Experimental and Modeling Studies on the Release and Condensation of Inorganics in a Pressurized Biomass Fluidized Bed Gasification Process
2025 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]
A major challenge facing society today is the emissions of fossil CO2(g) that strongly contributes to global warming. It is therefore crucial to find ways to reduce these emissions. Biomass is only stored energy, deriving from direct or indirect photosynthesis in plants, and is therefore considered a carbon-neutral fuel. An attractive technology to utilize this stored energy is thermochemical conversion by means of gasification.
During biomass gasification, impurities, such as alkalis, particulates, tars, HCl(g), H2S(g), COS(g), NH3(g), and HCN(g), are released into the gas phase. To find strategies to deal with these impurities in a gasification-based process, the release and condensation of inorganics and tars under different conditions should be investigated.
In this thesis work, a process model of steam/oxygen blown fluid bed gasification, predicting the release and condensation of minor elements (i.e., Al, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, P, Si, Ti, and Zn), was developed using SimuSage software. Results of experiments performed in a pilot-scale steam/oxygen blown fluidized bed gasification facility, were used to validate the developed process model and customized thermodynamic database. The process model and customized thermodynamic database were used to study the speciation of inorganics in the condensed phase during gas cooling. The model was improved by combining a model in Aspen Plus with SimuSage, to predict the release of major elements (i.e., C, H, O, N, S, and Cl), using a semi-empirical model. This combined model was also used to investigate the effects of various operating parameters, including gasification temperature, biomass composition, pressure of syngas in downstream processes, and using CO2(g) as a gasification agent, on the fate of inorganics during gasification and downstream processes.
Abstract [sv]
En av samhällets stora utmaningar av idag är utsläppen av fossilt CO2(g), som starkt bidrar till den globala uppvärmningen. Det är därför enormt viktigt att hitta sätt att minska dessa utsläpp. Biomassa är den enda lagrade energin, som direkt eller indirekt härrör från fotosyntes i växter, och därför kan anses vara ett s.k. kolneutralt bränsle. En attraktiv teknik för att utnyttja denna lagrade energi är termokemisk omvandling genom förgasning.
Vid förgasning av biomassa bildas föroreningar, till exempel alkalier, partiklar, tjäror, HCl(g), H2S(g), COS(g), NH3(g) och HCN(g), som frisläpps med den producerade gasen. För att identifiera strategier för att kunna hantera dessa föroreningar i en förgasningsprocess är det viktigt att undersöka hur dessa organiska föroreningar frisläpps och kondenserar under olika förhållanden.
I detta doktorandarbete utvecklades en processmodell med hjälp av programvaran SimuSage för ång- och syrgasblåst fluidbäddförgasning, som förutsäger frisättning och kondensation av mindre element (Al, Ca, Fe, K, Mg, Mn, Na, P, Si, Ti och Zn). Experimentella resultat från försök i pilotskala i en ång- och syrgasblåst fluidiserad bäddförgasningsanläggning användes för att validera den utvecklade modellen och den skräddasydda termodynamiska databasen. Processmodellen och den termodynamisk databas användes för att studerade bildningen av oorganiska ämnen i kondenserad fastillstånd under gaskylning. Modellen förbättrades ytterligare genom att kombinera en Aspen Plus-modell med SimuSage, för att förutsäga frisättningen av huvudelementen (C, H, O, N, S och Cl) med hjälp av en semi-empirisk modell. Denna kombinerade modell användes för att för att undersöka effekterna av olika driftsparametrar, som till exempel förgasningstemperatur, biomassa-sammansättning, effekt av och användning av CO2(g) som oxidant, på utvecklingen av oorganiska ämnen under förgasningen och i processer nedströms förgasaren.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2025. , p. 72
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2024:62
Keywords [en]
Biomass, Gasification, Inorganics, Alkalis, Release, Condensation
Keywords [sv]
Biomassa, förgasning, oorganiska ämnen, alkalier, frisläppande, kondensering
National Category
Other Chemical Engineering
Research subject
Chemical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-358736ISBN: 978-91-8106-161-1 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-358736DiVA, id: diva2:1929557
Public defence
2025-02-13, LOGOS, Teknikringen 42, https://kth-se.zoom.us/j/67663594947?pwd=DmNtjCqfqRxvyR7WUhulilb8peim8E.1, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 20250121
2025-01-212025-01-202025-12-16Bibliographically approved
List of papers