Rensning af forgasningsgas hos Skive Fjernvarme

Transkript

1 Rensning af forgasningsgas hos Skive Fjernvarme Temadag om biogas, forgasningsgas og gas til transport, Skive 12. juni 2014 Jens Kromann Nielsen, Teknologisk Institut

2 Baggrund Baggrund for arbejdet er et EUDP-project, fra , Catalytic decomposition of tar from biomass gasifiers Projektdeltagere: Haldor Topsøe A/S Teknologisk Institut Chimneylab Europe Skive Fjernvarme som vært

3 Baggrund Hvad er problemet? Hvorfor fjerne tjære fra forgasningsgas? Forgasning: Træ + O 2 + H 2 O -> H 2 + CO + Diverse Diverse: Tjære, CH 4, CO 2, NH 3, H 2 S, COS, koks. Tjære: Primære: Oxygenater Sekundære: Phenoler Tertiære tjære: Polycykliske aromater, PAH er Højere forgasningstemperatur Mere kemisk stabile Mindre tjære Højere dugpunkt Tjære med lavt dugpunkt vil udkondensere ved f.eks. <200 og tilstoppe f.eks. rør, motorer, katalysatorer efter forgasseren. Derfor skal det fjernes.

4 Baggrund Hvad er problemet? Hvorfor fjerne tjære fra forgasningsgas? Metoder for fjernelse af tjære: - Gas scrubbing med fx olie, OLGA: Fjerner også støv og partikler. Dog skal tjæren håndteres efterfølgende og tjærens energiindholdet fjernes fra gassen. - Torrefraction + Entrained flow forgasning - Katalytisk tjære reformering: Tjæren omdannes til CO og H 2 Katalytisk tjære reformering, et eksempel på steam reforming af naphthalen: + 10H 2 O Ni kat 10CO + 14H 2, DH>0, DG=0, K eq =1 ved 438 C CH 4 + H 2 O Ni kat CO + 3H 2, DH>0, DG=0, K eq =1 ved 625 C

5 Baggrund Hvad er problemet? Hvorfor fjerne tjære fra forgasningsgas? Hvorfor lave reformeringsforsøg? Eksempel på anvendelse af forsøgsdata: metan og tjærereformering EON planlægger at bygge et 200 MW træ-til-metan, SNG, anlæg, for ca 3 mia. kr. Scenario 1: Træ Forgasning CO H 2 Tjære CH 4 Tjære reformer CO, H 2 Metani sering CH 4 Scenario 2: Træ Forgasning CO H 2 Tjære CH 4 Tjære reformer CO, H 2 CH 4 Metani sering CH 4 De ca. 6% CH 4 i den rå forgasningsgas er gratis metan, som svarer til 36% af CH 4 af metanen i den endelige gas. + 10H 2 O Ni kat 10CO + 14H 2, DH>0, DG=0, K eq =1 ved 438 C CH 4 + H 2 O Ni kat CO + 3H 2, DH>0, DG=0, K eq =1 ved 625 C

6 Baggrund Hvad er problemet? Hvorfor fjerne tjære fra forgasningsgas? Hvorfor lave reformeringsforsøg? Scenario 1 Træ Forgasning CO H 2 Tjære CH 4 Tjære reformer CO, H 2 Metani sering CH 4 Scenario 2: Træ Forgasning CO H 2 Tjære CH 4 Tjære reformer CO, H 2 CH 4 Metani sering CH H 2 O Ni kat 10CO + 14H 2, DH>0, DG=0, K eq =1 ved 438 C CH 4 + H 2 O Ni kat CO + 3H 2, DH>0, DG=0, K eq =1 ved 625 C Reformeringstemperatur skal ligge et stykke over ligevægtstemperatur, men det indikerer at der er et temperaturvindue på DT ~ 200 C hvor tjærereformering kan finde sted. Derfor er selektiv tjærereformering er vigtigt ikke gå over åen efter vand

7 Setuppet i Skive placering af sidestrømsreformer på værket

8 Setuppet i Skive med sidestrømsreformer Process diagram Komponent Høj temp. Flowventil Høj temp. filterenhed Væskepumper med vand, tjære og H 2 S Fire varmezoner på tjære reaktor Gasanalyse med Gaskromatograf Beskrivelse Variere flow via internetopkobling Filtrere gas op til 300 C, med automatisk oprensning med 5 bar N 2. Variere gassammensætning til tjærereformer Test af tjærereformering ved forskellige temperaturer. Ændre temperaturer over internettet Gasanalyse før og efter reaktor

9 Setuppet i Skive med sidestrømsreformer Billeder Høj temp. flowreguleringsventil Filter og tjærereformer Væskepumper Høj temperatur filter Tjærereformer

10 Gennemgang af hardware Filtret: Filter fra Pall-Schumacker, Dia Schumalith 10-20, max. temperature på 600 C i reducerende atmosfære. Fungerede godt igennem hele forsøgsserien. Også hjulpet det relativt høje process tryk i Skives forgasser, ca. 1,5 bar overtryk. Filter Skudtank Trykfald over filter vs. tid

11 Gennemgang af hardware Flowventilen: Fra Masoneilan, max temperatur på 343 C. Fungerede upåklageligt, og kunne styres med internet-fjernopkobling Meget bredt reguleringsområde

12 Gennemgang af hardware Væskedosering: Dosering vha. HPLC-pumper fra Knauer Væskefordamper efter pumpen, med PID-styring af varmelegemet Skulle efterses ofte, flere gange pr. uge. Kunne være problematisk

13 Gennemgang af hardware Reformeren: Høj temperature stål rør omgivet af varmelegmer fra Watlow. 4 temperaturzoner, kapacitet på op til 15 Nm3/time, temperatur på 750 C til 900 C Fungerede godt igennem hele forsøgsserien. Setpunkt på varmelegmer kunne styres ved internet-fjernopkobling

14 Gennemgang af hardware - GC Gasanalyse vha. gaskromatograf: Udtag af en online gasstreng fra gassen vha. GC-ventilsystem: Der laves en gas analyse på forgasningsgassen hvert 23. minut, døgnet rundt Gasudskiftining igennem gasloop, 23 minutter Prøveudtagning, 6 sekunder Gas i igennem gasloop, 23 minutter Gaskoncentrationen bestemmes med tre forskellige detektorer: FID: CH 4, benzen, toluen, naphthalen TCD: H 2, CO, N 2, CO 2, CH 4, O 2, FPD: H 2 S, COS (i ppm niveau)

15 Gennemgang af hardware - GC Udtaget af gassen sker i varme rør, med en tjærefælde som holdes på 95 C på en støvfri gas, vha. Pall-filtret. Der er installeret magnetventiller så der kan udtages gas før- og efter sidestrømsreformeren og efter hovedreformeren. Styret vha. en Siemens PLC. Der laves en gas analyse på forgasningsgassen hvert 23. minut døgnet rundt

16 Resultater fra sidestrømsforsøg Parametertest med ca. 30 variationer af Katalysatortemperatur Flowhastighed Øget koncentration af H 2 S, toluene, napthalen og vand. Regneringsforsøg med ilt Langtidstest ved konstante betingelser Total driftid på over 1500 timer uden udskiftning af katalysator Alt tjære kan fjernes, kun et spørgsmål om katalysatormængde (reaktorsstørrelse) og temperatur De konkrete resultater på katalysatortesten tilhører Haldor Topsøe, spørg evt. Winnie Eriksen om detailier Stor tak til Tage Meltofte, Skive Fjernvarme og Finn Petersen, ChimneyLab Europe.

17 Sidestrømsforsøg på DONGs lavtemperaturforgasser Tjære: Primære: Oxygenater Sekundære: Phenoler Tertiære tjære: Polycykliske aromater, PAH er Højere forgasningstemperatur Mere kemisk stabile Mindre tjære Højere dugpunkt Vi er ved at installere vores system som sidestrøm til DONG Energys LT-CFBforgasser på Asnæsværket i Kalundborg. Samme princip med tjærereformering, ny gas.

18 Konklusioner på hardware Filtret: Filter fra Pall-Schumacker, max. temperature på 600 C i reducerende atmosfære. Fungerede godt igennem hele forsøgsserien. Også hjulpet de relativt høje process tryk i Skives forgasser, ca. 1,5 bar overtryk. Flowventilen: Fra Masoneilan, max temperatur på 343 C. Fungerede upåklageligt, og kunne styres ved internet-fjernopkobling. Væskedosering: Dosering vha. HPLC-pumper fra Knauer. Skulle efterses ofte, flere gange pr. uge. Kunne være problematisk Reformeren: Høj temperature stål rør omgivet af varmelegmer fra Watlow. Fungerede godt igennem hele forsøgsserien. Setpunkt på varmelegmer kunne styres ved internetfjernstyring Gaskromatograf: On-line varm-gas måling med GC fra Agilent. Vi oplevede ikke tilstopninger med tjære som frygtet. Bæregasser og systemgasser skulle udskiftet løbende som forventet. Fungerede godt.

19 Setuppet i Skive med sidestrømsreformer Catalytic reformer build and tested in laboratory Gas mixed from gas bottles, solutions with tar components and water

20 Online measurements with GC Testing of catalyst at plant GC- FID/TCD/FPD: Online sampling and measurements of concentrations on inlet and exit. Possible to measure: N 2, CO, CO 2, H 2, H 2 S, naphthale, toluen, benzen online on wet and dry basis. (Tubing to GC heated to keep tars in gas phase)