Uudet kaasutuskonseptit, RES-hybridit ja integrointi prosessiteollisuuteen Esa Kurkela 2G Biofuels-projektin seminaari 26.5.2015 Bioruukki, Espoo
2G Biofuels-projektin kaasutustehtävät 2012-15 Paineistettuun happikaasutukseen perustuvan prosessin tehostaminen Suodatuslämpötilan nosto Reformerin parantaminen Kiertokaasuleijutus (BFB/CFB) Kiinteäpetiprosessin ideointi Kaksoisleijukerrosprosessin kehitys ja pilotointi Prosessitarkastelut Eri lopputuotteet erityisesti FT- ja MeOH-reittien kautta RES hybridit Integrointi meesauuniin ja Kokkolan teollisuuprosesseihin Ensimmäisen laitoksen haasteet Paineistetun happikaasutuksen PDU-laite (UCG), > 4000 h käytössä Otaniemessä 2007-12 28/05/2015 2
Tehokas ja varmatoiminen reformointiratkaisu Lähes täydellinen tervakonversio ja täydellinen C 2 -hiilivetyjen hajoaminen Metaanikonversio säädettävissä toimintalämpötilan avulla välillä 30-95 % Painehäviö pysyi tasaisena ei hiilen muodostumista Uusia katalyyttimateriaaleja myös kehitteillä tehostamaan reformointia
Happikaasutukseen perustuvan kypsän teknologian kilpailukykyä arvioitiin kehitettyyn konseptiin perustuen Yhdistetty lämmön ja liikenteen polttoaineiden tuotanto on tehokasta 50-60 % energiasta polttonesteeksi ja 15-30 % lämmöksi 4
Happikaasutukseen perustuvan kypsän teknologian kilpailukykyä arvioitiin kehitettyyn konseptiin perustuen *Liquid transportation fuels via large-scale fluidised-bed gasification of lignocellulosic biomass, Hannula, Ilkka; & Kurkela, Esa 2013. VTT, Espoo. 114 p. + app. 3 p. VTT Technology: 91 5
Synteesikaasuprosessin tehostaminen elektrolyyttisesti valmistetulla vedyllä Happikaasutusprosessin H 2 /CO-suhde on liian alhainen useimpiin synteeseihin, siksi tarvitaan Shift-reaktoria Lähes puolet hiilestä päätyy hiilidioksidiksi joka perusprosessissa erotetaan ja menetetään Case 1: Shift-konversion korvaaminen CO + H 2 O = CO 2 + H 2 Elektrolyysi H 2 Lähde: Ilkka Hannula, VTT 6
Synteesikaasuprosessin tehostaminen elektrolyyttisesti valmistetulla vedyllä Peruskonseptissa noin puolet biomassan hiilestä päätyy lopulta hiilidioksiksi, joka pestään pois ennen synteesiä Jos myös hiilidioksidi voitaisiin hyödyntää elektrolyysivedyn avulla, kasvaa saanto moninkertaiseksi CO 2 Lähde: Ilkka Hannula, VTT 7
Biometanolin ja bio-sng:n boostaaminen elektrolyysivedyn avulla sähköbiopolttoaineeksi Pelkkä biomassan kaasutus 100 MW puuta => 63/67 MW biopolttoainetta Shift-konversion korvaaminen => 97/113 MW polttoainetta Shiftin korvaaminen ja CO 2 :n syntetisointi => 183/223 MW polttoainetta Soveltuu rajallisten biomassavarojen hyödyntämiseen ja/tai halpaan sähköön Suomessa puhdas bio-sng tai bio-metanoli ovat halvempia nykyisillä hintasuhteilla Lähde: Ilkka Hannula, VTT 8
Paineistettu kiinteäkerroskaasutin korkean synteesipaineen sovelluksiin Vaiheistettu kaasutin, tervan in-situ hajotus ja reformointi Pilot suunnitteilla CHP-sovelluksiin Bioruukissa (Tekes/INKA-projekti) Ideavaiheessa synteesisovelluksiin alustava arviointi Voidaan toteuttaa rinnakkaisilla kaasutuslinjoilla Kehitys esim. H2020-projektina (TRL4-5 tasolle) Kumppaneita haetaan, aikajänne hitaampi kuin DFB:n kehityksessä 28/05/2015 9
Dual Bed Steam Gasification Pilot at Bioruukki New low-pressure process for 50-150 MW input Most suitable applications: Hydrogen by PSA SNG or FT diesel with oncethrough synthesis Low-pressure process suitable also to bagasse and other lowdensity feeds Ash control methods available 10
DFB-kaasutusprosessin edut Ei tarvita happea kaasutukseen (eikä välttämättä reformointiinkaan) Laajempi biomassapohja Tuhkan sintraantuminen helpompaa hallita alhaisessa paineessa Polttoaineen syöttö helpompaa Kalsiumoksidin katalysoima vesihöyrykaasutus johtaa kohtuullisen alhaiseen tervapitoisuuteen Korkealämpötilasuodatus onnistuu ilman tukkeutumisongelmia Reformointiin voidaan käyttää VTT:n vaiheistettua konseptia Täydellisesti hapettunut tuhka hapettimesta, mahdollisuus hapettaa myös prosessin sivuvirtoja Kaasutin muistuttaa kaupallista CFB-reaktoria vain paluukierto hapettimen kautta lisättävä Koko prosessi voidaan helposti liittää osaksi teollista CFBkaasutusteknologiaa (Valmet, FW, Andritz) 28/05/2015 11
Integrating Production of Fuels and Chemicals from Biomass and Residues to Existing Industries to Improve Competitiveness Several industrial or municipal sites with local CHP integration Transport of intermediate products Large-scale refineries or chemical industries Forest residues and agricultural residues Industrial and municipal wastes Integration to food, forest, chemical or metal industries Pyrolysis oil Methanol Synthetic hydrocarbons Synthetic methane, bio-hydrogen Wood pellets Co-refining Drop-in transportation fuels Olefins for renewable packaging materials Basic chemicals, fertilisers Aromatics 28/05/2015 12
Kokkola Biorefirery integrated to large-scale chemical industries
Integration of gasification-based BTL to large scale industries Kokkola Case A: FT-wax Waste Heat from Industry cluster Steam system with the Kokkola steam networks and power island ZnO/ZnS loop integrated to Boliden process => Sulphur as suplhuric acid to the products of Yara Off-Gas to kilns/boilers Forest & agro residues & wastes Drying of Wet biomass Gasification Raw Gas Reforming and cooling Dry sulphur removal Final Gas conditioning Syn gas Once Through FT- synthesis Key advantages of the integrated process concept over stand-alone design Significantly simpler process and lower capex Existing power island, no O 2 plant, Zn-based Sulphur removal, simple synthesis High overall efficiency and efficient use of by-product energy Innovative steam gasification and reforming concept suitable to smaller size range than oxygen-blown pressurized gasification Can be integrated to different energy intensive industries and CHP plants FT-wax to refining (or MeOH, or SNG to pipeline) 28/05/2015 14
Integration of gasification-based BTL to large scale industries Ideas for industrial realization with low financial risks: Concept development and preliminary economic assessment ongoing 12/15 Pilot-scale verification at Bioruukki PreFeed study of a commercial reference plant Industrial demonstration of the gasification and gas cleaning concept, fuel gas to kilns or boiler FEED for CRP 06/17-06/19 Investment decision 2019 Plant in operation 2021 Potential industrial partners will be contacted during the on-going preliminary phase 15
High-value products, low carbon energy and material recycling via thermochemical conversion FAST PYROLYSIS Thermal or catalytic fast Pyrolysis Fuel oil Product upgrading GASOLINE DIESEL JET FUEL Material & energy recovery RECYCLING CHEMICALS BIO-AROMATICS GASIFICATION Gasification Gas cleaning to syngas Synthesis POWER HEAT & COOLING Fuel gas 16
NEW ERA
TECHNOLOGY FOR BUSINESS 18