SE1051285A1 - Förfarande för framställning av ett bränsle genom förgasning i en högtemperaturförgasare - Google Patents

Abstract

Ett förfarande beskrivs för framställning av ett bränsle genomförgasning i en högtemperaturförgasare, såsom en dammförgasa-re. Ett viktigt särdrag hos uppfinningen är att i förfarandetdammförgasaren drivs genom att man sammatar tillsammans medtorvdamm en annan typ av damm från biomassa, såsom maldträbaserad biomassa, biomassa från växter och/eller någon annan liknande biomassa. (F19. 1)

Description

15 20 25 30 är nödvändigt, uppvärmda för undvikande av kondensation på kalla ytor.

För att eliminera problemen som uppstår med tjärföreningar i efterbehandlingsstegen för gasen, t ex i en biomassa-till- vätskeanläggning (Biomass-to-Liquids (BtL) plant) för syntes- gasframställning, måste föreningarna antingen reformeras omedelbart efter förgasningen, vilket innebär att driften sker i en lågtemperaturförgasningsprocess eller alternativt måste förgasningen utföras vid en tillräckligt hög temperatur, varvid tjärföreningarna bryts ned redan under förgasningen, vilken process är känd såsom högtemperaturförgasning.

Reformering av gas innehållande tjärföreningar har undersökts av olika organisationer under de senaste åren, men än så länge har inga fullständigt genomförda, kommersiellt tillgängliga eller tekniskt genomförbara lösningar presenterats.

CtL-processen (Coal to Liquid process) har kommersiellt imple- menterats såsom "the entrained flow gasifier”, på finska all- mänt känd såsom ”pölykaasutin” (dammförgasare). I denna typ av förgasare mals kol till damm uppströms förgasaren, och trans- porteras därefter med hjälp av en inert bärgas till reaktorn.

Detta arrangemang kräver att bränslet har pulveriserats till en liten partikelstorlek av storleksordningen 100 um och upp- visar lämpliga fluidiseringsegenskaper. Dammet kommer att fluidisera väl då det är tillräckligt torrt, dess malda partiklar är maximalt runda och dammet inte klumpar sig till bildande av agglomerat.

Vid fluidisering tvingas damm-gasblandningen att uppföra sig såsom ett fluidum. Då en gas insprutas underifrån i ett lätt fluidiserbart dammlager fördelas gasen homogent i hela damm- bädden och bädden börjar att "flyta”, varvid dess volym ökar.

Vid ett svagt fluidiserbart bränsle börjar den gas, som blåses 10 15 20 25 30 in underifrån, att bilda bubblor eller kanaler i bädden.

Bäddvolymen kommer inte att expandera och bränsleinmatningen till reaktorn blir svår eller till och med omöjlig. En nödvän- dig förutsättning för erhållande av fluidiserbart damm är att dess partiklar är maximalt runda. Dammaterialet måste även vara tillräckligt torrt.

En dammförgasare, då implementerad i enlighet med den kända tekniken, är en högtemperaturförgasare som har pålitlig drift, är okomplicerad och kostnadseffektiv med avseende på investe- ring. En nackdel som hindrar en vidare användning av denna utrustning har emellertid uppstått med avseende på det bränsle som förbränns däri i det att, såsom beskrivits ovan, det krävs specifika förhållanden för dess okomplicerade drift. Det är således särskilt viktigt att undersöka det biobränsle som skall förgasas och dess reglerade flöde till förgasaren.

I förgasningsprocessen för biomassa har man funnit att torv kan malas på samma sätt som kol till verkligen runda partik- lar, under det att man bibehåller den erfordrade malnings- energin vid en rimlig nivå. Malningen kan utföras med använd- ning av antingen en hammarkvarn eller en kulkvarn. De grova fraktioner, som lämnar kvarnen, kan avskiljas medelst t ex en luftsikt och återcirkuleras till kvarnen för ytterligare pulverisering. Den erfordrade specifika malningsenergin är typiskt av storleksordningen 20 kWh/ton torv.

Däremot är pulverisering av trä betydligt mycket svårare. På grund av cellulosafiberstrukturen hos trä alstrar malning primärt fibrer. I vissa typer av malare tenderar fiberändarna att bilda ”whiskers” varigenom fibrerna lätt börjar att klumpa ihop sig till agglomerat som ytterligare komplicerar fluidise- ringen av dammet. Målning av trä till mer sfäriska partiklar har försökts genom en process benämnd torrefiering. Torrefie- 10 15 20 25 30 ringsprocessen som sådan är välkänd inom tekniken; närmare bestämt med torrefiering åstadkoms uppvärmning av träflis vid en svagt förhöjd temperatur under syrefria förhållanden, varigenom cellulosafibrerna bryts (depolymeriseras) och hemi- cellulosakomponenterna, vilka binder fibrerna vid varandra, bryts ned åtminstone delvis. Detta resulterar i att fibrerna försvagas vid vissa punkter, vid vilka fibrerna bryts under malning. Vid än så länge utförda tester har man funnit att, under fördelaktiga förhållanden, torrefierat trä kan malas till fluidiserbart damm. Dessutom, såsom beskrivs i EP 2009353, minskas den specifika malningsenergin i betydande utsträckning jämfört med malning av torrt trä.

Utnyttjande av torrefiering är fortfarande företrädesvis under undersökning och representerar sålunda inte en kommersiell teknologi. Dessutom framställs pyrolysgaser och komplicerar processen. En torrefieringsprocess ansluten till en förgasare är således likartat med att ansluta en lågtemperaturförgasare till en högtemperaturförgasare på det sätt som är känt genom till exempel Carbo-V-processen, som utvecklats av Choren Industries. Med andra ord är torrefiering ekvivalent med partiell milkolning.

Utföringsformen enligt föreliggande uppfinning syftar nu till att åstadkomma en ny typ av förfarande som är i stånd att övervinna ovannämnda problem. Laboratorietester har visat att torkat torvdamm kan matas till en dammförgasare utan problem.

Emellertid kan inte torv omvandlas på ett kostnadseffektivt sätt till flytande biobränsle, eftersom torv inte är kategori- serat såsom ett biobränsle i länderna inom den europeiska unionen. Däremot är ett flytande bränsle framställt av torv angivet såsom syntetiskt. Detta resulterar i att om biostatu- sen hos syntetiskt flytande bränsle, som härrör från torv, 10 15 20 25 30 skall uppgraderas, måste en del av torvråmaterialet ersättas av biobränsleràmaterial angivna i enlighet med EU-regler.

Närmare bestämt utmärker sig uppfinningen av vad som anges i de bifogade kraven. Det väsentliga särdraget hos uppfinningen är att implementera det nya förfarandet genom att sammata tillsammans med torvdamm till en trycksatt dammförgasare en annan typ av damm från biomassa, såsom mald träbaserad bio- massa, biomassa från växter och/eller någon annan liknande biomassa.

Fig. 1 och 2 åskådliggör ett processchema hos en utföringsform för implementering av förfarandet.

Uppfinningen hänför sig till ett förfarande, som är illustre- rat i Fig. 1 och 2, varvid det ovan beskrivna fiberhaltiga, torra trädammet blandas med torvdamm utan någon väsentlig för- sämring av dess fluidiserings- och transportkvaliteter. I enlighet med uppfinningen utnyttjades en hammarkvarn för att pulverisera träåterstoder och bark till ett damm som kan siktas genom ett nät med öppningar av ca 100 um för blandning med torv i en viktfraktion av ca 0-30%. En viktfraktion så hög som 20% resulterade i ett väl fluidiserbart damm. Om torrefie- rat trä utnyttjas i förfarandet kan andelen av träbaserat rå- material, såsom kompletterande bränsle, tillsammans med torv öka så mycket som till 50-90%. Fluidiseringen hos blandningen kan ytterligare förbättras genom kända tekniker med användning av en omrörare, dvs omblandning av dammbädden mekaniskt.

Det förfarande, som visas i Fig. 1 och 2, har separata mottag- nings- och förbehandlingssteg för träbaserad biomassa och torv. I enlighet med uppfinningen torkas träflis till en fukt- halt av ca 5% och torv till ca 10%. Därefter mals flis och torv till en partikelstorlek mindre än 500um, varvid minst 50% av partiklarna är mindre än 100um. Flisen mals i ett eller 10 15 20 25 30 flera steg. De bästa malningsresultaten har erhållits med användning av en skärande kvarn, såsom en hammarkvarn. Kvarnen måste vara försedd med en sikt i syfte att återcirkulera den grova fraktionen tillbaka till kvarnen. Den här specificerade energiförbrukningen är typiskt av storleksordningen 100-200 kWh/ton. Torv kan malas i en hammarkvarn eller kulkvarn försedd med en sikt. Typisk specifik energiförbrukning i en kulkvarn är av storleksordningen 20 kWh/ton.

Nedströms malningssteget är det torvdamm som erhålls därifrån blandat med malt trädamm. Typiskt är mängden trädamm som blandas med torvdamm 10-30%, varvid mängden torvdamm är 70- 90%. Blandning utföres före fluidiseringskammaren i en separat blandningsanordning. I blandningssteget är det absolut nödvän- digt att trädammfraktionen blandas maximalt homogent med torv- dammet.

Vid tester utförda i enlighet med uppfinningen har man funnit att, då andelen trädamm överstiger 30%, fluidiseringskvaliteterna försämras i betydande utsträckning och inmatning av damm till reaktorn kan inte längre utföras på ett säkert sätt, under det att användning av torrefierat trädamm tillåter fluidisering av en torv-träblandning även då trädammandelen är så hög som 50-90%. Eftersom pyrolysgasen går förlorad under bränslesyntesen, då torrefierat trä utnyttjas, sjunker utbytet av flytande bränsle från råmaterialet. I denna alternativa utföringsform av förfarandet utföres torrefieringen efter torkning av trä, före malningssteget.

Såsom beskrivits ovan hänför sig uppfinningen till ett för- farande för framställning av ett bränsle genom förgasning i en högtemperaturförgasare såsom en dammförgasare. Ett viktigt särdrag hos uppfinningen är att dammförgasaren matas tillsam- mans med torvdamm med en annan typ av damm från biomassa, 10 15 20 25 30 såsom mald träbaserad biomassa, under det att även biomassa från växter och/eller någon annan liknande biomassa, som är lämplig för förgasning, kan matas till förgasaren. På detta sätt kan en andel av det torvdammråmaterial, som skall utnyttjas såsom ingående material i en dammförgasare för framställning av ett syntetiskt, flytande bränsle och/eller klassificerat biobränsle, ersättas med torkat och malt biomassdamm, såsom fiberhaltiga, skördade träåterstoder, flisat grot, bark eller liknande träbaserade råmaterial, biomassa från växter, biomassa som är torkad och mald från avfallsslam eller vilka som helst motsvarande massor, antingen såsom separata fraktioner eller blandningar därav.

Uppfinningen hänför sig även till användningen av torvdamm vid förgasning varvid träbaserad biomassa, biomassa från växter och/eller andra biomassor sätts därtill. Förutom träbaserad biomassa och biomassa från växter kan t ex olika typer av material, som är torkade och malda från olika avfallsslam, även användas. Uppfinningen är baserad på den idén att torv- damm, vilket som sådant är ett fullt funktionellt ingående material i en dammförgasare, kompletteras med någon annan typ av damm från biomassa, som eventuellt försämrar kvalitén hos torvdammet, men som ändå tillåter användning av en sådan damm- blandning utan att äventyra själva förgasningsprocessen.

Kvalitén hos dammet såsom ingående material till en förgasare bestäms av formen hos dammpartiklarna, storleksfördelningen hos dammpartiklarna, fukthalten och andra egenskaper hos dammet, såsom kohesionskrafter mellan dammpartiklarna, elektrostatisk attraktion och andra liknande fenomen. Dammet matas till reaktorn med hjälp av en bärgas, varpå dammet reagerar mycket snabbt med syre vid en hög temperatur.

Reaktions- eller förgasningstiden är mindre än en sekund. Det är av yttersta vikt att man kan garantera jämn kvalitet hos dammet för att hålla jämna inmatningsförhàllanden, eftersom ojämn inmatning orsakar variationer i syre-bränsleblandningen och resulterar i låg kvalitet hos den framställda gasen och svårigheter i att styra förgasarens drift.

Det är uppenbart för fackmannen att uppfinningen inte är begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna i form av exempel, utan kan varieras inom ramen för uppfinningen såsom den anges i de efterföljande patentkraven.

Claims (10)

10 15 20 25 30 Patentkrav

1. Förfarande för framställning av ett bränsle genom förgas- ning i en högtemperaturförgasare, såsom en dammförgasare, kännetecknat av att, i förfarandet, dammförgasaren drivs genom att man sammatar tillsammans med torvdamm en annan typ av damm från biomassa, såsom mald träbaserad biomassa, biomassa från växter och/eller någon annan liknande biomassa.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att, i förfa- randet för framställning av ett syntetiskt flytande bränsle och/eller klassificerat biobränsle, en fraktion av torvdammrå- material, som skall utnyttjas såsom ingående material till en dammförgasare, ersätts med torkat och malt damm av biomassa, såsom fiberhaltiga, skördade trärester, flisat grot, bark eller liknande träbaserat råmaterial, biomassa från växter, biomassa som torkats och malts från avfallsslam eller någon annan motsvarande massa, antingen såsom separata fraktioner eller blandningar därav.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att förgasningen i en trycksatt dammförgasare genomförs under sam- matning av särskilt torkat och malt trädamm tillsammans med torvdamm lämpligt för förgasning med avseende på dess fördel- aktiga partikelform, storleksfördelning, fukthalt och bland- ningsförhållandet av trä-till-torvdamm.

4. Förfarande enligt något av kraven 1-3, kännetecknat av att den träbaserade biomassa, som skall malas till trädamm, torkas till en fukthalt av ca 5% och torvdammet till ca 10%, varefter biomassan mals till en dammpartikelstorlek mindre än 500 um, varvid minst 50% av partiklarna är mindre än 100 um.

5. Förfarande enligt något av kraven 1-4, kännetecknat av att den träbaserade biomassan, som skall malas till trädamm, 10 15 20 25 30 10 mals efter torkningen antingen som sådan, varvid blandnings- förhållandet är inom intervallet av O-30% trädamm och ca 100- 70% torvdamm, eller alternativt efter torrefiering, varvid blandningsförhållandet är 50-90% trädamm och 10-50% torvdamm.

6. Förfarande enligt något av kraven 1-5, kännetecknat av att den träbaserade biomassan mals, särskilt fördelaktigt med användning av en skärande malare för att ge dammet homogena kvaliteter såväl som ett välfluidiserande damm.

7. Användning av torvdamm vid förgasning varvid det ingående materialet kompletteras med träbaserad biomassa, biomassa från växter och/eller annan biomassa lämplig som råmaterial i en förgasare.

8. Användning enligt krav 7 av damm från biomassa, såsom mald träbaserad biomassa, biomassa från växter och/eller annan liknande biomassa som är lämplig som råmaterial till en förga- sare, tillsammans med torvdamm såsom råmaterial i en högtempe- raturförgasare för framställning av ett bränsle förgasat i en dammförgasare.

9. Användning enligt krav 7 eller 8 för framställning av ett syntetiskt flytande bränsle och/eller klassificerat biobräns- le, i vilken process en fraktion av råmaterial i form av torv- damm som skulle utnyttjas såsom ingående material i en damm- förgasare ersätts med torkat och malt damm av biomassa såsom fiberhaltiga, skördade trärester, flisat grot, bark eller lik- nande träbaserade råmaterial, biomassa från växter, biomassa som torkats och malts från avfallsslam eller vilken som helst motsvarande massa, antingen såsom separata fraktioner eller blandningar därav.

10. Användning enligt något av kraven 7-9 av torkat trädamm tillsammans med torvdamm såsom ingående material på ett sådant ll sätt att förgasning i en trycksatt dammförgasare utförs under sammatning av särskilt torkat och malt tràdamm tillsammans med torvdamm lämpligt för förgasning tack vare sin fördelaktiga partikelform, storleksfördelning, fukthalt och bland- ningsförhàllandet av trä-till-torvdamm.