Kaasutuksen T&Kaktiviteetteja

Transkriptio

1 Kaasutusen T&Kativiteetteja Suomessa Jua Konttinen Kemian laitos / Uusiutuvan energian ohjelma

2 Taustaa Esitelmän sisältö Kaasutus-sovellusista CHP IGCC & Meesauuni Biopolttonesteiden valmistus T & K Koeellinen tutimus Mallinnus Yhteenveto

3 Kaasutus-tutimus Esitelmöitsijän taustaa Tampella Power Inc. and Enviropower Inc. o 15 MW th pilot plant testing of coal gasification and gas cleanup Successful demonstration of the regenerative sulfur removal process o 20 MW th pilot plant testing of woody biomass gasification and gas cleanup o Engineering wor for commercial-scale IGCC demonstration projects (USA: Clean Coal program, Finland: Summan voima ) Carbona Inc., ( as consultant) o 20 MW th pilot plant testing, result analysis and reporting of alfalfa gasification o Engineering wor for gasification plants (IGCC, Sive plant). Developing computer models and design tools Åbo Aademi University o research program called Perusaasu Developing a gasification reactor simulation tool called Carbon conversion predictor Estimating the fate of heavy metals in gasification and gas cleanup processes Fate of fuel nitrogen in combustion of product gas Carbona Inc. o UPM/Andritz/Carbona BTL-development project Gasification and gas cleanup engineering calculations Participation in the laboratory- and pilot-scale test run program in USA o Engineering calculations and data estimation for commercial gasification plants (Sive, lime iln gasification) o Participation in the board of the gasification R&D project for syngas production and cleanup, coordinated by VTT Professor at the University of Jyväsylä o Gasification reactivity GASIFREAC, , funded by Academy of Finland (partners VTT, ÅAU) o Modeling and pilot-scale testing of fixed-bed gasification, HighBio2, (partners Koola Chydenius-centre, Luleå Technical University) o Consultant (Carbona Oy, Gase Oy)

4 Bioenergian meritysestä osana UEtenologioita TW h Solar power W ind power Hydropower (<10 MW ) Hydropower (>10 MW ) Bioenergy Lähde: Rintala et al.: Arvio biomassan pitän aiavälin hyödyntämismahdollisuusista Suomessa, TEM 2007

5 Mitä aasutusessa tapahtuu? GASIFICATION PRODUCT GAS H 2 O (steam) H 2, CO, CH 4, C x H y, tars (gases) H 2, CO (gases) DRYING PYROLYSIS CHAR GASIFICATION Feedstoc particle Dry particle Char residue Residual ash Heat Heat Heat Osittaispoltto hapella tuo tarvittavan lämmön (= heat) H 2 O, CO 2

6 Mitä aasutusessa tapahtuu? Lähde: VTT

7 Kaasutus-CHP Tuotannossa seä raenteilla olevia laitosia Siven leijuerros-chp-laitos (Carbona) Puubiomassa, 12 MW auolämpöä, 6 MW sähöä Tietoa myös BtL-laitosten ehityseen Lahti Energian leijuerros-hybridilaitos 60 MW th aasutin ytettynä 360 MW th hiilipölyattilaan Polttoaineena jäte & biomassa Lahden 2 x 80 MW th jätteen aasutus äynnistymässä (Metso) Vasiluodon hybridilaitos raenteilla (Metso) 140 MW th aasutus, 560 MW th pölypoltto REPOTEC-laitos Gussingissä Itävallassa Puubiomassa, 8 MW th, sähöä n. 30 % 2 rinnaaista leijupetiä (H 2 O-aasutus ja osin poltto) Demonstroitu mm. bio-sng seä FT-diesel Toinen samanlainen CHP-laitos Oberwarthissa

8 Kaasutus-CHP Pien-CHP ehitteillä, ainain 5 yritystä, muaan luien: Entimos Oy CCM-Power Oy/Kempeleen eoylä-hane Gase Oy (150 W th aasutin, < 50 W th sähöntuotto) Ensimmäiset aupalliset demonstraatiot menossa 1. Fuel silo 4. Raw gas 7. Ash bin 10. Ignition gas 13. Cooler 2. Feeding screw 5. Water scrubber 8. AGCO SISU POWER 11. Flue gas 14. Heat exhanger 3. Reactor 6. Water tan 9. Generator 12. Flue gas heat exhanger

9 IGCC & Meesauuni Kivihiili- ja biomassa-igcc:n ehitys Misi IGCC-ehitys lopahti 90-luvun puolessavälissä? Halpa öljy ja maaaasu Huonot oemuset demolaitosista (Buggenum, USA:n Clean Coal -laitoset) Sellutehtaiden onservatiivisuus Energiayhtiöiden liietoiminnan uudistuminen Värnamon laitosella Ruotsissa ollut toimintaa viime vuosiin asti, tosin nyt jäissä POTENTIAALI EI OLE HÄVINNYT Meesauunin aasutin: Korvaa öljyä: muutamia laitosia (mm. 35 MW th Södra Cell, Ruotsi) Joutsenoon tulossa 48 MW th aasutin (Andritz)

10 Biopolttonesteet / Biojalostamo Suomessa Paper & pulp Process steam & power power plant Pulp and paper mill Energy to drying Gasification and gas treatment fuel gas + steam Wood, straw energy crops, peat, RDF Biomass handling and drying bar, forest residues, other biomass synthesis -gas steam & oxygen FT-synthesis & upgrading WoodDiesel Lähde: Thermochemical conversion of forest biomass (Chapter 8). Papermaing Science and Technology, Boo 20: Biorefining of Forest Resources. Paperi-insinöörit ry, 2011.

11 Biopolttonesteet / biojalostamo Stora Enso & Neste: NSE Biofuels Biomassan leijuerros- happiaasutus & FT-biodieselin valmistus Pilot aasutusajot tehty 12 MW th / 5 MW th laitosella Varaudessa Demolaitos joo Porvooseen tai Imatralle UPM-Kymmene & Andritz/Carbona Biomassan leijuerros-happiaasutus & FT-biodieselin valmistus Pilot-ajot tehty (5 MW th ) lähellä Chicagoa Yhdysvalloissa Demolaitos joo Strasbourgiin tai Raumalle VAPO/VapOil & Metsäliitto Biomassan leijuerros-happiaasutus & FT-biodieselin valmistus TURVE varapolttoaineena Demolaitos Kemiin CoBiGas aasutin (20 MW aasua) Göteborgiin (Metso)

12 Biopolttonesteet / biojalostamo Kaasutus-biodiesel-demolaitosista (3 pl) jätetty tuihaemuset EU:iin: Voimalaitosesta emian tehtaasi Taloudellisuuden taia laitosten oltava isoja ( ton/v.) Pien-CHP:n yhteydessä epärealistinen Koonaisinvestointi milj. euroa raaa-aineen saatavuus Kaasutuslaitosen & FT-laitosen integrointi Päätösiä odotettavissa vuoden loppupuolella KSML : EU-tuipotti NER-300 haneille uhaa jäädä alle olmanneseen (6 < 2 mrd. euroa) Ainain ysi hane per EU-jäsenmaa saa rahoitusta Talouselämä 39/2010: Globaalisti pieni rooli (fossiilisten öljytuotteiden rinnalla) ainain v asti

13 Kaasutusen T&K KOKEELLINEN TOIMINTA / PILOTOINTI / DEMONSTROINTI Biomassan aasutusta tutittu noin 30 vuotta (VTT, yrityset) Kaasuttimen toiminta haasteelliset polttoaineet (agro- ja puubiomassa, jätteet) Päästöt aasuttimesta (muodostumismeanismit) Korotettu paine, happiaasutus Kaasun puhdistus (poistoteniiat) Tervat (reformointiatalyytti) Rii- ja typpiyhdisteet (sorbentit, vaiheistettu poltto) Epäorgaaniset metallit, rasasmetallit (suodatus, sorbentit) Pölypäästöt (suodatus) Synteesiatalyytit: toiminta vaatii ultrapuhtaan aasun Kaupallisen laitosen toiminta, integrointi

14 MALLINNUS Kaasutusen T&K Biomassan polton puolella mallinnus perinteiästä (mm. TEKES-tenologiaohjelmat LIEKKI & CODE) Yritysillä omat luottamuselliset suunnittelumallinsa VTT: Aspen-mallitus aasuttimelle (yhteistyö US DOE ja Princetonin yliopisto) LUT: 3D-mallitus aasuttimelle (muana Foster Wheeler Energia) JY: Polttoaineen reatiivisuus aasuttimessa & hiilionversion preditorimalli Kiintopetiaasutin (HighBio2, partnerit OY, Centria) Leijuerrosaasutin (GASIFREAC, partnerit VTT ja ÅA)

15 The Model Frame Myöhänen & Hyppänen, Int. J. Chem. R. Eng. Vol. 9: A25 (2011)

16 Example Case Thermal capacity: 12 MWth Fuel: wood based biomass Sorbents: Sand and limestone Gasifier agent: steam and oxygen

17 Water Gas Reaction Rate [mol(co)/m3s] C + H2O -> CO + H2

18 vol-%, moist gas composition Profile of the Average Gas Composition ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Relative Height [-] H2O H2 CO2 CO CH4 O2

19 Equilibrium composition JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO Kaasutusen mallinnus, GASIFREAC, hiilionversiopreditori Feeds: Air Steam Fuels H 2 O O 2 N 2 Volatiles (C, H, O) ** CO CO 2 H 2 H 2 O FBG Carbon Conversion Char Fuel Samples Ultimate Analysis Proximate Analysis Char Reactivity (TGA) ** Pressure Temperature Bed Volume Kinetic Parameters for Char R C H O 2 1 1f 3 P 1f PH2O H2O 1b 3 P H2 R C CO2 1 1f 3 P 1f PCO2 CO2 1b 3 P CO (Konttinen et al., ICPS )

20 Instantaneous reaction rate, wt % /min 100 JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO Char after slow treatment Char after fast heat treatment (3 min) Char after fast heat treatment (1 min) Char conversion, % Average reactivity (1/s) = f(t, p tot,p H2O,p CO2,p CO,p H2 ) Correlations (wood, small d p ): R C CO2 L 1 1f 3 P 1f P CO2 CO2 1b 3 P CO R C H2O 1 Minimize: To find: N 2 R C R 01f, 01b, exp C mod el 03 j j E 1f,E 1b,E 3 by Levenberg-Marquardt method 1f 3 P 1f P H2O H2O 1b 3 P H2 Kinetic parameters for Char Carbon Reactivity (Konttinen et al., ICPS )

21 Carbon conversion (-) JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO Kaasutusen mallinnus, polttoaineen reatiivisuus (GASIFREAC) SRF Wood 850 C Wood Coal Wood 900 C Wood 950 C Wood 1000 C Coal 850 C Coal 900 C Coal 950 C Coal 1000 C SRF 850 C C M m Cbed Cf 0.1 SRF 1000 C C (g C/g C/s) (Konttinen et al., ICPS )

22 % of total element in gas log (pi) (bar) log(pi) JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO Kaasutusen mallinnus Rasasmetallit, termodynaaminen mallinnus (Konttinen J., Bacman R. et al. vuodesta 2002 ) Fuel feed Bed material feed Hg Sb Case A CFB tai B/CFB gasifier Air S Sn Cooling Bottom ash Cd Cl Pb Zn Ca(OH) 2 Filtering C Fly ash/ filter ash Temperature [ C] As Co K Cu Mn Cr Mo Na V Ti Coal fired boiler District heating/ CHP-plant Industrial boiler -10 Case B -12 Case A: Gasifier reactor Case B: Product gas cooling % Mn MnCl Temperature (C) 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % Temperature (C) Gas MnS_alabandite(s) MnO(s) Mn3Al2Si3O12_mnpyrop(s) H2 CH4 H2O CO CO2 H2S COS HCl NaCl KCl Temperature (C) Mallitustulosia voidaan vertailla mittausten anssa

23 Yhteenveto Kaasutuslaitoset CHP Nyyään jo aupallisesti toimivia laitosia (Lahti, Sive, ) Uusia raenteilla (Vasiluoto, Lahti) Pien-CHP-laitosia demonstroinnissa IGCC: potentiaali ei ole adonnut Biopolttonesteet / Biojalostamo Suomalainen rataisu leijuerros-happiaasutus & FT diesel 3 demo-tuihaemusta jätetty EU:lle Suomesta Päätösiä vuoden loppuun mennessä Tutimus Koeellista tutimusta & pilotointia tehty vuosiymmeniä Mallinnusta VTT, LUT, JY