Advanced biofuels via synthesis gas

Dette prosjektet adresserer sentrale problemstillinger i utviklingen av andre-generasjons (2G) biodrivstoff via gassifisering og Fischer-Tropsch syntese (FTS), nemlig betydningen av forurensninger i gassfasen etter gassifisering. De syntetiske drivstoffene egner seg godt som diesel og flydrivstoff, og kan produseres fra alle former for biomasse, f.eks. avfall fra skog og landbruk. Prosessen består av mange trinn, gassifisering, rensing av syntesegassen, syntese av hydrokarboner (f.eks. FTS) og raffinering og oppgradering av produktene. Askekomponenter, svovel og andre uønskede elementer i biomassen kan danne flyktige forbindelser på grunn av de høye temperaturene i gassifiseringsreaktoren, og disse komponentene kan fraktes med gassen nedstrøms og forgifte katalysatorer som brukes i syntesen av drivstoffkomponenter. Det er arbeidet med flere elementer i denne prosessen. Utvikling av faste sorbenter for gassrensing ved høy temperatur er studert i samarbeid med SINTEF i et eget delprosjekt. Dersom sorbenter som er effektive ved høye temperaturer kan utvikles kan prosessens effektivitet forbedres, med redusert energiforbruk og bedre lønnsomhet som resultat. Mangan-baserte sorbenter for fjerning av svovelkomponenter, den viktigste katalysatorgiften, er valgt som system, og det er både gjort stabilitetsstudier av utvalgte systemer (adsorpsjon -regenerering) og studier av effekten av bærermaterialet for sorbentens egenskaper. Resultatene viser at mangan-på-bærer systemer er lovende, og selv om det er noe tap av kapasitet ved gjentatte sykluser (sorpsjon-regenerering), er det mulig å designe sykliske prosesser med lavt reaktorvolum. Dette arbeidet videreføres i et nytt prosjekt, Chemical Looping Desulfurization, med oppstart i 2017, hvor målet er å utvikle dette til en unik prosess. Den andre hoveddelen av arbeidet er studier av effekten av uorganiske komponenter (askekomponenter) på katalysatorer for syntese av drivstoffer fra syntesegassen. Her har det vært fokusert på komponenter som transporteres i gassfasen. Den kjemiske effekten er tidligere påvist gjennom modellstudier, i dette prosjektet har det vært fokusert på studier av realistiske deponeringsmekanismer og på forståelse av hvordan disse komponentene endrer katalysatorens egenskaper. Den viktigste askekomponenten, kalium (K) i form av ulike kaliumsalter, er avsatt som aerosolpartikler på koboltkatalysatorene som anvendes til framstilling av de syntetiske 2G biodrivstoffer. Dette arbeidet er gjort i nært samarbeid med Linné-universitetet i Växjø i Sverige som har lang erfaring med denne typen deponering. Metoden for avsetning er valgt for best mulig å simulere hvordan kaliumsalter oppfører seg i høytemperatur gassifisering av biomasse. Vi har vist at selv om kaliumsaltene avsettes på den eksterne overflaten til katalysatorene og ikke er i direkte kontakt med de aktive punktene, har de likevel en dramatisk effekt på katalysatoraktiviteten. Det er fortsatt uklart hvordan K på katalysatorpartiklenes eksterne overflate faktisk gir så dramatisk effekt på katalysatoraktiviteten, som i all hovedsak er knyttet til koboltpartikler på katalysatormaterialets indre overflate. Vi spekulerer i at dette skyldes at saltene er svært mobile under betingelsene i reaktoren, og dermed transporteres raskt til de aktive punktene på overflaten. Vi har også studert hvordan de uønskede komponentene ? i dette tilfellet kalium ? påvirker koboltkatalysatoren som brukes i Fischer-Tropsch syntese. Dette er i hovedsak gjort teoretisk, gjennom beregninger av vekselvirkningene mellom koboltoverflater og kalium og reaktantene i FTS. Til dette arbeidet har vi brukt Density Functional Theory (DFT), en forenklet kvantekjemisk metode som muliggjør beregninger av elektronstrukturer og kjemiske bindinger for komplisert systemer. Dette arbeidet har vist oss hvordan K okkuperer viktige punkter på overflaten og dermed påvirker de kjemiske reaksjonene. Også her er kaliums mobilitet et sentralt poeng, vi kan teoretisk vise at det er svært små barrierer for at kalium kan transporteres på overflaten. Kalium vil dermed hurtig transporteres og okkupere de mest gunstige punktene på overflaten, disse punktene er da trolig også viktige for aktivering av reaktantene og dermed for syntese av hydrokarboner på overflaten. Resultatene bekrefter at askekomponenter må fjernes fra syntesegassen ned til svært lave nivå før gassen når syntesetrinnet i prosessen, og basert på tallfesting av aktivitetstapet som funksjon av konsentrasjon på katalysatoren er det nå mulig å formulere begrunnede krav til rensing av syntesegassen, hvor kostnadene med rensing kan vektes mot tap av aktivitet over tid med ulike nivå av kalium på katalysatoren. Gjennom prosjektet er det utdannet 1 PhD-kandidat og en postdoktor har jobbet i prosjektet. I tillegg har 3 masterstudenter gjennomført masteroppgaver i tilknytning til prosjektet.

We propose a research project addressing key steps in a syngas-based thermochemical conversion process for making second generation biofuels. The steps we propose to study are steps we believe are key to the success of such a process: Central catalytic is sues related to converting the synthesis gas to fuel products, in particular the action of catalyst poisons in the biomass, and development and studies of adsorption and adsorbents for the high-temperature removal of pollutants carried in the syngas. The purpose is to improve catalyst lifetime, and reducing losses in efficiency linked to conventional cleaning processes. The project addresses fundamental issues, with important practical applications and involves theoretical studies, development of new met hods for poisoning studies of Fischer-Tropsch catalysts, and development of new sorbents for high-temperature gas cleaning. 2 researcher candidates will be trained through the project, and a wide national and international network will be maintained.