Kaasutustekniikat Aalto yliopisto, Energiantuotanto ja - käyttö teollisuudessa 17.3.2016 Ilkka Hiltunen Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy 17/03/2016 1
Luennon sisältö Yleistä - kaasutuksen perusteet Kaasutusreaktorityypit Kaasutuskaasun epäpuhtaudet ja puhdistus Kaasutuksen sovellukset Leijukerroskaasutus Kaasutustekniikan tutkimus- ja kehitystoiminta 2
Kaasutus Ympäristömyönteisin ja tehokkain tekniikka synteesikaasun valmistamiseksi vähäarvoisista lähtöaineista, kuten biomassasta, kierrätysmateriaaleista, kivihiilestä, öljystä Synteesikaasu voidaan käyttää maakaasun tavoin energian ja/tai kemikaalien tuotannossa Lähde: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology 17/03/2016 3
Kaasutus Hiilipitoisen kiinteän tai nestemäisen materiaalin muuntaminen polttokelpoiseksi tai synteesikaasuksi Terminen konversioprosessi (ei ns. biokaasu) ali-ilmapoltto Kaasun pääkomponentit H 2, CO, CO 2, CH 4, H 2 O, N 2 Tyypillinen kaasun lämpöarvo: 4-12 MJ/m 3 n, kun metaanilla n. 35 MJ/m 3 n Kaasu voidaan hyödyntää energian (sähkö, lämpö) tai peruskemikaalien (metanoli, FT-nesteet) tuotannossa 17/03/2016 4
Kaasutus Kiinteän tai nestemäisen materiaalin muuntaminen synteesikaasuksi TUOTEKAASU LISÄAINEET C+O 2 CO 2 2C+O 2 2CO C+H 2 O H 2 +CO etc. 850-1000 C CO, H 2 CH 4, CO 2 H 2 O, N 2 C x H y ILMA/HÖYRY POLTTOAINE VTT TUHKA 5
Suomalainen puukaasuautoilu, 2000-luku Vesa Mikkonen, Äänekoski Buick Le Sabre STW, -83 iskutilavuus 5,0 l, teho bens. 145 hv kaasutin: oma design polttoainetilavuus 130 kg turvetta ajomatka/tankkaus n. 300 km pa-kustannus n. 10 p/km Osmo Yli-Kärkelä, Kihniö Suomen Ekoautoilijat ry 6
Kivihiilestä synteettisiä polttoaineita, Etelä-Afrikka 7
Kaasutustekniikka - erilaiset lopputuotteet Öljy Kivihiili Biomassa Jätteet Laaja polttoainevalikoima KAASUTUS 800 1400 C O 2 I L M A H Ö Y R Y K a a s u n p u h d i s t u s SYNTEESIKAASU (CO + H 2 ) POLTTOKAASU Biodiesel Methanoli, DME Bensiini, lentopetroli Vety Synteettinen metaani Kemikaalit Kaasuturbiinit Moottorit Prosessiuunit Kattilat Polttokennot Korkealaatuiset lopputuotteet 17/03/2016 8
Polttoaineominaisuudet kaasutuksessa Kaasutusta varten tarvitaan tietoa myös siitä, kuinka nopeasti polttoaine kaasuuntuu eli polttoaineen reaktiivisuus (palaminen on kaasuuntumiseen verrattuna riittävän nopeaa) Tuhkan sulaminen on erilaista kaasutuksessa polttoon verrattuna 100 % Kosteus 75 % Kosteus Haihtuvat aineet polttoaineen alkuainekoostumus taseita, päästöjä, tuhkan laatua yms. varten 50 % 25 % Lämpöarvo (energiasisältö) Kiinteä hiili / jäännöshiili / koksi 0 % Tuhka Tuhkapitoisuus Biomassa polttoaineena 17/03/2016 9
Kaasutus - perusilmiö Polttoaine syötetään reaktoriin Vesi (kosteus) ja haihtuvat aineet vapautuvat (pyrolyysi) heti syötön jälkeen Jäljelle jäävän koksin (jäännöshiili) reagointi on hitaampaa kuin ylläolevat ilmiöt Reaktiot ovat biomassakohtaisia H 2 O Haihtuvat Polttoaine 20 C 100 C 600 C 850 C Jäännöskoksi Jäännös- Tuhka 17/03/2016 10
Reaktiivisuus ja tuhkan käyttäytyminen Mitä on reaktiivisuus? Reaktiivisuus kertoo kuinka reaktiivista polttoaine on kuinka nopeasti polttoaine muuntuu kaasuksi eli kaasuuntuu (100% :n hiilikonversion saavuttaminen) Suurin osa polttoaineen massasta muuttuu kaasuksi kun haihtuvat aineet vapautuu Haihtuvien aineiden jälkeen jäävä koksi tai jäännöshiili reagoi kaasuksi paljon hitaammin Kivihiilen kaasutuksessa syntyy enemmän koksia ja koksin kaasutusreaktioiden merkitys on suurempi Reaktiivisuuteen kaasutuksessa vaikuttaa Lämpötila Paine kokonais- ja osapaine Tuotekaasun koostumus Hiilikonversioon vaikuttaa myös pirstoutuminen, jolloin hiiltä karkaa 17/03/2016 11
Kaasutuksen pääreaktiot Hiilen kaasutusreaktiot T > 700 C sitoo lämpöä C + H2O CO + H2 136 kj/mol = 11.3 MJ/kg C C + CO2 2CO 170 kj/mol = 14.2 MJ/kg C (C + 2H2 CH4) Reaktiivisuus kontrolloi lopullista hiilikonversiota Kaasufaasireaktio (vesikaasu-, WGS) tuottaa lämpöä (vähän): CO + H2O H2 + CO2 34 kj/mol = 2.8 MJ/kg C Palaminen tuottaa lämpöä C + O2 CO2 395 kj/mol = 32.9 MJ/kg C Hapetusreaktiot ovat nopeampia ja O 2 kuluu nopeasti kaasuttimessa 17/03/2016 12
Biomassojen kaasutuskäyttäytyminen on erilaista Biomassa on reaktiivista eikä tuhka sula Helppoa kaasutettavaa yleensä pohjoiset metsäbiomassat Biomassa ei ole kovin reaktiivista ja tuhkassa esiintyy sulamisen merkkejä Haasteellinen kaasutettava (mm. olki) Reaktiivista biomassaa ja tuhka sulaa Kaasutuslämpötilaa alennettava Energiapuu, monet agrobiomassat 17/03/2016 13
Kaasutukseen vaikuttavia tekijöitä reaktiivisuus ja tuhkan käyttäytyminen - yhteisvaikutus Leijukerrosreaktori Tuotekaasu 700-1000 C vetyä häkää tervoja metaania CO 2, H 2 O, N 2 Polttoaine Ilma (H 2 O) 17/03/2016 14
Esimerkki tuotekaasun koostumuksesta VTT:n leijukerroskaasuttimien tyypillisiä koostumuksia: 15-20 % kostea puu, kaasutuslämpötila 850-900 C KAASUN KOOSTUMUS, til-% Ilmakaasutus Happi/ höyrykaasutus CO 13 20 H 2 11 24 CO 2 12 19 N 2 45,7 0,8 CH 4 4 8 C 2 -hiilivedyt 0,2 0,1 NH 3 0,1 0,1 H 2 O 14 28 15
Kysymys Onko biokaasun valmistus ja biomassan kaasutus sama asia? 17/03/2016 16
Kaasutusreaktorityypit 17
Kaasutusreaktorit pieneen kokoluokkaan VASTAVIRTA (updraft fixed bed) teho < 10 MWth polttoaineen palakoko 10-100 mm kostea polttoaine < 50 p-% kaasun lämpötila < 300 C tervainen kaasu, > 100 g/m3n Lurgi, Bioneer KUIVUMINEN POLTTOAINE KAASU Yksinkertainen rakenne Varmatoiminen Hapettunut tuhka, ei hiilihäviöitä Suhteellisen laaja polttoainepohja PYROLYYSI PELKISTYMINEN HAPETTUMINEN ILMA+ vesihöyry 18
Kaasutusreaktiot POLTTOAINE KUIVUMINEN: polttoaine H 2 O + kuiva polttoaine PYROLYYSI: pa tervat + kaasut + hiili KAASU KAASUTUS: C + H 2 O(g) CO + H 2 H 1000 = +135.9 kj/mol C + 2H 2 O(g) CO 2 + H 2 H 1000 = +101.1 kj/mol C + H 2 O(g) ½CH 4 + ½CO 2 H 1000 = +5.8 kj/mol C + CO 2 2CO H 1000 = +167.7 kj/mol CO + H 2 O(g) CO 2 + H 2 H 1000 = -32.2 kj/mol HAPETTUMINEN: C + O 2 CO 2 H 1000 = -395.2 kj/mol ILMA thermoneutral reaction for carbon: 1.34C + 0.34O 2 + H 2 O(g) 0.34CO 2 + CO + H 2 => min. ratio O 2 /C = 0.25 19
Vastavirtakaasutin BIONEER Kehitetty 80-luvulla, 10 laitosta Kattiloille ja uuneille, 5 MW Tervapitoinen kaasu Korkea hiilikonversio Robusti, joustava, täysin automatisoitu Polttoainesiilo Tuhka Kuuma kaasu Kaukolämpö-sähkö Kaasukattila 5 MW kaukolämpölaitos, Jalasjärvi, käytössä vuodesta 1987 lähtien 20
Kaasutusreaktorit pieneen kokoluokkaan Myötävirtakaasutin (downdraft fixed bed) teho < 2 MWth polttoaineen palakoko 10-100 mm kuiva polttoaine < 25 p-% kaasun lämpötila < 800 C puhdas kaasu ainakin pilkkeestä lukumääräisesti yleisin, häkäpönttö Useimmiten vapaasti hengittävät moottorit ja alle 200 kwe KUIVUMINEN PYROLYYSI HAPETTUMINEN POLTTOAINE ILMA Useita kehityshankkeita käynnissä Suomessa ja EU-alueella: - Itävalta, Saksa, Sveitsi, Pohjois-Irlanti,Tanska - Volter ja Gasek Suomessa - häkäpönttöautoilijat ja alan harrastajat PELKISTYMINEN TUOTE- KAASU 21
Suomalainen puukaasuautoilu, 2000-luku Vesa Mikkonen, Äänekoski Buick Le Sabre STW, -83 iskutilavuus 5,0 l, teho bens. 145 hv kaasutin: oma design polttoainetilavuus 130 kg turvetta ajomatka/tankkaus n. 300 km pa-kustannus n. 10 p/km Osmo Yli-Kärkelä, Kihniö Suomen Ekoautoilijat ry 22
Kaasutusreaktorit suureen kokoluokkaan LEIJUKERROS (fluidized bed) Ilmanpaineinen tai paineistettu ilma/happikaasutus tai höyrykaasutus epäsuoralla lämmityksellä (kaksoisleijut) teho > 20 MWth polttoaineen palakoko <10-50 mm kaasun lämpötila 800-900 C tasainen lämpötilajakauma KAASU KIERTOLEIJU (CFB circulating fluidized bed) leijutusnopeus 5-10 m/s teho/poikkipinta-ala suurempi reaktiiviset polttoaineet POLTTOAINE ILMA KERROSLEIJU (BFB bubbling fluidized bed) leijutusnopeus 1-3 m/s pitkä viiveaika TUHKA Toimittajia: Amec Foster Wheeler, Andritz, Valmet, ThyssenKruppUhde, Outotec 23
Biomassan kaasutus - kivihiilivoimala Lahti Kymijärvi I Biomassa 350 GWh/a -15 % pa:n sisäänsyötöstä 360 MW 540 C/170 bar Käsittely 60 MW Kaasutin pohjatuhka Kivihiili Maakaasu Pulverisoitu kivihiililiekki 1850 GWh/a -80 % 100 GWh/a -5 % Lentotuhka Power * 600 GWh/a Kaukolämpö * 1000 GWh/a Puhtailla biopolttoaineilla ei kaasun puhdistusta käytettävyys > 97 % alhainen investointi puusta CHP-sähköä hyvällä hyötysuhteella puuteho 40-100 MW Source: Kivelä M, Lahti Energia, 2002 17/03/2016 24
Kaasutusreaktorit suureen kokoluokkaan PÖLYVIRTAUS (entrained flow) teho > 100 MWth polttoaineen palakoko <0.1-1 mm kivihiili, happikaasutus kaasutuslämpötila 1300-1500 C kaasutuspaine yleensä > 20 bar Tuhka sulaa ja poistetaan vesijäähdytyksen kautta Synteesikaasu kemian teollisuuteen ja suuret kombivoimalaitokset (IGCC) GE (Texaco), Shell, Prenflo, E-GAS, Siemens POLTTOAINE HAPPI & HÖYRY KAASU Biomassan käyttö haasteellista, jauhaminen ja syöttö vaikeaa Mustalipeän kaasutus, Chemrec, Ruotsi Torrefioidun biomassan käyttö Pyrolyysiöljyn kaasutus TUHKASULA 25
Kaasutusreaktorit VASTAVIRTA (updraft fixed bed) teho < 10 MWth polttoaineen palakoko 10-100 mm kostea polttoaine < 50 p-% kaasun lämpötila < 300 C tervainen kaasu, > 100 g/m3n MYÖTÄVIRTA (downdraft fixed bed) teho < 2 MWth polttoaineen palakoko 10-100 mm kuiva polttoaine < 25 p-% kaasun lämpötila < 800 C puhdas kaasu ainakin pilkkeestä LEIJUKERROS (fluidised bed) teho > 20 MWth polttoaineen palakoko <10-50 mm kaasun lämpötila 800-900 C tasainen lämpötilajakauma PÖLYVIRTAUS (entrained flow) teho > 100 MWth polttoaineen palakoko <0.1 mm kivihiili, happikaasutus Kaasutuslämpötila 1300-1700 C kaasutuspaine yleensä > 20 bar 26
Kaasutustekniikat KAASUTUS- MENETELMÄ ILMA HAPPI EPÄSUORA, höyry + happi/kiertomassa KAASUN LÄMPÖARVO KOKOLUOKKA POLTTOAINE 3-7 MJ/m3n 7-15 MJ/m3n 7-15 MJ/m3n pieni - keskisuuri suuri, keskisuuri - suuri, < 100 MW th > 100 MW th > 50 MW th reaktiiviset: biomassat, kierrätyspolttoaineet kivihiili, pohjaöljyt biomassat SOVELLUKSET CHP synteesikaasut, sähkö, (CHP) synteesikaasut 27
Kaasutustekniikoiden jaottelu jätteiden kaasutus kattilakäyttöön esimerkkinä suomalainen prosessivaihtoehto Kivihiili-IGCC Biomassa-moottori Kivihiili-GFBCC(FW) PAINEIS- TETTU LEIJU- KERROS REF-kaasutus+kattila OSITTAIS- KAASUTUS KIINTEÄ- KERROS EPÄSUORA MÄRKÄ- PESU PAINEIS- TAMATON KOKONAIS- KAASUTUS PÖLY- KAASUTUS MUUT TYYPIT HAPPI- KAASUTUS ILMA- KAASUTUS KUUMA PUHDISTUS Kaasuttimen paineistus Kaasutusaste Reaktorityyppi Lämmön tuontitapa Kaasun puhdistus 28
Kaasutustekniikoiden jaottelu biomassa - moottorivoimalaitos Kivihiili-IGCC Biomassa-moottori Kivihiili-GFBCC(FW) PAINEIS- TETTU LEIJU- KERROS REF-kaasutus+kattila OSITTAIS- KAASUTUS KIINTEÄ- KERROS EPÄSUORA MÄRKÄ- PESU PAINEIS- TAMATON KOKONAIS- KAASUTUS MUUT TYYPIT PÖLY- KAASUTUS HAPPI- KAASUTUS ILMA- KAASUTUS KUUMA PUHDISTUS Kaasuttimen paineistus Kaasutusaste Reaktorityyppi Lämmön tuontitapa Kaasun puhdistus 29
Kysymys Mihin sovelluksiin myötävirtakaasutinta käytetään? Entä paineistettu pölykaasutus hapella ja höyryllä? 17/03/2016 30
Kaasutuskaasun epäpuhtaudet ja kaasun puhdistus 31
Kaasutuskaasun epäpuhtaudet Kaasussa on aina runsaasti polttoaineesta peräisin olevia epäpuhtauksia Hiukkaset (tuhkaa ja kaasuuntumatonta hiiltä), Alkali- ja raskasmetallit, Tervat N-yhdisteet, S-yhdisteet, HCl Kaasu puhdistettava ennen jatkokäyttöä (lukuun ottamatta suoraa polttoa lämpölaitossovelluksissa) Kaasun puhdistuksen on keskeisin haaste sovellettaessa kaasutusta vaativissa kohteissa (moottori, turbiini, polttokenno, synteesit) 17/03/2016 32
Kaasutuskaasun puhdistus - vaatimukset eri sovelluksiin KAASUTIN Kaasun puhtauden vaatimus riippuu käytettävästä sovelluksesta Kattiloissa ja teollisuuden uuneissa ei puhdistustarvetta puhtailla biomassoilla suodatus jätteillä Sähköntuotannossa moottori ja kaasuturbiini kriittiset komponentit Synteesisovelluksissa epäpuhtaudet poistettava ppb-tasolle LÄMPÖ LÄMPÖ JA SÄHKÖ SYNTEESIT 17/03/2016 33
Mitä terva on? BIOMASSA TURVE etc. KAASUTUS VTT TERVA lukemattomien orgaanisten yhdisteiden seos neste huoneenlämmössä Ei tarkkaa määritelmää Tyypillinen biomassan kaasutuksen ongelma tervat muodostuvat biomassan haihtuvista aineista Koostumus riippuu lämpötilasta: Korkean lämpötilan terva > 750 C Muodostunut ensisijaisten pyrolyysituotteiden toisioreaktioissa, C2 välituotteet tärkeässä roolissa Leijupeti-, myötävirtakaasutin Yleisimmät yhdisteet: bentseeni, tolueeni, naftaleeni, fenantreeni Alhaisen lämpötilan terva < 750 C Primaariset pyrolyysituotteet Koostumus riippuu polttoaineesta, puu: runsaasti fenoleja Vastavirtakaasutin 34
Kaasutuskaasun epäpuhtaudet Likaantuminen Putkiston tukkeuma Naftaleenin muodostus Tervat Naftaleeni, PAH Kiinteitä kertymiä (synon. tökötti) putkistoihin suodattimiin moottoreihin Hankaloittaa suotimen ja pesurien toimintaa Tyypillinen biomassan kaasutuksen ongelma ei hiilen kaasutuksen Lähde: http://www.thersites.nl/ 35
Kaasutuskaasun epäpuhtaudet CO C 2 H 4 CH4 TYPPIYHDISTEET: NH 3, HCN MUODOSTAVAT NOx-PÄÄSTÖJÄ POLTOSSA H2 H2O Hiukkaset CO2 H 2 S HCl Typpiyhdisteet TERVAT: Naftaleeni, PAH-yhdisteet Benzene bp. 80 C Light tar Compounds, 1 ring bp. 80 210 C Naphthalene, 2 ring, bp. 218 C Light PAH Compounds, 2 3 rings, Bp. 220-300 C Heavy PAH Compounds, 3 or more rings, Bp. > 300 C 36
Kaasutuskaasun puhdistus TERVOJEN HAJOTUS SUORAAN KAASUTUSVAIHEESSA myötävirtakaasuttimet (hapettuminen ja hajoaminen) kalkki/dolomittilisäys leijukaasuttimissa tervat hajoavat osittain yli 1200 o C:n lämpötiloissa toimivissa pölykaasuttimissa tervat hajoavat lähes kokonaan termisesti SUODATUS keraami-, metalli tai pussisuodatin hiukkaset, alkalimetallit ja raskasmetallit KATALYYTTINEN PUHDISTUS kenno-, pakattupeti- tai leijukerrosreaktori terva ja ammoniakki hajoavat PESU venturi-, suihkutorni-, täytekappalepesuri ammoniakki happo- ja happamat kaasut emäspesulla terva ei lähde helposti ULTRAPUHDISTUS AMISOL, RECTISOL, SELEXOL 17/03/2016 37
Kaasutuskaasun suodatus Hiili- ja tuhkahiukkasten suodatus Mahdollista suodattaa myös Alkalimetallit (kaasun jäähdytyksen yhteydessä) Raskasmetallit (kaasun jäähdytyksen yhteydessä) Kloori (kaasun jäähdytyksen ja sorbentin lisäyksen yhteydessä) ESI- REFORMERI SORBENTTI SUODATIN Pöly Kloori Alkalimetallit Raskasmetallit REFORMERI 38
Kloorin ja raskasmetallien suodatus Suodatuksen lämpötila-alue 150 800 C Riippuu poistettavasta epäpuhtaudesta, esireformoinnista, suodatin tyypistä, jne. Suodatintyypit: Jäykät keraamiset tai metalliset kynttiläsuodattimet Jäykät keraamiset kuitusuodattimet (< 900 C) Keraamiset pussisuodattimet (< 500 C) Teflon pussisuodattimet (< 250 C) Pöly (Sorbentti) HCl Pöly + kloori S U O D A T I N Puhdas kaasu HCl 17/03/2016 39
Keraamiset jäykät kynttiläsuodattimet http://www.schumacher-usa.com/filtration/hotgas.html 40
Vaihtoehtoja keraamisille jäykille kynttiläsuodattimille Keraamiset kuitusuodattimet 3M/ FB 900, FB 700 Keraamiset jäykät kuitusuodattimet Madison filter / Cerafil Tenmat/ Firefly BWF/ Pyrotex KE 85 jne. Keraamisten suodattimien mekaaninen kesto heikko Teflon pussisuodattimet (<250 o C) 17/03/2016 41
Metallisuodattimet - erikoissovellukset sintteröityä metallipölyä metallikuitua alhainen painehäviö korkeat nopeudet eri materiaaleja erittäin hyvä kestävyys hyvin kalliita Pall filtration, Bekaert/Bekiflow, jne. Materiaalit AISI 316L Inconel 601 ALLOY HR FeCrAlloy Käyttölämpötila 360 C 560 C 600 C 1,000 C Sovellus Standard High Wet Corrosion Extreme Temperature Temperature 42
Kaasutus ja kaasun puhdistus T&K 1990-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa VTT:llä Bed Petimateriaali material/ Ca-based Lisäaine additive Kaasun Gas jäähdytin cooler Coal burners CFB, BFB ja kiinteäkerroskaasutus Kaasun jäähdytys 350-500 o C HCl poisto: Ca(OH) 2 + polttoaineen sis.ca, Na, K Kaasun suodatus - hiukkaset, raskasmetallit (ei Hg) Polttoaineet: vehnän olki, purkupuu, useita eri SRF-laatuja, teollisuuden jätejakeet, yhdyskuntaliete, jätemuovi jne. Polttoaineen Fuel syöttöfeeding Sorbentti Gas burner polttimet Suodatin Filter SRF-pelletit 43
Kaasun suodatuksen tehokkuus jätteen kaasutuksessa - VTT:n koetuloksia CFB-kaasutuksen pilotlaitteelta 44
Pienen mittakaavan lämmön ja sähkön tuotanto moottorivoimalaitoksella Kaasutuskaasu puhdistettava Hiukkaset Kondensoituvat tervayhdisteet Typpiyhdisteet Tervat kondensoituvat moottorin turboahtimen välijäähdyttimeen Typpiyhdisteistä muodostuu NO x -yhdisteitä Hiukkaset aiheuttavat kerrostumia moottoriin KAASUTIN ESI- REFORMERI SUODATIN PESURI LÄMPÖ JA SÄHKÖ hajottaa kondensoituvat tervat osan typpiyhdisteistä poistaa hiukkaset ja alkalimetallit ammoniakin pesu 17/03/2016 45
Kaasun puhdistus kehittyneisiin kaasutussovelluksiin ESI- REFORMERI Kaasutuskaasun puhdistus T & K vaiheessa SUODATIN REFORMERI Synteesikaasun prosessointi Kaupallista teknologiaa Amisol, Rectisol, Selexol Skaalaus? KAASUN PUHDISTUS hiukkaset tervoista ja hiilivedyistä NH3 ja HCN kloori alkalimetallit raskasmetallit PUHDISTUS Rikkiyhdisteet (H2S, COS) typpiyhdisteiden jäämät hiilivety jäämät CO 2 H 2 O 46
Fysikaalinen absorptio: Rectisol Tehokas mutta kallis Metanoli liuotin, 30 80 bar, -30-60 C Poisto: H 2 S, CO 2, COS, HCN, NH 3, merkaptaanit, CS 2 yhdiste ppm H 2 S 0.1 CO 2 10-50 HCN 0.01 NH 3 0.01 17/03/2016 47 http://www.linde-engineering.com/en/process_plants/hydrogen_and_synthesis_gas_plants/gas_processing/rectisol_wash/index.html
Kaasutuskaasun puhdistus pesurilla Vesipesu ei ole tehokas, poistaa vesiliukoiset ja kondensoituvat tervayhdisteet Orgaaninen liuotin tehokkaampi: RME (rape seed methyl ester), Güssingin laitos OLGA-prosessi Täytekappalepesuri Suihkutornipesuri Ei poista kevyitä hiilivetyjä Lähde: http://www.ecn.nl/en/bkm/products-services/olga/ 48
OLGA tervanpesuprosessi ECN:n kehittämä Perustuu orgaaniseen liuottimeen Operointi veden kastepisteen yläpuolella Kaksi pesukolonnia: nestemäinen terva keräimeen (COL) ja kaasumainen terva absorberiin (ABS) Pesuliuos absorberistä regeneroidaan korkeassa lämpötilassa stripperissä (STR) Nestemäiset tervat keräimestä erotetaan ja palautetaan kaasuttimeen Sähkösuodatin (W-ESP) ei ole tarpeellinen jos kaasu on suodatettu ennen OLGAa lähde: http://www.ecn.nl/en/bkm/products-services/olga/ 49
Suuren mittakaavan lämmön ja sähkön tuotanto Kaasutuskaasu puhdistettava Hiukkaset ja alkalimetallit Typpiyhdisteet Typpiyhdisteistä muodostuu NO x -yhdisteitä Alkalimetallit ja hiukkaset tuhoavat kaasuturbiinin KAASUTIN ESI- REFORMERI SUODATIN LÄMPÖ JA SÄHKÖ hajottaa kondensoituvat tervat osan typpiyhdisteistä poistaa hiukkaset ja alkalimetallit 17/03/2016 50
Synteesisovellukset Kaasutuskaasusta prosessoidaan ultrapuhdasta synteesikaasua KAASUTIN SUODATIN REFORMERI PESURI ULTRA PUHDISTUS SYNTEESIT poistaa hiukkaset, kloori, alkalija raskasmetallit hajottaa hiilivedyt ja säätää H 2 /COsuhteen Hajottaa kondensoituvat tervat ja osan typpiyhdisteistä NH 3 poisto poistetaan N- ja S- yhdisteet poistetaan N 2, H 2 O ja CO 2 Vaiheiden integrointi toisiinsa haastavaa Kierrätykset, lämpövirrat 17/03/2016 51
Reformointi 52
Kaasutuskaasun katalyyttinen puhdistus 17/03/2016 53
Katalyyttiin ja reaktoriteknologiaan kohdistuvat haasteet N 2, CO, CO 2, CH 4, C x H y, H 2, H 2 O tar 500-15 000 ppm NH 3 /HCN 300-10 000 ppm H 2 S/COS 50-500 ppm HCl alkalimetallit raskasmetallit hiukkaset 1-10 g/m 3 n 800-900 C Suuren hiukkaspitoisuuden aiheuttamat ongelmat (katalyyttien likaantuminen) Tervojen ja typpiyhdisteiden samanaikainen hajottaminen Katalyyttien myrkyttyminen Prosessin häiriötilanteet Ylös- ja alasajotilanteet Katalyytin elinikä > 2 vuotta 54
Kaasutuskaasun katalyyttinen puhdistus ESIREFORMOINTI: Kondensoituvien tervayhdisteiden hajotus Mahdollistaa kaasun suodatuksen Estää noen muodostumisen reformerissa Mahdollistaa moottorin tai turbiini käytön CHP sovelluksissa Monoliittikenno katalyytit ESI- REFORMERI SORBENTTI SUODATIN Pöly Cl Alkalimetallit Raskasmetallit Reformointi Kaasumoottori Kaasuturbiini 55
Kaasutuskaasun katalyyttinen puhdistus REFORMOINTI: Kaikkien hiilivetyjen hajotus CO-shift, CO/H2- suhteen säätö Mahdollistaa synteesiprosessit Monoliittikenno- ja raekerroskatalyytit SORBENTTI SUODATIN Pöly Cl Alkalimetallit Raskasmetallit REFORMERI Synteesit 56
Reforming catalysts 17/03/2016 57 Ref: WO 2011/107661 A1, WO 07116121 A1, WO 03000829 A1
Pölyisen ja suodatetun kaasun reformointi vaikutus reaktorisuunnitteluun KAASUTIN REFORMERI SUODATIN Pölyinen kaasu reformerille Vaatii monoliittikatalyytin, jotta pöly ei tuki katalyyttipetiä Kaasutin ja reformeri samassa lämpötilassa, kaasu voidaan jäähdyttää ennen suodatusta KAASUTIN SUODATIN REFORMERI Voidaan käyttää partikkelikatalyyttejä, joiden saatavuus on kaupallisesti parempi kuin monoliittien Lisäksi katalyyttien pakkaus reaktoriin on helpompaa 17/03/2016 58
Prosessin kehitystyö 17/03/2016 59
Catalyst long-term test at the Lahti plant Monolith front face after 24 h on-stream -front face clogged by carbon formed from tar at high temperature Second test: Monolith front face after 2300 h on-stream - No clogging problems, pressure drop low & steady throughout the test 60
Reformerin pitkäaikaiskoe Testaus: 0,5 MW PDU-kaasutuslaitteisto, VTT 61
Varkaus From: Sami Kokki, Foster Wheeler 62
Kaasutuksen sovellukset Pienen kokoluokan biovoimalat Jätteiden hyötykäyttö Kaasutuskombivoimalat Tulevaisuuden polttokennovoimalat Liikenteen polttonesteet, vety, kemikaalit Biopolttoaineet ja jätteet Suomessa Maailmalla myös kivihiili ja pohjaöljyt 63
Vastavirtakaasutin Bioneer Kehitetty 80-luvulla, 10 laitosta Kattiloille ja uuneille, 5 MW Tervapitoinen kaasu Korkea hiilikonversio Robusti, joustava, täysin automatisoitu Polttoainesiilo Tuhka Kuuma kaasu Kaukolämpö-sähkö Kaasukattila 5 MW kaukolämpölaitos, Jalasjärvi, käytössä vuodesta 1987 lähtien 64
Puupohjaisesta biomassaa käyttävät eri CHP teknologiat Mikro kokoluokan sovellukset (alle 100 kwe) Stirling moottori ( el 7-14 %) Mikroturbiini ( el 10-20 %) Kiinteäkerroskaasutus + kaasumoottori ( el 20-25 %) Pienen kokoluokan sovellukset (200-2000 kwe) ORC ( el 10-15 %) Höyrykone ( el 5-12 %) Mikroturbiini ( el < 20 %) Kiinteäkerroskaasutus + kaasumoottori ( el 20-30 %) Suuren kokoluokan sovellukset (yli 2000 kwe) Höyryturbiini ( el 20-30 %) Leijukerroskaasutus + kaasumoottori ( el ~30 %) 17/03/2016 65
Pienimuotoinen CHP-tekniikka: Biomassan kaasutus ja moottorivoimalaitos Sovellukset Kokoluokka 0-10 MW th, suuri potentiaali sähköä 20-30 %, sähkö + lämpö n. 80 % Pienet kaukolämpölaitokset Sahat ja muu mekaaninen metsäteollisuus Pienimmässä kokoluokassa maatilat Kehitysmaiden ja kehittyvien maiden markkinat KUIVUMINEN POLTTOAINE T&K-työ ja eri tekniikat Useita myötävirtakaasuttimia yksinkertainen puhdistus Perusreaktorin eri versiot, 2-vaiheiset, muut viritelmät Novel-kiinteäkerroskaasutin tai leijukerroskaasutus sekä monimutkaisempi kaasun puhdistus suurempi kokoluokka Vastavirtakaasutus ja monivaiheinen kaasun pesu PYROLYYSI HAPETTUMINEN PELKISTYMINEN ILMA 66
Myötävirtakaasutin (downdraft fixed bed) Polttoaine syötetään ylhäältä ja tuhka + reagoimaton hiiltojäännös poistetaan pohjalta Ilma johdetaan yleensä keskelle suoraan kuumaan palamisvyöhykkeeseen Tervat ja muut pyrolyysituotteet kulkevat läpi hapettumisvyöhykkeen ja kuuman jäännöshiilipatjan Hapettuminen (ja krakkautuminen) alentavat tervojen pitoisuuden ideaalikaasuttimessa erittäin alhaiseksi (alle 100 mg/m3n) => olennaista on ilman ja tervojen kontakti ja kanavoitumisen välttäminen => käytännössä ei onnistu MW-kokoluokassa Palamisvyöhykkeestä poistuva kaasu pelkistyy alimman kerroksen hiilipatjassa => kaasutusreaktiivisuus rajoittaa hiilikonversiota Poistuva kuuma kaasu johdetaan yläosan vaippatilan kautta, jossa se luovuttaa lämpöä kuivumiseen ja pyrolyysiin => lämmönsiirto rajoittaa ja skaalaus ei onnistu KUIVUMINEN PYROLYYSI HAPETTUMINEN PELKISTYMINEN POLTTOAINE KAASU ILMA 67
Biomassan kaasutus ja moottorivoimalaitos Imbert kaasutin, Georges Imbert v. 1924 17/03/2016 68
Perinteisen Imbert-kaasuttimen ongelmat ja rajoitteet Rakenne ja kurkku rajoittavat polttoainepohjaa pitää olla pilkettä joka valuu hyvin Ei voi skaalata suureen kokoluokkaan, koska reunoilta puhallettava ilma ei tunkeudu riittävästi petiin tervattomuus perustuu pitkälti hapettumiseen Yritykset rakentaa suurempia MW-kokoluokan kaasuttimia ovat johtaneet todella korkeisiin tervapitoisuuksiin Polttoaineen tuhka ja hienoaines tukkivat helposti kaasuttimen kurkun ja hiilipedin petiä on liikuteltava jollain tapaa Tuhkaa sisältävillä polttoaineilla tuhkan poiston yhteydessä poistuu samalla runsaasti reagoimatonta puuhiiltä Tuhkan sulamista on vaikea hallita 69
Spanner Re2 (DE) Saksalainen perinteinen myötävirtakaasutin Polttoaineena puuhake 30 kwe ja 45 kwe versiot 130 laitosta toimitettu, pääosin Baijeriin maatiloille Sarjatuotanto kotimarkkinoille Sähkön takuuhinta ja omalle työlle laskettu vähäinen hinta taloudellisuuden edellytyksinä Lähde: Thomas Bleull, Tukholman kaasutusseminaari 2012 17/03/2016 70
Suomalaista myötävirtakaasuttimen kehitystyötä 2010-luvulta Gasek Oy, Reisjärvi Lähde: http://www.gasek.fi/ 71
GASEK RETROFIT gasifier GASEK RETROFIT is designed for replacing fossil fuels in boilers and kilns The oil/gas burner is replaced by a new multi-fuel burner Typical plant sizes: 500 kw th and 1 MW th First industrial plants in operation R&D center at Reisijärvi, Finland marko.valtonen@gasek.fi 72 72
Volter 73
74
Kiinassa 1960-luvulla kehitetty riisinkuorta polttoaineena käyttävä opentop kaasutin Kaasutusilma avoimesta yläosasta, pyritään hitaaseen hapettumiseen pedissä Kuumavyöhyke pyrkii vaeltamaan pedissä, peti palaa puhki, räjähdysvaara Ei kavennusta kaasuttimessa, polttoaine valuu paremmin Tervojen hapettuminen ei yhtä tehokasta kuin Imbert kaasuttimessa Lähde: Hubert Stassen, 1995 75
Perinteisten kiinteäkerroskaasuttimien rajoitukset Vastavirta Polttoaine TuhkaIlma + Höyry Kaasu 100-300 C Ilma Myötävirta Tuhka (+hiili) Polttoaine Kaasu 600-800 C Vain palamaiset polttoaineet Vastavirtakaasuttimet: korkea tervapitoisuus alhainen kaasun lämpötila kaasuputken tukkeutuminen Myötävirtakaasuttimet alhainen hiilikonversio kanavoituminen, painehäviö tuhkan sulaminen vain pieneen kokoluokkaan soveltuu vain hyville puupolttoaineille (pilke, hake) 76
Vaatimuksia: pienkokoluokan kaasuttimet < 10 MW fuel Laaja polttoainepohja liittyen polttoaineen partikkelikokoa, tuhkan koostumusta ja kosteuspitoisuutta Tervojen poisto ilman jätevesiongelmaa Tehokas tuotekaasun puhdistus turvaamaan moottoreiden ja pienten turbiinien toiminta Automaattinen toiminta, hyvä toteutettavuus ja alhaiset käyttökulut (teollistuneissa maissa) Korkea sähkön tuotannon hyötysuhde, 25-30 % Nämä vaatimukset eivät päde tavalliselle myötävirtakaasutin-moottorivoimalaitokselle 17/03/2016 77
Ilmanpaineinen leijukerroskaasutus uuneille ja kattiloille REACTOR BIOFUEL FEED 850 C 900 C CFB GASIFIER RETURNLEG BOTTOM ASH COOLING SCREW UNIFLOW CYCLONE GASIFICATION AIR FAN AIR PREHEATER HOT LOW CALORIFIC GAS (750-650 C) Kaupalliset meesauunien kaasuttimet kehitti Ahlström Oy 80- luvulla Foster Wheeleriltä kaasutin kattila sovelluksiin 90-luvulla Kaasutintoimittajia Amec Foster Wheeler Andritz (ent. Carbona) Valmet (ent. Metso Power) Kannattava 15-150 MW kokoluokassa Polttoaineen kuivaus tarvitaan usein, jotta saavutetaan tarvittavat liekin ominaisuudet uuneissa ja kattiloissa 78
Vaihtoehto 1: Puhdas biomassa EI KAASUN PUHDISTUSTA (PUHDAS BIOMASSA) POLTTOAINE PETI MATERIAALI CFB tai BFB kivihiilikattila Lauhdevoima (sähkö) CHP laitos ILMA POHJATUHKA 17/03/2016 79
Referenssi: Kymijärvi I - voimalaitos, Lahti - Kaasutinlaitos käynnistyi 1998 - Ei ongelmia käyttöönotossa - Kaasuttimen käytettävyys >95 % - Kattilan päästöt alentuneet Pääkattila 360 MW th Polttoaineen käsittely CFB-kaasutin 60 MW 80 80
Valmet scope in Vaskiluodon Voima s gasification project Full scope services with total plant optimization Fuel receiving and handling Drying Gasification Boiler modifications Automation, electrification and instrumentation 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
Corenson muovirejektin kaasutus, Varkaus Nestepakkausten kuitujen kierrätyslaitos Alumiini-pitoinen muovirejekti 50 MW kaasutin + kaasukattila, 2100 tonnia vuodessa alumiinia kierrätykseen Käyttöönotto vuonna 2001 Prosessin kehitystyö: VTT & Foster Wheeler Energia Oy Vuodesta 2013 muutettu CFB-kaasuttimeksi, muiden jätepolttoaineiden testauksia (FWE) Lähde: Foster Wheeler 82
Meesauunikaasutin Metsä Fibre, Joutseno MEESAUUNI KUORI Meesauuni 600 tonnia päivässä Kaasuttimen polttoaineteho 48 MW th Syöttöjärjestelmä: 22 tonnia tunnissa kuorta (mänty, kuusi, koivu) Kuoren kuivaamiseen käytetään tehtaan ylijäämälämpöä Käyttöönotto vuonna 2012 KAASUTUSLAITOS 17/03/2016 83
Vaihtoehto 2: Vaikeat biomassat ja jätepolttoaineet (Cl, alkalimetallit, raskasmetallit) DRY CLEANING AND CHLORINE REMOVAL -Coal/oil-fired boiler -Condensing power Fuel Bed material CFB or BFB Filter 450 C Ash treatment plant / CHP plant -Ovens/kilns -HRSG of gas-fired combined cycle plant gas-fired boiler Air Bottom ash Ca(OH) 2 Fly ash 84
Demonstration by Lahti Energia Oy (Lahti, Kymijärvi) SRF fuelled gasification based WtE plant (CHP) 2 x 80 MW th gasification & gas cleaning trains 160 MW th gas fired boiler Technology supplier: Metso Gas boiler Flue gas cleaning Gasifier Gas cooling Gas cleaning Bag house, Ca(OH) 2 + activated carbon Steam turbine RDF Natural gas/ oil auxiliary fuel High pressure steam Electricity, process steam 85
Lahti Energia Oy 17/03/2016 www.lahtienergia.fi 86
Lahti Waste Gasification plant Highest efficiency for Energy-from-Waste World s largest waste (SRF) gasification power plant Processes 250 ktpa of Refuse Derived Fuel (SRF) to produce: 50 MW of electricity 90 MW of district heat CHP efficiency of 87,5 % Total investment ca. 160m Lahti Energia, Lahti, Finland Start-up 2012 CO2 emissions reduced up to 50 %
Lahti Waste Gasification plant Design fuel Design fuel Fuel LHV SRF from MSW and C+IW 18 24 MJ/kg, dry Moisture < 30 w-% Ash < 15 w-%, dry Cl < 0.6 w-%, dry Na + K < 0.3 w-%, dry Hg < 0.1 mg/kg, dry
Low emissions proven At stack (red. 11 % O2) Emisssion Limit Measured NOx 200 mg/m 3 n 161 mg/m 3 n SO 2 50 mg/m 3 n 7 mg/m 3 n CO 50 mg/m 3 n < 2 mg/m 3 n Dust 10 mg/m 3 n < 2 mg/m 3 n HCl 10 mg/m 3 n < 1 mg/m 3 n HF 1 mg/m 3 n < 0,5 mg/m 3 n TOC 10 mg/m 3 n < 1 mg/m 3 n PCDD/F compounds Hg Cd+Tl Sb+As+Co+ Cr+Cu+Mn+ Ni+Pb+V 0,1 ng/m 3 n < 0,002 ng/m 3 n 0,05 mg/m 3 n < 0,0001 mg/m 3 n 0,05 mg/m 3 n < 0,0003 mg/m 3 n Total 0,5 < 0,03 mg/m 3 n mg/m 3 n * NOx, SO 2, HCl are usually close to limit to minimize the cost of additives Final emission control: q DeNox catalyst q Sodiumbicarbonate injection q Activated carbon injection q Bag house
Valmet Waste Gasification Lahti Project -Operational experience q Stable and easy to control operation q Compliance with WID q No corrosion detected q Capacity demonstrated q Gasifier operation reliable q First year availability too low Changes in filter operational modes Product Gas Cooler changes Fuel properties improved (metal/streamers/wood) Availability now 85 % + q Further improvements still ongoing as a cooperation with the Customer
Biomass and waste gasification for boilers and kilns WASTE-TO-ENERGY PLANTS WITH MATERIAL RECOVERY o HIGH ELECTRIC EFFICIENCY o RECOVERY OF VALUABLE METALS JOUTSENO LIME KILN 2012 LIME-KILN GASIFIERS LAHTI 60 MW REPLACEMENT OF FOSSIL FUELS IN BOILERS AND KILNS o WOOD, AGROBIOMASS o 10-200 MW FUEL BIOMASS/WASTE GASIFIERS FOR POWER LAHTI II, 160 MW WASTE-TO-ENERGY 1985 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 CBF/BFB GASIFICATION R&D AND PILOTING R&D on o HOT GAS FILTRATION o WASTE AND STRAW GASIFICATION R&D NEEDS o FILTER ASH UTILISATION o RECOVERY OF METALS o IMPROVED GAS CLEANING o SYNGAS FROM WASTE FUELS 91
Gasification - Gas Engine CHP plant / Skive, Denmark Gasification Plant process: Air blown, pressurized BFB gasifier Catalytic tar reforming Gas cooling and filtration Gas scrubbing System pressure: 2 bar Biomass feed: 20 MW th Feedstock: Wood pellets & wood chips Power: 6.0 MW (3x2MW GEJ620 gas engines) BIOMASS, 20 MWth AIR/STEAM TAR REFORMER GASIFIER BOTTOM ASH GAS COOLERS GAS FILTER FLY ASH GAS SCRUBBER WATER GAS BUFFER TANK 2 BOILERS 3 GAS ENGINES TO STACK DISTRICT HEATING 11.5 MWth POWER 3x2 MWe District heat (CHP mode): 11.5 MW th In commercial operation since 2008 GAS ENGINES PRESSURIZED BFB GASIFIER
Biomass IGCC power plant design Small CHP plant Power production: 7.4 MWe District heat: 8.5 MJ/s Electric efficiency: 40 % Large IGCC power plant Power production: 116 MWe Electric efficiency: 50 % 17/03/2016 Lähde: Carbona Oy; K.Salo & A.Horvath 93
Muutamia termejä Synteesikaasu (synthesis gas, syngas) = CO, H 2, CO 2 ja H 2 O Maakaasu (natural gas, NG) = lähinnä metaania, fossiilisista lähteistä Synteettinen maakaasu (synthetic natural gas, SNG) = teollisesti tuotettu maakaasu, voi olla bio- tai fossiilipohjainen Nestekaasu (Liquefied Petroleum Gas, LPG) = propaanin ja butaanin seos Biokaasu (biogas) = yleensä anaerobisesti tai fermentoimalla tuotettu, metaania ja CO 2 :a sisältävä kaasuseos parafiinit = alkaanit, yksöissidoksellisia hiilivetyjä (metaani, etaani ) olefiinit = alkeenit, kaksoisidoksellisia hiilivetyjä (eteeni, propeeni ) aromaatit = sisältävät bentseenirenkaan (tässä yhteydessä) 17/03/2016 94
Relevant potential products from synthesis gas 95
Fischer-Tropsch synteesin reaktioita Paraffins: Olefins: Alcohols: (2n+1)H 2 + nco --> C n H 2n+2 + nh 2 O 2n H 2 + nco --> C n H 2n + nh 2 O 2n H 2 + nco + C n H 2n+1 OH + (n-1) H 2 O Also other oxygenates are possible (acids, aldehydes, ketones) Shift: CO + H 2 O --> CO 2 + H 2 Boudouard: 2CO --> C + CO 2 Coke: H 2 + CO --> C + H 2 O Catalytic reaction (Co, Fe, (Ru, Ni, Rh)) Multi-phase reaction (gas-solid-liquid) Highly exothermal (deltah = -180 kj/mol) Restricted by mass transfer 17/03/2016 96
Typical product of low temperature FT 17/03/2016 97
Methanol Utilised as chemical feedstock or as such to supplement liquid fuels Significant and largest of the commercial processes based on syngas (appr. 47 Mt/a) Ample amounts of applications and follow-up routes Several important commercial processes: Formaldehyde Acetic acid (Monsanto-process) MTBE (methyl tertiary-butyl ether) DME Methylhalides Also possible to produce gasoline with MTG-process (New Zealand). Recently the interest has been increasing again (TIGAS-process). 17/03/2016 98
Methanol as fuel 17/03/2016 99
Production of Synthesis Gas from Solid Fuels Initial step - two main approaches Main technical challenge: prehandling, feeding of biomass Biomass BIOMASS PRE- TREATMENT Dry Pulver or Pyrolysis oil GASIFIER 1300 ºC + Raw synthesis gas to cooling, clean-up and conditioning Typically: oxygen-blown entrained-flow gasifier Main technical challenge: reforming of gas Biomass GASIFIER REFORMER Raw synthesis gas Typically: fluidised-bed gasifier, either oxygen-blown or indrectly heated e.g. 850 ºC 900 ºC catalytic to cooling, clean-up and conditioning 17/03/2016 100
Updated Techno- Economic Assessment Detailed evaluation of 20 individual plant concepts Large scale: 300 MWth of biomass O 2 gasification at 5 bar (and 22 bar) MeOH, DME, FTL & MTG Based on technically proven process Estimated impact of further R&D to the overall economics Nth plant economics Available: http://bit.ly/192vl3g 17/03/2016 101
Kaasutuksen T&K toimintaa VTT:llä 102
Gasification based Waste-to-Energy an example of VTT R&D-technology Corenso, plastic reject gasifier (50 MWfuel) (commissioning 2001) Laboratory characterisation & preliminary development in bench scale - Late 1990 s Further development and optimisation in pilot scale - In early 2000 Lahti Energia KYVO2 gasification based WtE Lahti Energia KYVO2 plant (160 MWfuel) gasification based WtE plant (160 MWfuel) (commissioning 2012) (commissioning 2012) 17/03/2016 103
Kaasutus ja kaasun puhdistus T&K 90-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa VTT:llä Bed Petimateriaali material/ Ca-based Lisäaine additive Kaasun Gas jäähdytin cooler Coal burners CFB, BFB ja kiinteäkerroskaasutus Kaasun jäähdytys 350-500 o C HCl poisto: Ca(OH) 2 + polttoaineen sis.ca, Na, K Kaasun suodatus - hiukkaset, raskasmetallit (ei Hg) Polttoaineet: vehnän olki, purkupuu, useita eri SRF-laatuja, teollisuuden jätejakeet, yhdyskuntaliete, jätemuovi jne. Polttoaineen Fuel syöttöfeeding Sorbentti Gas burner polttimet Suodatin Filter SRF-pelletit 104
Leijukerroskaasutuksen pilotti VTT/Otaniemi v. 2002-2005 105
106
Kaasun puhdistuksen tehokkuus Kloori ja raskasmetallit Tuloksia yhdyskuntajätteen kaasutuksesta Puhdistuksen tehokkuus % Lopullinen pitoisuus puhtaassa kaasussa HCl (ppm-m) 90-97 20-100 Raskasmetallit (ppm-m): V > 99 % < 0.01 Cr > 99 % < 0.01 Mn > 99 % < 0.01 Co > 99 % < 0.01 Ni > 99 % < 0.01 Cu > 99 % < 0.02 Zn > 99 % < 0.20 As > 99 % < 0.005 Cd > 99 % < 0.001 Sn > 99 % < 0.01 Sb > 99% < 0.01 Pb > 99 % < 0.03 107
Lahti Energia Oy 3/17/20 17/03/2016 www.lahtienergia.fi 108
Syngas Route to Biofuels Integration to pulp and paper mills offers significant benefits INTEGRATED CONCEPT PAPER OR PULP PULP AND PAPER MILL ENERGY TO DRYING PROCESS STEAM & POWER GASIFICATION AND GAS TREATMENT POWER PLANT FUEL GAS + STEAM 50-150 MW VTT PDU FORESTRY RESIDUES, MILL RESIDUES, STRAW, ENERGY CROPS, URBAN BIOWASTE BIOMASS HANDLING AND DRYING 150-300 MW BARK. FOREST RESIDUES, OTHER BIOMASS STEAM & OXYGEN SYNTHESIS GAS SYNTHESIS & UPGRADING 75-160 MW INDUSTRIAL DEMO VARKAUS, FINLAND HYDROCARBON FUELS (FT) OR METHANOL, DME, SNG, H 2, etc. GTI PILOT 109
Synteesikaasua biomassasta Suomalaisen UCG-hankkeen vaihe I : 1.1.2004 31.5.2007 Kaasutusmenetelmän valinta ja kehittäminen Kaasun puhdistuksen tutkimus ja kehitys Koetoiminta 500 kw:n laitteistolla Otaniemessä Teknis-taloudelliset tarkastelut Integrointi metsäteollisuuteen, kaukolämpölaitoksiin tai öljyn jalostukseen Teollinen kokoluokka 150 300 MW Vaiheiden II & III demolaitosten esisuunnittelu 50 MW:n kaasutin ja sivuvirtademolaitos 250 MW:n tuotantolaitos Kumppanit ja rahoitus VTT, TKK, Foster Wheeler, Neste Oil, Andritz, Vapo, PVO, StoraEnso, M-real, MetsäBotnia, UPM ja Rintekno kokonaisbudjetti noin 4 M päärahoittajat Tekes ja VTT 17/03/2016 110
From: Sami Kokki, Foster Wheeler From: V.Jokela, Stora Enso 111
Cost competitiveness of BtL (n th plant) Levelised production cost 300 MW Biomass @ 17 /MWh, 0.12 CCF Electricity 50 /MWh, DH 30 /MWh@5500 h/a http://www.vtt.fi/inf/pdf/technology/2013/t91.pdf Gasoline @150$/bbl Before tax, incl. refining margin Gasoline @100$/bbl 5 bar / 550 o C Condensing steam cycle 5 bar / 550 o C District heat production 5 bar / 850 o C District heat production Mature technology No investment support No CO 2 credits No tax assumptions 112
Integrated production of high-value biomass products and the use of residues for massive production of fuels and chemicals Multiple forest/agro industry sites with local CHP integration Transportable intermediate products Large-scale refineries and chemical industries Forest residues By-products of forest industry Agricultural residues Industrial and municipal wastes SRF Pyrolysis oil Methanol Fischer Tropsch distillates Synthetic methane Drop-in transportation fuels Renewable packaging materials Basic chemicals 17/03/2016 113
Biomassan termokemiallinen käsittely Kaasutus ja kaasun puhdistus Polttoaineiden karakterisointi Penkkikokoluokan T & K ja koetoiminta Innovatiiviset ratkaisut lähtökohtana teolliselle toteutukselle Synteesikaasu: polttoaineet ja kemikaalit Alustava prosessikonseptin arviointi Pilotkokoluokan T & K ja prosessin koestus Prosessin mallinnusta ja soveltuvuuden arviointia Vety& Synteettinen maakaasu 17/03/2016 114
Gasification and Pyrolysis Platforms at BioRuukki VTT will move it s Gasification and Pyrolysis test facilities to an industrial area in Kivenlahti, Espoo New pilot plants will also be constructed Start-up at new site in Q2/2015 Efficient development from laboratory to industrial realization Horizon 2020-projects, 2015-2020 Biofuels for transport sector, renewable chemicals Fuel gas & pyrolysis oil for CHP and industrial applications Waste-to-Energy with material recovery VTT RES-Infra Investment New R&D Platform 2013-2015 Industrial projects Pyrolysis and gasification R&D Testing and piloting services Platform for new pilot plants 2G Biofuels R&D and Piloting project 7.2 M : 2012-15, 2nd phase planned for 2015-16 17/03/2016 115
Biomass and Waste Gasification Platform Gasification Platform is used for gasification process development, testing of new feedstocks and for the development of gas cleaning technologies for different gasification applications Excellent know-how on fuel chemistry and gasification processes Unique fluidised bed gasification test facilities from laboratory to pilot scale Bench and pilot scale facilities for catalytic gas cleaning and hot filtration Cutting-edge tools for techno-economic evaluations and process modelling (CFD, ASPEN) Track record on industrial development and demonstrations IPR on gasification and gas cleaning CFB gasification pilot plant syngas and fuel gas applications Pressure 1-6 bar, max. feed capacity 0.5 MW Air-blown operation, steam-o 2 gasification Hot filtration and catalytic reforming Dual Fluidized-Bed steam gasification pilot plant Atmospheric pressure, feed capacity up to 80 kg/h Hot filtration, gas reforming Bench-scale BFB gasification test rig Atmospheric-pressure, feed rate 1 kg/h Air-blown, O2/steam- gasification Filtration, reforming Bench-scale CFB gasifier reactor (new) Atmospheric-pressure, feed rate 1 kg/h Gasification tests with new fuels Pressurized Fixed Bed Pilot Plant (new) Pressure 1-10 bar, max. Feed rate 50 kg/h Fuel gas and syngas applications Bench-scale filter and reformer testing facilities Pressure 1-6 bar, Simulated gas or slip stream from gasifier units 116
Yhteystiedot Kaasutusteknologia ja siihen liittyvät asiat Tutkimuspäällikkö Esa Kurkela Tiimipäällikkö, Kaasutus Ilkka Hiltunen etunimi.sukunimi@vtt.fi www.vtt.fi/ www.vtt.fi/palvelut/biotalous/nestemäiset-biopolttoaineet1/metanoli-ja-metaanipohjaisetpolttoaineet/biomassan-ja-jätteen-kaasutus www.vtt.fi/palvelut/liiketoiminnan-kehittäminen/pilot-laitokset-ja-t-kinfrastruktuuri/biopohjaiset-polttoaineet-ja-energia Esittelyvideo www.youtube.com/watch?v=g1vb3amzwaa 17/03/2016 117
KIITOS! Kysymyksiä? 17/03/2016 118
TECHNOLOGY FOR BUSINESS