träbiomassan består av... Lignin Cellulosa Hemicellulosa

11 Bioenergialternativ Värme & el Förbränning Värme och el Syntesga s(co + H 2 ) Fischer-Tropsch Metanolsyntes Vattengasreaktion Kolväten - dieselolja Metanol, DME Väte Biomassa Pyrolys etc Bioolja Avlägsning av syre Zeolitiprocessering Flytand bränslen Fermentering Etanol Socker Lignin Dehydrering Vattenlösningsprocess er Ligniprocessering Aromatiska kolväten Flytande alkener, H 2 Eterifierad bensin

12 Termisk omvandling av biomassor Värme genom förbränning (ca 1000 C): C,H,O(biom.) + O2 CO2 + H2O + Q

13 Bioenergialternativ Värme & el Förbränning Värme och el Syntesga s(co + H 2 ) Fischer-Tropsch Metanolsyntes Vattengasreaktion Kolväten - dieselolja Metanol, DME Väte Biomassa Pyrolys etc Bioolja Avlägsning av syre Zeolitiprocessering Flytand bränslen Fermentering Etanol Socker Lignin Dehydrering Vattenlösningsprocess er Ligniprocessering Aromatiska kolväten Flytande alkener, H 2 Eterifierad bensin

14 Vad händer vid förgasningen? Water Flyktiga gaser tjäror H 2, CO Torkning Pyrolys Koksförgasning Biomassapartikel Torr partikel Koks Aska CO 2, H 2 O

15 Vad händer vid förgasningen? Produktgas/syntesgas Water Flyktiga gaser tjäror H 2, CO Torkning Pyrolys Koksförgasning Biomassapartikel Torr partikel Koks Aska CO 2, H 2 O

16 RETURN LEG Förgasning Fluidicerad bädd -reaktor REACTOR UNIFLOW CYCLONE 850 C GASIFICATION AIR FAN FUEL FEED 900 C AIR PREHEATER COOLING WATER HOT LOW CALORIFIC GAS ( C) BOTTOM ASH COOLING SCREW BOTTOM ASH Foster Wheeler

17 Product Gas for power boilers Vaskiluodon Voima Oy, City of Vaasa, Finland Substituting coal for biomass 140 MW th biomass gasifier Gasifier adjoined to an existing coal-fired boiler (560 MW th ) Gasification plant operational 12/2012 Instrumentation, electrification and automation Product gas Dried biomass Wet biomass Biomass receiving and pre-handling Large-scale belt dryer CFB gasifier 140 MW fuel Existing PC boiler

18 Bioenergialternativ Värme & el Förbränning Värme och el Syntesga s(co + H 2 ) Fischer-Tropsch Metanolsyntes Vattengasreaktion Kolväten - dieselolja Metanol, DME Väte Biomassa Pyrolys etc Bioolja Avlägsning av syre Zeolitiprocessering Flytand bränslen Fermentering Etanol Socker Lignin Dehydrering Vattenlösningsprocess er Ligniprocessering Aromatiska kolväten Flytande alkener, H 2 Eterifierad bensin

19 Termisk omvandling av biomassor Värme genom förbränning (ca 1000 C): C,H,O(biom.) + O2 CO2 + H2O + Q Biodiesel genom förgasning & syntes (ca 900 C): C,H,O(biom.) + H2O/O2 CO + H2

20 Termisk omvandling av biomassor Värme genom förbränning (ca 1000 C): C,H,O(biom.) + O2 CO2 + H2O + Q Biodiesel genom förgasning & syntes (ca 900 C): C,H,O(biom.) + H2O/O2 CO + H2 (2n+1) H2 + n CO CnH(2n+2) + n H2O

21 Biodiesel Production in Pulp Mill

22 Biomass Gasifier for Biodiesel Demo by Stora Enso Neste in Varkaus, Finland

23 Bioenergialternativ Värme & el Förbränning Värme och el Syntesga s(co + H 2 ) Fischer-Tropsch Metanolsyntes Vattengasreaktion Kolväten - dieselolja Metanol, DME Väte Biomassa Pyrolys etc Bioolja Avlägsning av syre Zeolitiprocessering Flytand bränslen Fermentering Etanol Socker Lignin Dehydrering Vattenlösningsprocess er Ligniprocessering Aromatiska kolväten Flytande alkener, H 2 Eterifierad bensin

24 Biomassans pyrolys Lätta gaser Biomassa Upphettning (inget syre) 400 C Gaser Kondensering Koks Pyrolysolja (Atte Aho et al. 2009)

25 Attes laboratoriepyrolysator 450 C 400 C -20 C

26

27 Product Distribution in Pyrolysis Oil Production yield [%] 100 Mass balance gas coke water non-catalytic H-Fer-20 Fe-H-Fer-20 H-Y-12 Fe-H-Y-12 H-Beta-25 Fe-H-Beta-25 oil char (Atte Aho et al. 2008)

28 Pyrolysolja Blanding av organiska vätskor och vatten Aldehyder, syror, alkohol, ketoner, fenoler Över 200 föreningar Sammansättning beror av råvaran Sur - ph 2,5 Förändras, åldras (viskositet!)

29

30

31 Bio-oil Carbohydrates, cellulose and hemicellulose Furans, cyclopentanones Open chain acids, aldehydes, ketones and alcohols Lignin Alkyl, methoxy, carbonyl and hydroxy substituted phenols C H 3 HO O 5-(hydroxymethyl)furan-2-carbaldehyde O 3-methylcyclopent-2-en-1-one HO O CH 3 O 1-hydroxypropan-2-one O H 3 C OH acetic acid HO O hydroxyacetaldehyde C H 3 O HO 4-hydroxy-3-methoxybenzaldehyde O

32 Träbiomassan består av... Lignin Cellulosa Hemicellulosa

33 Termisk omvandling av biomassor Värme genom förbränning (ca 1000 C): C,H,O(biom.) + O2 CO2 + H2O + Q Biodiesel genom förgasning & syntes (ca 900 C): C,H,O(biom.) + H2O/O2 CO + H2 (2n+1) H2 + n CO CnH(2n+2) + n H2O Bio-olja genom pyrolys ( C): C,H,O(biom.) + Q Tjäror, oljor, vatten + CO,CO2...

34

35 Utmanande biomassor Miscanthus (AUT) Reed (FIN) Wheat straw (DEN) Suger cane bagasse (THA)

36 Fuel analysis

37 Wire Mesh Grid Heater Electrically heated wire mesh in a reactor purged with N 2 Small and welldefined samples Close temperature control 2 x 2 mm J Werkelin, M Hupa, Retention of ash-forming matter after fast pyrolysis of small biomass Samples, in Impacts of Fuel Quality on Power Production & Environment, Saariselkä, Finland

38 New reactor design 2010 Double wire mesh improved heat transfer N 2 through the mesh remove pyrolysis gases Smaller sample sizes 50 mg 10 mg

39 Temperature History of the Wire Mesh Temp ( C) Set temperature Current temperature Time (s) Heating time Rate: 1000 K/s Holding time 1-4 sec. Cooling time Initially fast Residence time

40 Potassium Retention in Mesh Pyrolysis - Raw Data J Werkelin, M Hupa, Retention of ash-forming matter after fast pyrolysis of small biomass Samples, in Impacts of Fuel Quality on Power Production & Environment, Saariselkä, Finland

41 Retention of Biomass Potassium in Pyrolysis - Wire Mesh Tests (1000 K/s) Liq.conc.(μg/l) Retention (%) % Straw 850 C 1000 C 100% 80% 60% % 20% 0 0% Holding time at end temperature Time (s) (sec) J Werkelin, M Hupa, in Impacts of Fuel Quality on Power Production & Environment (2010)

42 Retention of Biomass Potassium in Pyrolysis - Wire Mesh Tests (1000 K/s) Liq.conc.(μg/l) Retention (%) % Straw 850 C 1000 C 100% 80% 60% 40% Liq.conc.(μg/l) Retention (%) % Bagasse 850 C 1000 C 100% 80% 60% 40% % % 0 0% Holding time at end temperature Time (s) (sec) Time (s) 0 0% Holding time at end temperature (sec) J Werkelin, M Hupa, in Impacts of Fuel Quality on Power Production & Environment (2010)

43 Retention of K (%) Retention of K (%) Retention of Potassium in Pyrolysis - Summary Primary release in 850 C Primary release in 1000 C 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Straw Reed Miscant. Bagasse Holding time (s) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Straw Reed Miscant. Bagasse Holding time (s) J Werkelin, M Hupa, in Impacts of Fuel Quality on Power Production & Environment (2010)

44 Fuel analysis

45

46 Bioenergialternativ Värme & el Förbränning Värme och el Syntesga s(co + H 2 ) Fischer-Tropsch Metanolsyntes Vattengasreaktion Kolväten - dieselolja Metanol, DME Väte Biomassa Pyrolys etc Bioolja Avlägsning av syre Zeolitiprocessering Flytand bränslen Fermentering Etanol Socker Lignin Dehydrering Vattenlösningsprocess er Ligniprocessering Aromatiska kolväten Flytande alkener, H 2 Eterifierad bensin

47 Bioenergy - Olika biomassor olika egenskaper olika potentiella processer - Stort antal alternativa tekniker - De flesta under utveckling få kommerciellt tillgängliga The Devil will be in the (chemical) details!