Kaasutuksen tervat ja tervojen pesu. VTT Seminaari: Puuhakkeesta sähköä ja lämpöä Pekka Simell, VTT

Transkriptio

1 Kaasutuksen tervat ja tervojen pesu VTT Seminaari: Puuhakkeesta sähköä ja lämpöä Pekka Simell, VTT

2 2 Kaasun epäpuhtauksien aiheuttamat ongelmat TERVA härmistyy pinnoille ja tukkii aiheuttaa PAH päästöjä AMMONIAKKI kertyy moottoriöljyyn aiheuttaa NOx päästöjä SUODATIN PESURI MOOTTORI imuputket välijäähdytin MOOTTORI voitelu

3 3 Mitä terva on? Perinteinen valmistusmenetelmä on tervanpoltto = puun kuivatislaus, hidas pyrolyysi Pinnoite Monikäyttöinen aine: jos sauna, viina ja terva eivät auta, tauti on kuolemaksi Pentti Vesterinen tervanpolttohommissa 1800-luvun loppupuolella 3

4 Mitä on terva? - biomassa turve - hiili Ei tarkkaa määritelmää Useita eri tapoja jaotella tervoja, esim. muodostumislämpötilan mukaan: TERVA lukemattomien orgaanisten yhdisteiden seos neste huoneenlämmössä Korkean ämpötilan terva > 750 C Myötävirta- ja leijukerroskaasuttimet Matalan lämpötilan terva < 750 C Vastavirtakaasutin, pyrolyysiöljyt, hautaterva

5 5 Matalalämpötilaterva: muodostumislämpötila < 750 C Vastavirtakaasutin, pyrolyysiöljyt, hautaterva Primääriset pyrolyysituotteet pääkomponenetteina Koostumukseen vaikuttaa polttoaine erittäin paljon, esim. puusta muodostuu runsaasti fenoleja

6 6 Korkealämpötilaterva: muodostumislämpötila > 750 C Myötävirta- ja leijukerroskaasuttimet Muodostunut ensisijaisten pyrolyysituotteiden toisioreaktioissa, C2 välituotteet tärkeässä roolissa Yleisimmät yhdisteet: bentseeni, tolueeni, naftaleeni, fenantreeni

7 7 Myötävirtakaasutin Tervat krakkautuvat > 1000 C lämpötilassa Hyvin toimivan kaasuttimen tervapitoisuus erittäin pieni, < 200 mg/m 3 n

8 8 Component Gas pipe Temp. Benzene bp. 80 C Light tar Compounds, 1 ring bp C Naphthalene, 2 -ring bp. 218 C Light PAH Compounds, 2 3 rings Bp C Heavy PAH Compounds, 3 or more rings Bp. > 300 C Benzene Pyridine H-Pyrrole Toluene Ethenylbenzene m-xylene Ethynylbenzene Styrene o-xylene Benzaldehyde Phenol Benzonitrile Methylstyrene Indene o-cresol p-cresol m-cresol Naphthalene Quinoline Isoquinoline H-Indole Methylnaphthalene Methylnaphthalene Biphenyl Ethylnaphthalene Acenaphtylene Acenaphthene Dibenzofurane Bibenzyl Methyl-1-Naphthol Fluorene Phenanthere Anthracene H-Cyclopenta(def)Phenantherene Fluoranthene Benz(e)acenaphthylene Pyrene

9 9 plugging of piping fouling of equipment 9

10 10 Veden faasidiagrammi HÄRMISTYMINEN

11 Vapour pressure of tar compounds liquid Pressure (Pa) solid vapour Triple point naphthalene solid naphthalene liquid anthracene liquid Temperature ( C)

12 12 Yksittäisten komponenttien ja seosten (50:50) höyrynpaineet 0,2 0,18 0,16 Höyrynpaine (Pa) 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 Fluorene-Perylene Pyrene-Perylene Fluorene Pyrene Perylene 0, Lämpötila ( C)

13 13 Tervan kastepistelaskenta 13

14 KAASUTUSKAASUN EPÄPUHTAUDET kaasussa aina runsaasti polttoaineesta peräisin olevia epäpuhtauksia hiukkaset (tuhkaa ja kaasuuntumatonta hiiltä), alkali- ja raskasmetallit, tervat, N-yhdisteet, S-yhdisteet, HCl kaasu puhdistettava ennen jatkokäyttöä (lukuunottamatta suoraa polttoa lämpölaitossovelluksissa) kaasun puhdistus keskeisin haaste sovellettaessa kaasutusta vaativissa kohteissa (moottori, turbiini, polttokenno, synteesit)

15 15 Kaasun puhdistus tervoista Ensisijaisesti kannattavinta on minimoida tervojen syntyminen jo kaasutuksessa Tervat voidaan kuitenkin erottaa/eliminoida eri menetelmillä Erottamalla: Pesemällä Adsorboimalla (aktiivihiili) Eliminoimalla: Krakkaamalla korkeassa lämpötilassa Reformoimalla katalyyttien avulla

16 16 Pesuritekniikoita Pakattu kolonni Venturi Spray

17 17 Tervapitoisuus 1 1,5 g/m 3 n Martezon myötävirtakaasutusprosessi Pesuri erotuskyky Tervat 0 % PAH 0 % Kiintoaines 14 % Tervapitoisuus n. 1 g/m 3 n Sahanpurusuodin erotyskyky Tervat 14 % PAH 67 % Kiintoaines 50 %

18 18 Tutkimus VTT on tutkinut: Eri liuosten soveltuvuutta kaasutuskaasun pesuun Biodiesel, kasviöljyt, diesel, vesi Prosessiolosuhteiden vaikutusta pesuun Prosessin rajoitteita Tutkimusta on tehty laboratoriossa ja kaasuttimilla Tulokset ovat olleet rohkaisevia Öljyillä saadaan erotettua tehokkaasti raskaat tervat Kevyet tervat vaativat matalan lämpötilan tai puhtaan pesuliuoksen Diplomityö 2013: Ville Nikkanen, Gasification gas purification and tar separation with oil scrubbers

19 19 Absorbenttien vertailu Diesel Biodiesel Vegetable oils Water Price Tar separation Polar impurities Ecology Low evaporation Narrow boiling point range Stability Regeneration Utilization (energy) Disposal Viscosity Surface tension

20 20 Bench scale tar scrubber at VTT Bench scale packed bed scrubber Gas flow: 20 dm3/min, 200 C Liquid (RME) flow: ml/min Liquid/gas ratio: 4 7 kg liquid/1 kg gas Operation temp: C

21 21 Tervan kertyminen RME-pesuliuokseen 2800 Pitoisuus mg dm Raskaat tervat kertyvät hyvin kevyet eivät Benzene Anthracene Fluoranthene Acenaphtylene Phenanthrene Kesto / Tunti

22 22 Tervapitoisuudet kaasussa ilman pesuria ja pesurin kanssa Naftaleenia ei erotu merkittävästi muutaman tunnin jälkeen Anthracene Fluorene Fluoranthene Phenanthrene Anthracene Fluorene Fluoranthene Phenanthrene Naphthalene Ei-Pesuria Pesuri Raskaat tervat saadaan erotettua helposti Ei-Pesuria Pesuri

23 23 Güssing biomass CHP plant Source: TU Vienna, Austria

24 OLGA tar scrubbing process Developed by ECN (OLie GAswasser) Based on organic tar solvent Operates above water dew point Two scrubbing columns: liquid tar in the Collector (COL) and gaseous tar absorption in the Absorber (ABS) Scrubbing liquid from the Absorber with the dissolved tars is regenerated at high temperature in the Stripper (STR) Liquid tars in the collector are separated from the scrubbing liquid and returned to the gasifier Wet electrostatic precipitator (W-ESP) not necessary when hot gas filter is applied upstream of the OLGA Source:

25 25 Gasification CHP Plant, Denmark As result of Carbona s domestic and international R&D cooperation 6 MW POWER 12 MW DISTRICT HEAT BIOMASS GASIFIER TAR REFORMER SKIVE PROCESS DIAGRAM GAS FILTER GAS SCRUBBER 2 BOILERS TO STACK FLY ASH 2x10 MWth DISTRICT HEATING 12 MWth WATER AIR/STEAM GAS BUFFER TANK POWER 3x2 MWe BFB GASIFIER BOTTOM ASH GAS COOLERS 3 GAS ENGINES WOOD PELLETS FLARE 2 GAS BOILERS 3 GAS ENGINES 3 GAS ENGINES

26 26 Yhteenveto Öljyt ovat tehokkaita erottamaan raskaita tervoja Matala lämpötila parantaa erotustulosta Lisää kuitenkin tervojen kiteytymistä liuokseen Sopiva lämpötila on veden kastepisteen yläpuolella, jos vesi halutaan pitää höyrynä ja välttää kondenssiveden muodostuminen Prosessin kannalta kaikkein hankalimmat komponentit ovat kaikkein helpoin erottaa Katalyyttinen reformointi erittäin tehokas menetelmä raskaimpien tervojen hajotukseen

27 27 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa