Production of synthetic biofuels from gasified biomass : A study in process integration

Fossila bränslen har sedan de upptäcktes konkurrerat ut biomassa som den huvudsakliga energikällan. Framförallt i trafiksektorn har drivmedel som härstammar från fossil olja varit dominerande. Främst på grund av deras fördelar mot biomassan såsom tillgänglighet, pris, energidensitet och enkelhet att användas i en förbränningsmotor. Men dessa drivmedel innehåller kolatomer som inte längre är en del av det naturliga kretsloppet och vid förbränning leder detta till nettotillskott av koldioxid till atmosfären. Utsläpp av koldioxid utgör den största antropogena inverkan på den accelererande växthuseffekt världen upplever vilket kommer att medföra förödande klimatändringar. Det är mot den bakgrunden nödvändigt att istället framställa drivmedel från en förnybar källa, som innebär en koldioxidneutral förbränning, nämligen biomassa. Samtidigt måste även hänsyn tas till vilken typ av biomassa som används, produktion av biodrivmedel får inte konkurrera med livsmedelproduktion. Därför är det viktigt att ”träaktigt” biomassa används som råvara vilket inte utgör någon konkurrens. Ett lovande sätt att omvandla biomassa till drivmedel är via förgasning där biomassa upphettas tills dess att en gas erhålls, bland annat bestående av kolmonoxid, vätgas, metan och diverse spårämnen. Denna gas genomgår sedan rening och bearbetning där partiklar, tjäror, alkalimetaller och spårämnen renas till dess att gasen endast består av kolmonoxid och vätgas, kallat syntesgas (ofta förkortat som syngas). Syngasen kan sedan i en process omvandlas till en rad olika bränslen, såsom bensin och metan. När gasen renas och bearbetas uppstår stora mängder termisk överskottsenergi. Om anläggningen är fristående kan överskottsenergi inte nyttjas vilket innebär relativ låga verkningsgrader. Men om anläggningen integreras mot till exempel ett massa- och pappersbruk kan överskottsenergi komma väl till pass och på så vis erhålls högre verkningsgrader. I arbetet presenteras en sammanställning av renings- och bearbetningsmetoder. Utifrån denna sammanställning har åtta processlösningar simulerats i processmodellerings-programmet CHEMCAD. De åtta fallen som ingår i studien är för produktion av bensin, diesel, metanol och metan, samtliga med rening vid relativ låga temperaturer (kall gasrening) respektive vid relativ höga temperaturer (het gasrening). Utifrån simuleringsresultateten har det varit möjligt att genomföra en så kallad Pinch-analys där det är möjligt att grafiskt avläsa potential för värmeintegration mot ett typiskt massa- och pappersbruk. Slutligen har en utvärdering av samtliga fall gjorts utifrån olika verkningsgradsberäkningar. Klart står att möjligheterna till värmeintegration är stora, på användbara temperaturnivåer, och uppgår i vissa fall till nästan 40 MW för en 100 MWth–anläggning. Verkningsgraderna är definierade på fyra olika sätt vilket möjliggör djupare tolkning och utvärdering av resultaten men samtidigt kräver det en viss försiktighet från läsaren. Dock framgår det tydligt ur resultaten från verkningsgradsberäkningar att totala effektiviteten för processen kan öka med 10-tals procentenheter om värmeöverskotten tillvaratas. Resultaten framhåller vikten av värmeintegration och indikerar samtidigt möjligheten till effektivare produktion av bio-drivmedel. Detta innebär med stor sannolikhet också ett ekonomiskt sundare alternativ som i sin tur ökar intresset för investeringar på förnybara bränslen. Investeringar av denna typ är en absolut nödvändighet för en hållbar drivmedelskonsumtion i framtiden. Fossil fuels have since their discovery replaced biomass as the main source of energy. Especially in the transportation sector, fuels derived from fossil oil have been the dominant source of energy, mainly due to their advantages compared to biomass such as availability, price, energy density and easiness of use in an internal combustion engine. Unfortunately these fuels contain carbon atoms that no longer are part of the natural cycle and combustion leads to net addition of carbon dioxide to the atmosphere. Carbon dioxide has the largest anthropogenic impact on the accelerated greenhouse effect that the world is experiencing, which will lead to devastating climate changes. In this context it is necessary to instead produce fuel from a renewable source, which means a carbon neutral combustion, namely biomass. At the same time it is necessary to also take into account the type of biomass used, the production of biofuels should not compete with food production. Therefore it is important that “woody” biomass is being used as the raw material, which poses no competition. A promising way to convert biomass into fuels is with gasification where biomass is heated until a gas is obtained, mainly consisting of carbon monoxide, hydrogen, methane and various trace elements. This gas then undergoes purification and processing, where particles, tars, alkali metals and trace elements are purged until only a gas consisting of carbon monoxide and hydrogen remains, called syngas (synthesis gas). The syngas can then be converted into a variety of fuels such as petrol and methane. When the gas is being purified and processed large amounts of excess thermal energy are released. If it is a stand-alone plant, excess energy cannot be utilized, which leads to relatively low efficiencies. But if the plant is integrated with, for example, a pulp and paper mill, the excess energy can be utilized, thus resulting in higher overall efficiencies. This work presents a compilation of purification and processing methods. This compilation was used as the basis for the modelling of eight process solutions that were simulated in the flow-sheeting program CHEMCAD. The eight cases included in the study aim to produce gasoline, diesel, methanol and methane, all with purification at relatively low temperatures (cold gas cleaning) or at relative high temperatures (hot gas cleaning). Based on simulation results, a so-called Pinch analysis has been carried out where it is possible to graphically read off the potential for heat integration with a typical pulp and paper mill. Finally, overall assessments of the eight cases have been made based on different efficiency calculations. The results clearly show that the potential for process integration is great, with useful temperature levels, and amounts in up to almost 40 MW when the biomass input is 100 MWth. The efficiencies are defined in four different ways allowing for deeper interpretation and evaluation of the results, but require a certain amount of caution from the reader. However, it is evident from the results of efficiency calculations that overall efficiency of the process can be increased by 10's of percentage points if surplus heat is utilized. The results emphasize the importance of heat integration and simultaneously indicate the possibility of increased efficiency in production of biofuels. Which most likely also means a more economically sound alternative, which in turn increases the interest from investors in renewable fuels. Investments of this type are an absolute necessity for sustainable fuel consumption in the future