Forgasning af biomasse

Transkript

1 Forgasning af biomasse Projektrapport September 1995 Dansk Gasteknisk Center a/s D r. Neergaards Vej SB 2970 Hørsholm Tlf Fax [email protected]

2 Forgasning af biomasse Lis Jacobsen Dansk Gasteknisk Center a/s Hørsholm 1995

3 Titel Forgasning af biomasse Rappon kategori Projektrapport Forfatter Lis 1 acobsen Dato for udgivelse September 1995 Copyright Dansk Gåsteknisk Center a/s Sagsnummer Sagsnavn Biomasse ISBN For ydelser af enhver an udføn af Dansk Gasteknisk Cemer a/s (DGC) gælder: at DGC er ansvarlig i henhold til "Almindelige bestemmelser for teknisk rådgivning & bistand (ABR 89", som i øvrige anses for vedtaget for opgaven. ae erstatningsansvaret for fejl, forsømmelser eller skader over for rekvirenten eller tredjemand gælder pr. ansvarspådragende fejl eller forsømmelse og altid begrænses til 100% af del vederlag, som DGC har modtaget for den pågældende ydelse. Rekvirenten holder DGC skadesløs for alle tab, udgifter og ersratningskrav, der måtte overstige DGC's hæftelse. ar DGC skal - uden begrænsning - om levere egne ydelser i forbindelse med fejl og forsømmelser i DGC' s materiale. Juni 1992

4 DG C-rapport 1 Indholdsfortegnelse Side l Forord Formål Sammenfatning Biomasseressourcer til forgasning Halm Flis og træ Affald Energiafgrøder Sammenfatning Forgasningsprocesser og produkter Procesparametre... lo 5.2 Forgasningsprincipper Fixed bed Fluidbed Entrained flow reaktorer Gaskvaliteter Driftsøkonomi Teknisk udviklingsstade Eksisterende forgasningsanlæg Kommercielle anlæg Forsøgsanlæg I Danmark Udlandet LIJ/jkt/rapport/forgasning.R02/

5 DG C-rapport Sammenfatning vedr. eksisterende anlæg Fremtidige og planlagte anlæg i Danmark LIJ/jkt/rapport/forgasning.R02/

6 DGC-rapport 3 1 Forord Dette projekt er udarbejdet som en orienterende undersøgelse af gasselskabernes muligheder for at distribuere biogengasser fra termiske forgasningsanlæg i naturgasnettet. Herunder at identificere et eller flere forgasningsanlæg der kan være interessante som samarbejdspartnere med henblik på at opnå resultater for gaskvaliteter og øvrige driftsresultater. Interessante forgasningsanlæg identificeres på baggrund af kriterier for: Forsyningssikkerhed Gaskvalitet Gasproduktion Placering i forhold til naturgasnettet Den anvendte forgasningstekniks teknologiske udviklingsstade og fremtidsperspektiver. Undersøgelsen dækker eksisterende og fremtidige anlæg. Undersøgelsen er udført for gasselskabernes Fagudvalg 2. 2 Formål Formålet med projektet er at identificere et eller to interessante termiske bioforgasningsanlæg med henblik på at få adgang til driftsresultater, specielt data for gaskvaliteten. Det er endvidere formålet at give en kortfattet redegørelse for den teknologi, der anvendes i forgasningsprocesser samt at vurdere potentialet af de biobrændsler, der kan anvendes i forgasningsprocessen. 3 Sammenfatning Gaskvalitet Gas fra forgasningsanlæg har i forhold til naturgas en meget lav brændværdi og metanindhold. Det øvre wobbeindeks er tilsvarende lavere og ligger for forskellige forgasningsprocesser og brændselstyper i intervallet 3-10 MJ IN m 3 De brændbare hestandele i biogengassen er primært brint

7 DGC-rapport 4 (H 2 ), kulilte (CO) og begrænsede mængder metan (CH 4 ). Udover de brændbare bestanddele er hovedindholdet i biogengassen C0 2 og N 2,som kan bortrenses. Renses gassen for kuldioxid (C0 2 ) og kvælstof (N 2 ), vil den nedre brændværdi eksempelvis kunne øges fra 5,3 til 8,8 MJ/Nm 3 og det øvre wobbeindeks fra 6,0 til15,9 MJ/Nm 3 Pga. det lave wobbeindeks vil gas fra termiske forgasningsanlæg ikke kunne distribueres i naturgasnettet, selvom de inaktive gasser er fjernet fra gassen. Gaskvaliteten kan i nogen grad forbedres ved hensigtsmæssig valg af proces eller procesparametre. Gaskvaliteten kan bl.a. forbedres gennem forgasning ved højt tryk eller forgasning af materiale med en elementærsammensætning med højt HC-forhold. De fleste forgasningsanlæg i Danmark er anlagt for forgasning af træflis og halm. Halm har ved de fleste forgasningsprincipper vist sig procesteknisk problematisk pga. halmens lave askesmeltepunkt Halmressourcerne for forskellige år er desuden meget svingende, hvorfor der kan forekomme problemer med forsyningssikkerheden ved produktion af gas på basis af halm. Træflis og energiafgrøder er forsyningsmæssigt det bedste forgasningsmateriale. Forgasningsanlæg i Danmark har endnu ikke været drevet på kommercielle vilkår. Det er derfor i øjeblikket ikke muligt at forudsige den potentielle gasproduktion eller driftsøkonomi fra de enkelte anlæg i en sådan situation. Det kan desuden forudses, at kommerciel drift af de eksisterende anlæg vil give høje driftsomkostninger pga. manglende automatisering. Det må derfor foretrækkes at vælge et anlæg, som i størst mulig grad er anlagt for og drevet på kommerciel basis. I Danmark er der i øjeblikket opstillet og idriftsat adskillige termiske forgasningsanlæg. De fleste af disse er primært etableret med henblik på forsøg og demonstration. På de største af anlæggene, bl.a. Harboøre, forventes gennemført forsøg, som kan give et indtryk af de gaskvaliteter, der kan produceres fra den pågældende anlægstype. Udviklingstendenserne inden for forgasningsteknologien går imod større og mere automatiserede anlæg. Udvikling af automatiseringen af forgasningsprocessen er primært koncentreret omkring brændselsindfødningen på tryksatte anlæg. Når disse pro- Biomasseressour certil forgasning Driftsøkonomi Forgasningsanlæg

8 DG C-rapport 5 blemer er løst, er der ved de tryksatte anlæg muligheder for at måle og regulere processerne i forgasseren og herved opnå en fuldautomatisk proces. Interessante anlæg Interessante anlæg er anlæg, som anvender en forgasningsteknologi der kan forventes at få kommerciel udbredelse i fremtiden. Da det ikke er muligt vha. opskalering af et forsøgsanlæg at forudsige et tilsvarende kommercielt anlægs-, drifts- eller produktionsforhold, kan der pt. ikke påvises nogen interessante anlæg i Danmark Derimod kan udenlandske anlæg i Sverige og Finland samt Elsarn og Elkrafts planer vedr. etableringen af et demonstrationsforgasningsanlæg i fuldskala være interessante. Det danske anlæg skal bruges til forgasning af biomasse og placeres formodentlig i Assens. Anlægget er interessant fordi det bliver opført som et demonstrationsanlæg med henblik på at simulere kommerciel drift. Forgasningsgeneratoren i Elsam-IElkraft-anlægget bliver baseret på fluid-bed processen og skal indgå i et!gcc-kraftværk (Integrated Gasification Combined Cycle) på ca. 7 MW installeret el-effekt. Anlægget bliver tidligst færdigt i år Internationalt er det muligt at følge forgasningsaktiviteter hos Enviropower, Tampere i Finland, som har etableret et 15 MW forgasningsanlæg svarende til det i Assens. Ligeledes har Sydkraft i Sverige opført et forgasningsanlæg på 6 MW, el også svarende til det kommende anlæg i Assens. Gasdata fra Tampere Finland er anført i rapporten. Interessante anvendelser Biogengas er på flere anlæg forsøgt anvendt til kraftvarmeproduktion i en gasmotor. Ingen af anlæggene har endnu kørt kontinuert med gasmotoren hvilket tyder på tilstedeværelsen af driftsproblemer. Problematikken omkring motordrift kan henføres både til indholdet af tjærestoffer i gassen og gassens forbrændingstekniske egenskaber. Laboratoriet for Energiteknik, DTU, har stor erfaring med forsøg på motordrift på biogengasser udtrykker interesse for at gennemføre forsøg med kombineret anvendelse af blandet biogengas-naturgas i gasmotoranlæg. Formålet med forsøgene skulle være at påvise de tekniske, miljømæssige og økonomiske fordele ved kombineret drift i forhold til ren biogengasdrift

9 DG C-rapport 6 4 Biomasseressourcer til forgasning Produktkategorier Forskellige organiske materialer er anvendelige til forgasning. Disse materialer kan opdeles i kategorierne: overskudsprodukter og specialprodukter. En opdeling som er af afgørende betydning for de markedsmæssige mekanismer, der er gældende for produkterne. Grænsen mellem de to kategorier kan i nogle tilfælde være flydende, hvilket der skal redegøres for i det efterfølgende. Overskudsprodukterne fremkommer som et biprodukt i produktionen af et specialprodukt. Specialprodukter bliver fremstillet til at dække et specifikt behov og er underlagt markedsøkonomiske mekanismer. Et specialprodukt er fx energiafgrøder og i nogen grad træflis. Overskudsprodukterne kan, hvis der opstår efterspørgsel, få karakter af et spedalprodukt mht. pris og udbud. At det er tilfældet, er der adskillige eksempler på inden for energisektoren bl.a. for halm og affald. 4.1 Halm Halm fremkommer som et overskudsprodukt i produktionen af komafgrøder i landbruget. En del af halmen anvendes traditionelt i husdyrproduktionen, til energiproduktion i landbruget og til industrielle formål (papir og træpiller). Den del af halmproduktionen kan derfor ikke karakteriseres som et overskudsprodukt. Den uudnyttede restmængde fordelt på forskellige amter i årene , ses i Figur l.

10 DG C-rapport Produklien Produklien 1991 m Overskud Qyerskud 1991 OB Nord1y1- V1borg Alhus Vø1le A~rtglul- Ribe S.nder Fyn VestatøJI Slor Fr.borg Ros- Bom ~ land blng J)'tland land alrn ml Kbhvn lu Ide holm Figur 1: Halmproduktion og halmoverskudfordelt på amter III Af Figur l ses endvidere, at halmproduktionen er faldende. Dette kan skyldes både en generel nedgang i komproduktionen i landbruget (som følge af fx braklægningsordninger og nonfood produktion), men også skyldes udsving i den årlige produktion. Der kan forekomme år, hvor overskudsproduktionen i nogle landsdele er lig O og 1994 var tørkeårhvor halmproduktionen var meget lav i forhold til et normalår i alle landsdele. Energiproduktion baseret på halm må derfor placeres i områder hvor der er et markant overskud af halm. 4.2 Flis og træ. Flis- og træressourcerne kan opdeles efter deres oprindelse i: skovbrændsler, træindustriaffald, udtjent træ og træbaserede produkter samt træ fra parker og anden beplantning. Ressourcefordelingen for de 4 grupper er atbængig af udbud og efterspørgsel. Skovbrændsler Produktionen af skovbrændsler i form af brænde eller flis udgjorde i m 3 eller 20% af den samlede hugst. Den del af hugsten, der anvendes til industrielle formål, kaldes gavntræ. Skovflisen udgør 40% af det samlede forbrug af skovbrændsler, de resterende 60% er brænde. Produktionen af flis kan hurtig tilpasses efterspørgslen både kvalitets- og

11 DGC-rapport 8 kvantitetsmæssigt. For skovflis antages det, at produktionen kan fordobles, hvis der kan findes afsætning herfor /2/. På længere sigt ( år) forventes der en fordobling af det danske skovareal, hvilket yderligere øger de disponible ressourcer af skovbrændsler. Øvrige træressourcer De øvrige træenergiressourcer forekommer i varierende udbud og er afhængig af bl.a. industriel produktion og byggeaktiviteter. Forsyningsikkerheden for industrielt træaffald er bedre end for byggeaffald. Der fremstilles årligt ca ton træpiller på basis af industriaffald og byggeaffald /2/. 4.3 Affald Affald fra primærkilderne er alt affald excl. slam, roejord og restprodukter fra energianlæg. Affaldsressourcerne fra primærkilderne var i 1993 fordelt på behandlingsformerne: 23% til deponering, 29% til forbrænding og 47% til genanvendelse. Den samlede affaldsmængde fra primærkilderne udgjorde i 1993 ca tusind ton. Ifølge regeringens handlingsplan skal behandlingsmønsteret af affaldsressourcerne ændres til: 16% deponering, 31% forbrænding og 53% genanvendelse /3/. På landsplan er der i øjeblikket tilstrækkelig med behandlingskapacitet til at opfylde handlingsplanens målsætning. Der er derfor stor efterspørgsel efter det brændbare affald på forbrændingsanlæggene. 4.4 Energiafgrøder Energiafgrøder kan produceres i både etårig og flerårig omdrift. Energiafgrøderne er i øjeblikket repræsenteret af produkterne pil, elefantgræs (flerårige) og raps (etårig), som høstes og anvendes i form af hhv. flis og helsæd. Der kan også produceres energikorn, såfremt der lovgivningsmæssigt åbnes op for denne mulighed. Etårige energiaf- grøder Etårige afgrøder er lettest at dyrke for landmanden, fordi det, i forhold til traditionel kornproduktion, ikke kræver en ændret produktionsproces og yderligere investeringer. Imod etårige energiafgrøder taler de problematiske fyringstekniske egenskaber ved traditionel forbrænding og energiafgrøders prismæssigt dårlige konkurrenceevne i forhold til brændsler som kul, olie og naturgas.

12 DGC-rapport 9 Potentialet Potentialet for energiafgrøder er på kort sigt ca. 25 PJ eller 3% af bruttoenergiforbruget. På længere sigt kan en fordobling af skovarealet og frigørelse af et større areal landbrugsjord betyde, at energiafgrøder kan bidrage med 70 PJ eller 10% af energiforbruget /4/. 4.5 Sammenfatning Biomasseressourcerne til forgasning vil både pris- og udbudsmæssigt være afuængig af, om biomassetypen karakteriseres som et overskudsprodukt eller et specialprodukt. Overskudsprodukter som halm og affald bliver udbudsmæssigt reguleret af andre mekanismer, end dem der er relateret til energiproduktion, og markedet herfor kan derfor forekomme ustabilt. Nogle biomassetyper,bl.a. træflis og energiafgrøder, har mulighed for at udvidde produktionen væsentligt i forhold til efterspørgslen på markedet og kan derfor karakteriseres som specialprodukter. Energiproduktion på basis af specialprodukter er derfor forsyningsmæssigt mere sikkert end energiproduktion fra overskudsprodukter. 5 Forgasningsprocesser og produkter Processer Forgasningsprocessen kan opdeles i 3 faser, tørrefasen, pyrolysefasen og forgasningsfasen. Tørrefasen: Vand i brændslet fordamper ved kogepunktstemperaturen for det pågældende tryk. Før alt vandet er fordampet vil temperaturen ikke ændres, såfremt trykket fastholdes. Pyrolysefasen: Når alt vandet er fordampet, stiger temperaturen, og den såkaldte pyrolyseproces starter ved ca. 200 C og fortsætter op til 800 C, forudsat processen foregår i en atmosfære uden oxidationsmiddel Hvis der tilsættes ilt til processen, og processen foregår i en understøkiometrisk oxiderende atmosf~re, kaldes den en forgasningsproces. Oxidationsmidlet kan være ilt, atmosfærisk luft eller vand + ilt. I pyrolysefasen begynder det organiske materiale at afgive sine flygtige bestanddele i form af en blandingsgas bestående af H 2, CH 4, CO, C0 2 samt tjære- og oliestoffer.

13 DG C-rapport 10 Forgasningsfasen: Øges temperaturen til over 800 C og tilsættes et forgasningsmiddel (fx ilt og vand), vil kulstoffet i koksen omdannes til gas bestående af H 2, CO og C0 2 Tilbage af brændslet er en mineralholdig koksrest, men i praksis dog en del kulstof. Forgasningsfasen er varmeforbrugende, hvis forgasningsmidlet er vanddamp, kuldioxid eller brint. Anvendes der i stedet luft eller ren ilt, vil processen være varmeudviklende Procesparametre Procesparametre Forgasningsprocessens driftsparametre, og disses indflydelse på processens forløb og slutproduktets kvalitet, har været genstand for mange undersøgelser. Der er herved fundet en række betydende parametre, men disses effekt på slutproduktet (gaskvaliteten) og indbyrdes afhængighed er endnu ikke fuldkommen kortlagt. Af samme årsag er det vanskeligt at sammenligne modelforsøg med fuldskalaanlæg, fordi en opskalering af et modelanlæg medfører ændring af parametre, uden at effekten af ændringen kan forudsiges. Det er dog ud fra forsøgsdata muligt at udlede nogle generelle sammenhænge mellem de vigtigste driftsparametre og forgasningsprodukterne. En gennemgang af disse forhold ligger uden for dette projekts rammer, men vil være relevant ved udvælgelse af forsøgsanlæg ud fra gaskvalitetsmæssige interesser. De almindeligt anvendte parametre kan groft opdeles i proces- og brændselsafhængige. Proces: Forgasningshastighed, opholdstid, forgasningstemperatur og -tryk, kulstofkonversationsfaktor, forgasningsmiddel: ( relativ mængde, temperatur, tryk og fugtighed). Brændstof Vandindhold, brændværdi, partikelstørrelse, askeindhold, askesmeltepunkt, elementar analyse (C, H, N, S, O, Na, K og Cl).

14 DG C-rapport 11 Slutproduktet, gassens sammensætning, måles ud fra parametrene: brændværdi, temperatur, hydrocarbonindhold, tjæreindhold, askeindhold, vandindhold og gassammensætning (CO, C0 2,CH 4, H 2,H 2 0 og N 2 ). En så omfattende og varierende mængde parametre anskueliggør problematikken omkring sammenligning af data for anlæg med forskellige processer og brændsler. 5.2 Forgasningsprincipper Forgasningsprincipper Nedenstående forgasningsprincipper anvender alle ovenstående forgasningsprocesser med varierende procesparametre. Forgasningsprincipper til biomasse kan deles op i tre grupper: l. Fixed bed/moving bed 2. Fluid bed 3. Entrained flow. Alle tre forgasningsprincipper kan tryksættes, enten ved at gassen efterfølgende tryksættes med komprimeringsudstyr, eller ved at reaktoren opbygges for tryk, hvilket medfører at brændslet indfødes under tryk Fixed bed Fixed bed anlæg er repræsenteret ved forgasningsgeneratorer af med- og modstrømsprincippet Figur 2. I medstrømsgeneratoren er brændsels- og gasflowet ensrettet. I modstrømsgeneratorer er flowet modsatrettet.

15 DG C-rapport 12 A Flis B Flis ~~ Aske Figur 2: Forgasningsgeneratorer baseret påfixed bed princippet. A: medstrøm, B: modstrøm 121. Fordele/ulemper To-trins medstrømsforgasser Modstrømsforgasser Medstrømsforgasnings fordele er, at tjærestoffer, som er dannet i pyrolysezonen, kan krakkes i forgasningszonen og herved omdannes tillette brændbare forbindelser. Tjæreindholdet i gassen bliver herved på typisk 0,3-3 g/nm 3 Gasrensningsforanstaltningerne kan derfor begrænses til at omfatte støv og partikelrensning. Ulemperne ved medstrømsforgasseren er, at brændslet skal være forholdsvist tørt, maks 20-30% vandindhold eller have en høj brændværdi. Slagge- og gastemperaturen er høj, hvorfor brændsler med et lavt askesmeltepunkt, som fx halm, vil medføre sarnmensintring af slaggen i forgasningszonen. Medstrømsprincippet kan modificeres ved at dele forgasningsprocessen op i to adskilte trin; hhv. et pyrolyse- og et forgassertrin. Herved undgås de høje temperaturer i slaggelaget, samtidig med at der fås en relativ ren gas. Princippet er udviklet og anvendt i en forgasser på DTU. Modstrømsforgasseren har modsatrettet gas- og brændselsflow og er anvendelig til både halm og træ, ligesom den kan generere træ med højt vandindhold. Gas- og slaggetemperaturen er lav, hvorfor der kan anvendes brændsler med lavt slaggesmeltepunkt, uden at der opstår sammensintring af slaggen. Vand- og tjæreindholdet i gassen er højt % af energien i

16 DG C-rapport 13 biogengassen er i form af tjære eller pyrolyseolier, som skal omsættes i gaskrakningsreaktor eller gasrensningsanlæg. Gasrensningsforanstaltningerne bliver derfor både teknisk komplicerede og omkostningsfulde, hvis der skal opnås en gaskvalitet, der kan anvendes til motordrift Et anlæg på 8 MWindfyret findes på Harboøre Fjernvarmeværk. Halm Flygtige bestanddele Pyrolyse f Varme u +vand + Forvarm- i.- Varme ning 1 i Delvis afbrænding ; ~ l Koks Forgasning Figur 3: Principdiagramfor totrinsprocessen III. IL Kø_l~in_g J~ Varme Fluidbed Fluid bed reaktorer udføres med boblende eller cirkulerende bed, hvor forgasningsmidlet og/eller biogengassen indblæses i sandbedden. Biogassen er meget varm, hvorfor fluidbed forgasseren giver en hurtig opvarmning af brændslet, som medfører, at der sker en omgående forgasning. Forudsætningen, for at processen er effektiv og hurtig, er, at der tilvejebringes en god varmeoverføring mellem bedmaterialet og brændslet. Dette kan bl.a. ske, ved at brændslet findeles. Gaskvaliteten har et tjæreindhold lidt højere end medstrømsforgasseren (10-30 g/nm 3 ), og der kan anvendes alle arter af biomasse, såfremt de er tilstrækkelig findelte. Fluidbed reaktorer kan drives ved både atmosfære tryk og som tryksat forgasning, og de kan konstrueres i store anlægsstørrelser ( > l O MW).

17 DG C-rapport 14 Ved forgasning af halm bør bedtemperaturen være under 850 for at undgå sammensintring af asken Entrained flow reaktorer Entrained flow er en reaktor baseret på meget hurtig opvarmning og kort opholdstid af brændslet i forgasningszonen. Processen foregår ved, at brændslet fluidiceres med røggas samt ilt eller vand umiddelbart forud for indfødning i forgasningskammeret (Figur 4). Forvarmningskammeret hvor forgasningsmaterialet forvarmes er opvarmet eksternt ved hjælp af elektriske varmeelementer placeret i væggen. Opholdstiden i forgasningskammeret styres ved hjælp af regulering på volumenstrømmen af fluidiceringsmiddel. I forgasningszonen er der et arbejdstryk på 3-25 bar. - -':""!r,;;;;;::::-] --- ~~ Figur 4: Principdiagram af en trafned flow processen på Noe/1, Tyskland!51. Der kan anvendes alle typer brændstof, såfremt de er tilstrækkelig findelte. Anvendes groft materiale kan der forventes en lavere kulstofkonvertering og dermed en dårligere udnyttelse af brændslet. Neddeling af biomasse kan i den forbindelse være en ret omkostningsfuld affære.

18 DGC-rapport 15 Gaskvalitet Gassen fra entrained flow anlæg er ret tjærefattig, hvorfor gasrensningsforanstaltninger ikke er nødvendige. Entrained flow reaktorer anvendes primært til forgasning af sten- og brunkul. 5.3 Gaskvaliteter Gaskvaliteten er afuængig af procesparametre, anlægstype samt anlægsstørrelser. Nedenstående eksempler på gaskvalitetsanalyser for forskellige anlæg er eksempler på, hvilke gaskvaliteter der er målt ved tidligere gennemførte forsøg og drift. Der er mulighed for ændring af gaskvaliteten ved ændringer i procesparametrene. Erfaringsmæssigt er den for gaskvaliteten mest interessante procesparameter trykket i forgasningszonen. Et højt tryk medfører en gaskvalitet med en højere brændværdi (Tabel l og 2 samt Figur 6). Forgasningsmaterialets elementarsammensætning kan også antages at være en parameter, der har stor betydning for gaskvaliteten. Ifølge Figur 5 kan et højt HC-forhold medføre et øget øvre wobbeindeks samt metanindhold. Der kan derfor være grund til at vælge biomasse med et højt HC-forhold i elemen taranal y sen. 1,2 1 '1 ::!: 'C o -E 0,9 ~ o 0,8 l: 0,7 0,6 2,6 2,7 2,8 2,9 3 Øvre wobbeindeks [MJinm3] 3,1 3,2 Figur 5: NC-forholdet som funktion af øvre wobbeindeks. Blanding af kul og halmforgasset i fluid bedforgasser på V1T i Helsinki. Forgasningstryk 5 bar, forgasningstemperatur OC./5/

19 DG C-rapport 16 Entrained flow Proces v323 v324 v325 v326 v331 v297/1 v297/2 Brændsel Halm %-væat Træ Kul Andet %-vægt %-væat %-vægt Gns. partikelstørrelse d. mm 1,6 1, Massestrøm k!:l/h Brændværdi MJ!ko.tør 17,66 17, ,66 17,66 17, Elementer anal. c %-væottør , H %-vægt, tør 5, , N %-væat,tør 0,52 0,52 0,52 0,52 0,52 o o %-vægt, tør , s %-væot tør Aske %-væat.tør Proces Procestid min Tryk bar ,2 Temperatur c Opholdstid se k 1 3 1, Produkt CO vol-%,tør 18, , ,6 C02 vol-% tør 32,3 29,5 30, ,1 14,9 16,1 H2 vol-% tør 56 8, ,7 10,4 21, N2 vol-% tør ,0 CH4 vol-%,tør 0, ,8 0,3 0,1 01 H2S C2-hydroc NH3 HCN vol-%,tør vol-% tør vol-%,tør vol-% tør Densitet tør k!l/nm3 n 1,4 1, ,3 1 3 Relativ densitet tør 1,1 1,0 1 o 1 o 1 o 0,9 09 Brændværdi, n beregnet MJ/Nm Brændværdi, ø, beregnet MJ/Nm ,18 5,16 5, ,37 7,13 Øvre wobbeindeks MJ/Nm ,09 5, Tabel 1: Forsøgsdata forgasningsforsøg ved entrainedjlow forgasning på Noel, Tyskland /5/.

20 DG C-rapport 17 6,5 -r = j 6,0 l 6,5.r ~ 5,5 - l 6 ~ ~ 5,5 i!.... 5,0.. ~ 5 1'l ~ 4~ ~ ~ 4,5.E ~ 4,0-4 ~ ~ o :e 3,5 3,5 ~ 3, t Tryk [bar] l Øvre wobbeindeks MJ/Nm3 CH4 vol-%,tør l Figur 6: Wobbeindeks og metanindhold som funktion af jorgasningstrykket. Gaskvalitet for halm forgasset ved fluid bed processen, V1T, Finland /51. Distribution i naturgasnettet Med henblik på distribution i naturgasnettet skal gaskvaliteten ifølge Gasreglementet afsnit A bilag la, have et øvre wobbeindeks svarende til naturgas. Desuden skal gassen renses for vand, partikler og korrosive komponenter, som kan påføre skader på gasnettet I Danmark anvendes gassens øvre wobbeindeks til inddeling af gasser i gasfamilierne l, 2 og 3. Naturgassen tilhører 2. gasfamilie, som er den gas, der må distribueres i naturgasnettet. Det øvre wobbeindeks W ø [MJ/nm 3 ] er defineret ved den øvre brændværdi divideret med kvadratroden af den relative massefylde, som er forholdet mellem massen af lige store rumfang gas og tør luft ved samme tryk og temperatur. Det øvre wobbeindeks for 2. gasfamilie, under normale forsyningsforhold, ligger inden for intervallet mellem 51,9-54,9 MJ/nm 3, og den relative massefylde for naturgaskvaliteter skal være mindre end O, 7. Svovlbrinteindholdet må maks. være 5 mg/nm 3, og vandindholdet skal være urlkondenseret ved -5 C. Foranstaltninger til rensning eller opgradering af forgasningsgassen til at opfylde bestemmelserne for 2. gasfamilie kan undersøges, eller der kan foretages analyser af forgasningsprocessen med henblik på at optimere processen i retning af en gaskvalitet med et højere metanindhold, således at gassen forbrændingsteknisk er mere lig naturgas.

21 DG C-rapport 18 Fluidized bed Gasoi Gasoi Gasoi Gas o i Gasoi Gasoi Proces PFB PFB PFB PFB PFB PFB Brændsel SP13 SP15 SP16 SP18 SP22B SP22C Halm %-væat Træ %-vægt Kul Affald %-vægt %-vægt Gns. partikelstørrelse d. Massestrøm mm kg/h Brændværdi MJ/kg,tør Elamenfar anal. c %-vægt, tør ,5 49, H %-væqi,tør 6, N %-væat.tør 0,4 0,1 02 0, o %-vægt,tør ,5 42, ,6 43,6 s %-væat.tør Aske %-vægt,tør , ,9 Proces Procestid min Tryl< bar Temperatur c Opholdstid se k Produkt CO vol-%,tør 15,2 7, ,4 16,6 16,3 C02 vol-% tør 15,8 15, , ,4 H2 vol-% tør 99 6,5 9,6 9, N2 vol-% tør 47, , ,7 CH4 vol-%,tør 6,8 3,9 6 6, H2S vol-%.tør o o o o o o C2-hydroc vol-%,tør , ,31 0, NH3 vol-% tør , HCN vol-% tør o o o o o o Relativ densitet tør 0,88 0,84 0,85 o 82 0, Brændværdi, n beregnet MJ/Nm3 56 3,2 51 5,5 54 5,3 Brændværdi, ø beregnet MJ/Nm3 5, , Øvre wobbeindeks MJ/Nm3 6,3 3,6 5, ,0 Tabel2:Forsøgsdatafor forgasning af træ vedfluid bed processen, VVI', Finland 151.

22 DG C-rapport Driftsøkonomi Som nævnt er det ikke muligt at opskalere forsøgsanlæg til fuldskala anlæg, hverken mht. gaskvalitetsdata eller driftsøkonomi. Derfor kan driftsresultater fra pilotanlæg ikke anvendes til at forudsige driftsøkonomi for et kommercielt drevet anlæg. Det forventes ifølge høringsudkastet for teknologidata for vedvarende energianlæg l 101, at investeringsudgiften til etabelring af anlæg vil reduceres i takt med, at forgasningsanlæg teknologisk opnår et højere udviklingsstade 5.5 Teknisk udviklingsstade Teknisk udviklingsstade De væsentligste tekniske problemer ved forgasning er relateret til brændselshåndtering for tryksatte anlæg, tjærekrakning/rensning for modstrømsog fluidbed forgasseren samt generel motordrift på en gas med lav brændværdi. Det forventes, at medstrøms-og den trinopdelte forgasser starter motordrift i Endvidere er det nødvendigt, at der opbygges tilstrækkelig med driftserfaringer med forgasning, til at de enkelte processer kan optimeres og fuldautomatiseres. 6 Eksisterende forgasningsanlæg Der er i Danmark opført og idriftsat adskillige forskellige forgasningsanlæg til både forsøgsformål og kommerciel energiproduktion. De fleste af de danske forgasningsanlæg er mindre anlæg under 4 MW indfyret effekt. I udlandet findes der en del forgasningsanlæg, hvoraf størsteparten anvendes til forgasning af kul. I nedenstående er beskrevet de større kommercielle forgasningsanlæg og anlæg etableret med henblik på forsøg. 6.1 Kommercielle anlæg Høgild Anlægget er opført i 1993 af Herning Kommunale Værker i samarbejde med Det Danske Hedeselskab og Burmeister & Wain Scandinavian Contractor.

23 DG C-rapport 20 Gasgeneratoren er funktionsmæssig baseret på medstrømsprincippet og har en kapacitet på 0,8 MW indfyret effekt. Gasgeneratoren er produceret af MARTEZO i Frankrig og vil i Høgild blive anvendt til forgasning af træ og flis. Forgasseren har d.ol endnu ikke opnået data for gaskvaliteten under kontinuert drift, men forventer at opnå en gasproduktion på 460 m 3 /time og en gaskvalitet med brændværdier på 4-4,8 MJ/nm 3 Gasproduktionen skal anvendes i en gasmotor, som driver en vekselstrømsgenerator. Harboøre Anlægget er forholdsvis nyt; opført og idriftsat i begyndelsen af 1994 af Harboøre Fjernvarmeværk og Vølund A/S. Gasgeneratoren er baseret på modstrømsprincippet til generering af gas på basis af træflis og har en kapacitet på 4.0 MW indfyret effekt. Gasgeneratoren er fremstillet af Vølund. Anlægget skal indledningsvis fungere som basis for forsøgs- og måleprogrammer, der skalløbe over en treårig periode. Herefter overgår anlægget til kommerciel energiproduktion ved Harboøre Fjernvarmeværk. Der vil fra august 1995 foreligge en rapport fra Vølund over anlæggets forsøgsaktiviteter. 6.2 Forsøgsanlæg l Danmark Kyndbyværket Siden 1988 har Dansk Teknologisk Institut (DTI) og Vølund A/S samarbejdet om forsøg med forgasning af halm og træ i en modstrømsforgasser opstillet i tilknytning til kraftværket i Kyndby. Gasgeneratoren har en kapacitet på l MW termisk effekt og er fremstillet af Vølund. Gasgeneratoren har d.ol haft driftstimer kontinuert drift.

24 DG C-rapport 21 Der er på anlægget gennemført forsøg med både halm og træ. Halmforgasning i modstrømsforgasseren har vist sig problematisk pga. håndteringsproblemer med halm. Procesteknisk giver forgasning af træ i denne type generator ingen problemer, men gassen kan pga. det høje tjæreindhold ikke anvendes til forbrænding i en motor. Der arbejdes derfor med udvikling af teknikker til rensning af gassen for tjæreforbindelser. Rapporten ligger til udgivelse august DTU, Lab. f. Energiteknik Laboratoriet har udviklet en medstrømsforgasser på 50 kw termisk effekt opdelt i to trin med separat pyrolyse- og forgasningsdel Anlægstypen er velegnet til forgasning af halm pga. det lave tjæreindhold i gassen og de lave temperaturer i forgasningszonen. Blære Laboratoriet for Energiteknik har i 1995 opført et 400 kw indfyret effekt totrins forgasser som et pilotanlæg. Anlægget er udstyret med en gasmotor, som driver en vekselstrømsgenerator. Anlægget er endnu ikke idriftsat. Præstø dk-teknik og Industri-filter A/S har opført et pilotanlæg efter medstrømsprincippet, som forventes idriftsat i efteråret Medstrømsforgasseren på 150 kw indfyret effekt er udstyret med en gasmotor på 50 kw el Udlandet Der findes i udlandet en lang række nye og ældre anlæg i primært forsøgs og demonstrationsmæssig drift. Det vil her føre for vidt at beskrive samtlige kendte forgasningsanlæg. For interesserede findes der en god beskrivelse af en del anlæg i Europa og Nordamerika i /9/, som omhandler for-

25 DG C-rapport 22 gasningsanlæg både generelt og specielt med henblik på forgasning af affald. I nedenstående er beskrevet anlæg, hvorfra det har været muligt at fremskaffe måledata af en rimelig god kvalitet mht. specifikation af proces- og produktdata, og som er interessante i forhold til kommende anlæg i Danmark. Varnamo, Sverige: Anlægget er et demonstrationsanlæg opført af Sydkraft og idriftsat i Forgasningsprincippet er baseret på en tryksat fluid bed forgasning på basis af træflis med en kapacitet på 18 MW indfyret effekt. Forgasseren tryksættes op til 25 bar. Gassen skal anvendes i et kraftværk konstrueret ud fra IGCC princippet (Integrated Gasification Combined Cycle). Anlægget etableres som en joint venture agreement mellem A. Alstrom og Sydkraft i Sverige i firmaet OY Bioflow AB. A. Alstrom leverer forgasser, rågaskøler, partikelfilteret og dampgeneratoren, mens Sydkraft står for opførelsen af resten af anlægget. Anlægsprisen forventes at blive ca. 250 mio. SKK. Anlægsprincippet er vist i Figur 7. Biomass IGCC, Varnamo Figur 7: Principdiagram Viimarno forgasningsanlæg 171.

26 DG C-rapport 23 Enviropower, Tampere, Finland Anlægget er opført og idriftsat i sommeren 1991 og er oprindelig konstrueret til forgasning af stenkul men modificeret til forgasning af biomasse. Forgasningsprincippet er en tryksat fluid bed forgasser med en kapacitet ved forgasning af biobrændsler på 15 MW indfyret effekt. Anlægsudformningen er vist i Figur 8. FUEL SILDS PRDDUCTW CD M BUmoll SUPER-l H EA TER AIR ORYING NllllOGEN ENVIROPOWER Wli'iUAiiiii'iOIIiffliilillt&ajEJl@ Figur 8: Principdiagram over Enviropower pilotanlæg Tampere, Finland 161. N oell, Tyskland Gasgeneratoren i dette anlæg er en tryksat entrained flow generator med en indfyret kapacitet på 3 MW ved et arbejdstryk på mellem 3 og 25 bar. Anlægget har været anvendt til forsøg af Sjællandske Kraftværker og Elsam. VIT, Finland Forgasseren er baseret på fluid bed princippet og har en indfyret kapacitet på0,3 MW. Anlægsudformningen er vist i Figur 9.

27 DG C-rapport 24 WOOOFEEOER HfAVVTARS l ~.."AR~.\TES AU<Al..l VAPOURS_I i : T!:l PFB '.. GAS/F/ER HEAT EXCHANGER IWIEHJW.SES l.xltfttails : - O.HCH : [ H>"S. <XIS : AlXAU VAPOURS - PAATtclll.ATES PRESSURE LETDOWN COMBUSTOR FLTEAB4ES Figur 9. Anlægsprincip for VIT, Helsinki /51. Anlægget er et forsøgsanlæg og er anvendt til forgasningsforsøg af halm og stenkul/ Sammenfatning vedr. eksisterende anlæg De i Danmark opførte anlæg er alle i øjeblikket i forsøgsmæssig drift. Fra de største af anlæggene, bl.a. Harboøre, kan det forventes, at der bliver gennemført forsøg, som kan give et indtryk af de gaskvaliteter, der kan forventes fra den pågældende anlægstype. I udlandet findes der en del større anlæg, som må forventes konstruktions- og gaskvalitetsmæssigt at ligne de kommende kommercielle anlæg, som vil blive opført i Danmark. Gaskvaliteten fra forgasningsanlæg har i forhold til naturgas en meget lav brændværdi og metanindhold. Det øvre wobbeindeks er tilsvarende lavere og ligger for forskellige forgasningsprocesser og biomasser i intervallet 3-10 MJ/Nm 3 Der er på de eksisterende anlæg endnu ikke idriftsat motorer på basis af biogengas.

28 DGC-rapport 25 Laboratoriet for Energiteknik (LfE), DTU har gennemført adskillige forsøg med motordrift på biogengasser. Forsøgsresultater herfra forventes at foreligge omkring november LfE udtrykker interesse for at gennemføre forsøg med kombineret biogengas/naturgas. Det vil herved kunne eftervises om kombineret anvendelse giver lettere og bedre motordrift i form af forbedret mekanisk virkningsgrad og reducerede emissioner. 7 Fremtidige og planlagte anlæg i Danmark Elkraft og Elsarn planlægger at opføre et demonstrationsanlæg til termisk forgasning af biomasse baseret på tryksat fluid bed forgasningsteknikken. Forgasseren skal indgå som en del af et kraftværk opbygget som et traditionelt!gcc anlæg svarende til anlægget i Vamamo i Sverige. Forgasseren er af samme type som anlægget i Vamamo dvs. dimensioneret til 15 MW indfyret effekt og 7 MWel og skal primært anvendes til forgasning af træflis. Anlægget opføres tidligst i år 2000 og vil formodentlig blive placeret i Assens.

29 DG C-rapport 26 Il! Halm til energiformål Videncenter for Halm og Flisfyring Energistyrelsen 1992 /2/ Træ til energiformål Videncenter for Halm og Flisfyring Energistyrelsen 1993 /3/ Affaldsressourcer til forbrænding 1993 og 2000 Miljøstyrelsen og Energistyrelsen November 1994 /4/ Kortlægning af virkningerne ved anvendelse af energiafgrøder Landbrugsministeriet September 1994 /51 Michael Madsen, Erland Christensen: Combined Gasification of coal and straw Third International Conference on Combustion Technologies for a clean Environment. Lisbon Portugal /6/ Leif Liinanki, Gerth Karlsson: VEGA Test & Verifikation- Trycksatt forgasning av biobrandslen Vattenfall 1994/ Lars Ivarsson: Bioforgasning i Vamamo

30 DGC-rapport 27 Småskalig kraftvarme, Seminarium vid Lunds Tekniska Hogskola Nordisk Ministerrådet /8/ Gasreglementet, Afsnit A Danmarks Gasmateriel Prøvning, Juni 1991 /9/ Forgasning kontra forbrænding af fast affald; miljømæssige aspekter. dk-teknik, april 1994 /10/ Teknologidata for vedvarende energianlæg, del2: Biomasse-teknologier Energistyrelsen, juli 1995 /11/ Halmressourcer i Danmark på længere sigt. Elsam, 1994.