Förgasning. Termisk Energiteknik Dr Mikael Höök, universitetslektor Global Energy Systems, Uppsala University

Transkript

1 Förgasning Termisk Energiteknik Dr Mikael Höök, universitetslektor Global Energy Systems, Uppsala University

2 Vad är förgasning? En process som omvandlar fasta/flytande kolhaltiga ämnen (kol, olja, biomassa med mera) till gasformiga ämnen, främst kolmonoxid och vätgas Dessa gaser kallas syntesgaser och kan användas för en rad kemiska processer men även för kraftproduktion

3 Två huvudtyper Förgasning kan ske via två mekanismer Pyrolys (torr-/destruktiv destillation) Vanligare och oftast mest praktisk Partiell förbränning Förekommer frekvent men ger aningen sämre gaskvalité

4 Pyrolys Fast organiskt materialet upphettas i en atmosfär som innehåller inget eller obetydligt med syre Flyktiga ämnen (främst olika kolväten) avgår då utan att oxideras (förbrännas). Detta sker vid ca 500 C Om temperaturen ökas till ca 900 C förgasas även det fasta kolet, och större delen av bränslets energiinnehåll finns då i gasform

5 Partiell förbränning Åstadkoms genom att begränsade mängder vattenånga och luft tillförs glödande kol i en särskild ugn (ofta kallad reaktor) En resulterande gasblandning med vätgas, koloxid, koldioxid och kvävgas uppstår Kvävgasen kommer från den tillförda luften och kan undvikas om man i stället tillför rent syre Partiell förbränning kan också ske utan tillsats av vattenånga, varvid endast koloxid bildas

6 Grundläggande kemi Två huvudsakliga reaktioner: Förbränningsprocess med volatila ämnen Förgasning av fasta ämnen

7 Stödreaktion Koldioxid skapas ibland som en biprodukt och kan transformeras med följande reaktion beroende på om den är önskad eller oönskad Water-gas shift (WGS):

8 Syntesgas Den resulterande blandningen av CO och H2 som kommer från en förgasningsanläggning kallas syntesgas Förkortas ibland till syngas Syngas = CO & H2-rik gas från förgasning

9 Gengas Generatorgas (gengas) uppkommer från partiell förbränning och är nära släkt med syntesgas Gengas består huvudsakligen av koloxid, koldioxid och kvävgas med lite vätgas Endast kolmonoxiden och vätgasen är brännbar

10 Förgasningshistorik Förgasning utvecklades på 1800-talet som ett sätt att producera stadsgas för uppvärmning och belysning Använder extensivt för att producera syntetiska bränslen och kemikalier från 1900-talet och framåt Förgasningsteknik har dock förekommit tidigare men då som ett sätt att uppgradera fasta bränslen som i fallet med träkol

11 Träkol Vanlig ved är för oren och innehåller mycket föroreningar som skapade problem Energiinnehållet är också lågt och via pyrolys/partiell förbränning kan ett bättre fastbränsle skapas De gasformiga delarna vädrades dock bort Kolmila i Småland

12 Kolare och kolmilor Träkol bildas genom pyrolys vid låg temperatur De kemiska reaktionerna driver ut vattnet och en hel del föroreningar Träkolet som uppstår har högre energihåll Gaserna vädrades bort, medan resulterande vätskor kunde säljas som tjära

13 Träkol tappar betydelse I takt med att världens energiefterfrågan växte blev det opraktiskt med träkol Stenkol visade sig även ha högre energiinnehåll och vara mer fördelaktigt Förgasningstekniken skiftade då mot högtempererade regimer i takt med att stadsgas efterfrågades i högre utsträckning

14 Stadsgas Det visade sig bli opraktiskt med hantering av fasta bränslen i växande städer Gasformiga bränslen kunde enklare distribueras via gasledningar och gjorde att stadsgas blev attraktivt En gaseldad lykta tänds i Sverige av en vaktmästare i Sverige år 1953 Användes till både belysning och uppvärmning

15 Förgasning i större skala Under 1800-talets senare hälft börjar en efterfrågan på gasformiga bränslen växa fram Gasgeneratorer baserade på partiell förbränning användes för att ge bättre bränslen i ugnar Gasverk baserade på pyrolys började samtidigt dyka upp för att omvandla fasta bränslen till helt gasformiga motsvarigheter Gengas- och syngasindustrier blommade upp

16 Stadsgasens frammarsch Stadsgas var en viktig del av städers energiförsörjning under början av den industriella revolutionen Gaseldade gatlyktor var vanliga och förekom bland annat i Uppsala innan elektrifieringen

17 Stadens gasverk Arbetare gör stadsgas via förgasning av stenkol. Bilden är från omrking 1880, Lancashire, UK

18 Stadsgasens era falnar Utvecklingen av glödlampan och elektrifieringen gör att efterfrågan på stadsgas minskar Samtidigt börjar ren naturgas också framträda som ett mer ekonomiskt attraktivt alternativ Dock får kemisk industri upp ögonen allt mer för förgasningsteknik som ett sätt öka effektiviteten på de kemiska processerna

19 Första Världskrigets eftersvall Tyska strateger identifierade bristande tillgång på viktiga råvaror och bränslen som en viktig del till det tyska nederlaget i Första Världskriget Man prioriterade därmed nya kemiska processer som kunde omvandla inhemska tyska bränslen till nödvändiga kemikalier och råvaror Förgasningsteknik fick därmed ett stort uppsving och kom även att integreras med produktion av syntetiska drivmedel (mer om detta senare)

20 Gengasaggregat Gengasaggregat var en frekvent använd teknik för att lösa bristen på bensin och diesel under världskrigen Detta är en form av förgasning av trä till en brännbar gas som kunde användas i förbränningmotorer av diesel- och Ottotyp Lyfts ibland fram som en framtida lösning för peak oil

21 Gengasdrift Förekom i olika varianter via partiell förbränning Dock var det farligt på grund av associerad kolmonoxid

22 En gengasbil använder runt 3-5 kg ved för att ersätta en liten bensin Gengasdrift

23 Hur fungerar då en förgasare?

24 Grundläggande design Alla typer av kolrika bränslen kan reagera med luft och/eller vattenånga och bli förgasade De grundläggande kemiska reaktionerna vi sett gäller alltid I praktiken kan reaktionerna göras på olika sätt där alla har sina fördelar och nackdelar

25 Termisk verkningsgrad Definieras som energiinnehållet i gasen jämfört med ingående bränslets energiinnehåll Ligger normalt mellan 40-90% beroende på design och feedstock Förgasningsreaktioner är i regel svagt exoterma (genererar överskottsvärme) men matas ändå ibland med extern värme av processtekniska skäl

26 Uppströmsförgasare Fixerad bädd med kolrikt material Luft och/eller vattenånga blåses in underifrån Injicerade gaser reagerar på vägen uppåt och bildar syntesgas Slagg och aska lämnas kvar på bädden för bortforsling Hög termisk verkningsgrad men stort behov av att rena syngasen från föroreningar

27 Schema för uppströmstypen 1: Bränsleinmatning 2: Fixerad bädd 3: Luft/ånginjektor 4: Utgående syntesgas Källa: Nexterra Inc

28 Sasols kända förgasare Förenklad skiss över Sasols kolförgasare som används i deras syntetiska bränslefabrik

29 Nedströmsförgasare Påminner om uppströmsmodellen men är ungefär dess invers Luft/ånga injiceras ovanifrån och reagerar på vägen ned genom bränslen Syntesgasen plockas ut under bädden Aningen lägre termisk verkningsgrad, men renare syntesgas på grund av mindre mängd tjära

30 Schema för nedströmstypen

31 Fluidbäddsförgasare Bränslet fluidiserad och hålls svävande på en bädd av syre och vattenånga God konverteringsgrad redan vid låga temperaturer Användbar för bränslen med hög andel korrosiv aska och slagg

32 Schema över en fluidbädd

33 Pulverflödesförgasare (Eng. entrained flow gasifiers) Använder torrt, pulveriserat bränsle Reaktionerna sker i ett tjockt moln av väldigt fina partiklar Lägre effektivitet, men väldigt ren syntesgas och liten andel aska Kan dessvärre inte använda alla typer av bränslen, utan bara pulveriserbara bränslen

34 Schema för pulverflödesförgasare Ofta används ren syrgas istället för luft och/eller ånga Designen påminner om pulveriserad kolförbränning (PCC) Askan kommer ut i form av flygaska som fångas upp med vatten till en black water slurry

35 Simulerade pulverflöden

36 Förgasning och feedstocks Allt från biomassa och sopor till råolja, petroleumkoks, kol, oljeskiffer och tjärsand kan förgasas Att matcha rätt förgasningsteknik till sitt bränsle/feedstock är mycket viktigt Vissa bränslen passar inte med vissa teknologier på grund av askhalt, plasticitet eller andra egenskaper

37 Några bränsleproblem Biomassa ger ofta högkorrosiv aska på grund av hög vattenhalt och närvaro av föroreningar Kakning och plasticiteten hos vissa koltyper ger problem när bränslet kan klumpa ihop sig och orsaka stopp i rör och ledningar Hög askhalt (>20%) i vissa bränslen kräver förgasarteknik som kan hantera och avlägsna stora mängder slag/aska på ett enkelt sätt

38 Några riktiga förgasare Installation av förgasare för tjärsandsprocessering, Fort Long Lake, Kanada

39 Sasol-Chevron Förgasningssteg för syntetbränsleproduktion

40 Kolförgasningsverk Vissa länder, som Kina och Sydafrika, har stora mängder kolförgasare och en kemisk industri uppbyggd kring syntesgas från inhemskt kol USA och Europa har istället valt naturgas som grund för kemisk industri

41 Industriell förgasning Syntesgas är en grundläggande ingrediens i en lång rad kemiska processer och industriella reaktioner Däribland Sabatier- och Fischer-Tropsch-syntes, Gasturbinsförbränning Haber-Bosch processen Polymerkedjereaktioner Med mera

42 Syntesgasens möjligheter

43 Syntetisk naturgas Tillverkas från syntesgas via Sabatier-processen (hydrogenation) CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O Använder nickel, aluminium eller rutenium som katalysator Upptäcktes av Paul Sabatier (1912) och belönades med Nobelpriset i kemi

44 Kosmetika och tillsatser Hydrogenationssteg vid Kokura Synthetic Industries, Japan

45 Vätgasproduktion Förgasningsteknik kan användas för att generera vätgas Kolmonoxiden skiftas via WGS-reaktionen till koldioxid för att öka utbytet av vätgas från förgasaren Ångreformering av naturgas är dock vanligast (>90% av global vätgasproduktion) på grund av lägst pris CH 4 + H 2 O CO + 3 H 2

46 Förgasning & raffinering Förgasning av fasta kolväten ger vätgas som är nödvändigt vid modern raffinering av råolja Vätgasen kan användas för hydrocracking som innebär att väte används för att splittra långa kolvätekedjor till kortare för att öka produktionen av diesel- och bensinfaktionerna Crackeranläggningar som uppgraderar de tyngre delarna av oljan är vanliga i raffinaderier

47 Hydrocracking av råolja Asfalt, petroleumkoks och andra tunga delar av råoljan kan förgasas för att ge CO2 och H2 Vätgasen användes för att bryta upp andra tunga delar till kortare kolvätekedjor som är mer eftertraktade Detta kan öka andelen diesel och bensin påtagligt!

48 Installation av en hydrocracker

49 Hydrocrackers Hydrocrackers vid ett av SaudiAramcos raffinaderier, Saudi-Arabien

50 Metanolproduktion Metanol utvinns från syntesgas via följande reaktion CO + 2 H 2 CH 3 OH Metanolet kan därefter användas i otaliga andra reaktioner Bränsle, lösningsmedel, gelelektrofores, raketbränsle, bränsleceller med mera

51 Metanolindustrier Metanol är en viktig baskemikalie för många industrier Idag görs metanol främst från ångreformerad naturgas på grund av lågt pris Flertalet förnybar energiprojekt försöker skapa metanol via förgasad biomassa istället

52 MOBIL-processen Metanol kan omvandlas till bensin via den kommersiellt beprövade MOBIL-processen Först görs metanolen om till di-methyl-eter (DME) som dehydreras ytterligare i närvaro av en zeolitkatalysator för att få fram prima bensin Processen utvecklades av MOBIL i början av 1970-talet som ett sätt att producera syntetisk motorbensin från förgasning

53 Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) Bygger på att förgasa bränslet först istället för att bränna det i en vanlig Rankine-krets Resulterande syntesgas bränns I en gasturbin, där spillvärmen senare driver en ångturbin Hög effektivitet kan nås (~45-56%) Kraftigt minskade utsläpp (95-99% mindre NOx/SOx samt goda förutsättningar för CCS) då syntesgas är enkelt att rena jämfört med rökgaser

54 IGCC

55 Haber-Bosc-processen Källan till världens produktion av konstgödsel och ammoniak Utvecklades för att generera baskemikalier via förgasat kol Numera används främst naturgas, men förgasning är förekommande

56 Ammoniak Över 83% av all ammoniak som produceras används som konstgödsel, antagligen i rå form eller som ammoniaksalter Över 1% av världens totala energikonsumtion används för att ge ammoniak via HB-metoden Nästan alla inorganiska kväveföreningar (exempelvis salpetersyra, sprängämnen, kosttillskott och rengöringsmedel) kommer från ammoniak

57 Syntetiska bränslen Idag kommer >95% av all energi som används inom transportsektorn från petroleumprodukter För att minska beroendet av olja och oljeimport har det föreslagits att man ska satsa på syntetiska drivmedel Dessa bygger ofta på förgasningsteknik i olika varianter

58 Pyrolys igen Som vi tidigare vet kan alla kol-haltiga ämnen förgasas via pyrolys med begränsad syretillgång Den största andelen blir fast bränsle, med mindre andelar gas och tjärliknande vätska Den maximala vätskeandelen från pyrolys är omkring 20%

59 Pyrolysvätskor Har producerat tjära i historien samt används fortfarande för detta Dessvärre har de resulterande vätskorna låg kvalité och behöver omfattande uppgradering och raffinering för att bli riktiga motorbränslen

60 Nya bränslekrav I takt med att förbränningsmotorer blev bättre ställdes det högre specifikationskrav på sammansättning och renhet hos flytande bränslen Bensin kedjelängd 5-8 Flygbränsle / jet fuel Kedjelängd: 8-12 Diesel kedjelängd: 12-15

61 Nya förvätskningsmetoder Kemister arbetade då hårt med att skräddarsy nya tekniker som kunde bygga upp kolvätekedjor av godtycklig längd Moderna förvätskningsmetoder uppkom under början på 1900-talet i Tyskland Framför allt kom det att handla om direkta eller indirekta förvätskningsmetoder

62 Bergius-processen År 1913 patenterade Friedrich Bergius en metod att producera syntetiska bränslen via hydrocracking av kol Han belönades med Nobelpriset I kemi år 1931 Idag kallas detta Bergius-processen eller Direct Coal Liquefaction (DCL) nc + ( n + 1) H 2 C H n 2n+ 2

63 Direkt kolförvätskning (DCL) Pulveriserad kol torkas i en ström av heta gaser blandat med återvunnen tung olja från processen Blandningen injiceras i en högtrycksreaktor med C Katalysatorer och väte från ett förgasningssteg injiceras, vilket spjälkar upp långa kolvätekedjor till kortare och flytande kedjor Kvarvarande trögflytande delar återvinns och återinjiceras i processens tidigare steg

64 DCL flödesschema

65 DCL-egenskaper Hög andel vätska, över 70 vikt% Hög termisk verkningsgrad, ~60-70% Genererar dock en syntetisk råolja Den syntetiska råoljan kan ersätta vanlig råolja i konventionella raffinaderier eller raffineras direkt på DCL-anläggningen till dugliga motorbränslen

66 Fischer-Tropsch syntes Professor Franz Fischer och Dr Hans Tropsch utvecklade en ny metod för att syntetisera bränslen på 1920-talet Den var baserad på förgasning till syntesgas och därefter en kontrollerad tillväxt av kolvätekedjor av önskad längd

67 Fischer-Tropsch-processen Baserad på följande reaktion: n nco C n H ( 2 + 1) 2 + 2n+ 2 Kolmonoxid och vätgas från förgasning a kolrika ämnen Katalysatorer understödjer tillväxten till önskad längd på kolvätekedjan Kallas Indirect Coal Liquefaction (ICL) H

68 ICL-egenskaper Nära anknuten till förgasning Skapar färdigraffinerade produkter som går att använda direkt i motorer Oerhört ren och svavelfri Lägre energieffektivitet än DCL, men detta kompenseras av avsaknaden på ytterligare raffinering

69 Historik & syntetdrivmedel Ruinerna av ett DCL-verk från Andra Världskriget Tyskarna producerade över 60% av sitt diesel och 90% av sitt flygbränsle från kolbaserade syntetiska drivmedel

70 Allierade bombräder mot tyska DCL/ICL-anläggningar

71 Kommersiella synfuels Beroende på låga oljepris har av bara syntetiska drivmedel används i länder utsatta för oljeembargo eller -blockad Ett stort antal test-, demonstration- och proof of concept -anläggningar har byggts men ytterst få har nått en kommersiell drift Det finns bara en kommersiell producent av syntetiska drivmedel i världen i dagsläget

72 Sasol Världens enda kommersiella syntetbränsle har producerats av bolaget Sasol i Sydafrika Under apartheid-regimen utsattes Sydafrika för ett oljeembargo av omvärlden Regeringen satsade då på att skapa ett bolag som producerade flytande drivmedel från landets stora koltillgångar Sasol föddes och har idag funnits i över 60 år

73 Sasols Secundaanläggning Secunda-anläggningen är bland världens största kemiska anläggningar

74 Secunda-anläggningen Producerar mellan tusen fat per dag i flytande drivmedel

75 Sasols produktion Över 40 miljoner ton kol förgasas och omvandlas till drivmedel via FT-syntes varje år Omkring 30% av det sydafrikanska bränslebehovet täcks av Sasols produktion Med ett break-evenpris på 50$/fat är Sasol i dagsläget väldigt lukrativ Sasol exporterar teknik och know-how till flertalet andra projekt världen över

76 Konverteringsfaktorer Kolförvätskning ger teoretiskt mellan 1-3 fat/ton kol, där 1-2 fat/ton är vad som nåtts i praktiken Att ersätta världens oljeproduktion på ~85 miljoner fat/dag är föga genomförbart om man inte kan öka världens kolproduktion radikalt Syntetbränslen fungerar rent tekniskt men är både dyrt och opraktiskt i verkligheten och något som endast är genomförbart i mindre skala

77 Syntetbränslen i global skala Källa: Höök & Aleklett (2010) A review on coal to liquid fuels and its coal consumption. International Journal of Energy Research, Volume 34, Issue 10, Pages

78 Sammanfattning Förgasning är en mycket flexibel teknik som kan omvandla alla kolrika bränslen till en lång rad olika produkter Det är en gammal teknik som fallit i glömska på grund av låga gas- och oljepriser Dock får förgasning mycket ny uppmärksamhet just på grund av sin flexibilitet och möjlighet att nå höga verkningsgrader, speciellt IGCC

79 Tack för uppmärksamheten!