Research Project GASPRO Fundamental insight into biomass gasification using experiments and mathematical modelling

Gassifisering av biomasse kombinert med katalytisk syntese har blitt identifisert som en av de mest lovende, kommersialiserbare og levedyktige teknologier for produksjon av lav-karbon biodrivstoff for transport (Fischer-Tropsch, metanol, DME etc.). Dog er det få virkelig kommersielle gassifiseringsanlegg av biomasse som opererer uten offentlig støtte eller subsidier, og enda færre som har integrert drivstoffsyntese. Hovedgrunnen til dette er utfordringer med ufullstendig gassifisering (sot, tjære og karbon). Disse biproduktene forårsaker belegg på prosessutstyr, forurenser og/eller deaktivere katalytiske reaktorer og redusere den totale energieffektiviteten ved anlegget. Enda viktigere er det at de introduserer en usikkerhet når det gjelder redusert ytelsesevne, dårligere prosessøkonomi og vanskeligere vedlikehold. Dette kan videre føre til manglende vilje til å investere i gassifiseringsteknologi fra et industrielt perspektiv. Så lenge denne usikkerheten er til stede vil lav-karbon biodrivstoff produsert via gassifisering forbli en lovende teknologi, men som likevel ikke blir realisert i større skala. I dette forskningsprosjektet har vi adressert dette ved å se på utfordringene ved gassifisering av biomasse direkte. Vi har brukt avanserte beregningsmetoder og ny eksperimentell infrastruktur for å adressere det som ofte refereres til som «akilleshælen» ved gassifisering av biomasse, nemelig detaljert forståelse av interaksjonen mellom partiklene som omdannes og gassen som omgir dem . Vi har vist (eksperimentelt og numerisk) at energieffektivitet (og dermed konkurranseevne og økonomi) ved gassifisering av biomasse kan forbedres ved hjelp av grunnleggende forskning. Det anerkjente internasjonale teamet av forskere i dette prosjektet (NTNU, SINTEF, Sandia Ntl. Lab, Stanford, Cornell) har sammen utviklet et grunnleggende fundament for nåværende og fremtidige kompetansebyggingsprosjekter, og etablere en bro mellom universiteter, forskningsinstitutter og industri som dermed kan akselerere aksept og tillit til moderne gassifiseringsteknologi for biodrivstoffproduksjon. Prosjektet har kommet langt med å utvikle den nødvendige grunnleggende forståelsen av forgassingsprosessen, inkludert detaljerte partikelsimuleringer, detaljert kinetisk forståelse av både den termiske omdannelsen av biomassepartikkelen samt produksjon av sotpartikler som produkt fra kull- og tjæreomdannelse. Dette gjenspeiles i publikasjonene i internasjonalt ledende tidsskrifter fra dette prosjektet, men en review artikkel i PESC som sluttprodukt. Eksperimenter har blitt gjennomført i Sandia Ntl Labs etter Covid nedstenging, og resultatene har nå blitt publisert. Simuleringer og studier av soot problematikk i strømingsreaktorer er gjennomført og publisert. Disse er viktige fremskritt for å optimalisere slike prosesser i stor skala. Vi har videre utvidet scopet noe ved å anvende resultater fra andre prosjekt der det har blitt utviklet kjemiske modeller for ulike avfallsstrømmer, slik at det skal være mulig å studere gasifisering av et mer differensiert råstoff som kan inneholde både biobaserte avfallstrømmer og plastikk.

This project has made available through publications detailed analysis of turbulence-chemistry interaction and physical and chemical conversion of particles (including shape change, size change, drag by flow), and also provided detailed CFD simulations of lab-scale and larger scale systems. This knowledge will be available for industry to apply when designing and manufacturing future bioenergy and/or waste-to-energy plants. The available knowledge has the potential to improve conversion rates, increase efficiency and thus also reduce emissions. For society as a whole the main benefit is the importance and novelty of the results, but also the competence available in the form of 2 highly skilled candidates. The simulation tools and developed numerical codes are made openly available through the open source repository on GitHub: https://github.com/ComKinBio/fix. This will be basis for further devolpments of simulation tools not only within the partner organizations, but world wide.

Biomass gasification coupled with catalytic fuel synthesis has been identified as the most promising, closets to commercialization and most viable technology for production of 2nd generation transportation fuels. However, to this day, there are very few truly commercial gasifiers, operating without government support or subsidies, , generating useful gas from biomass and even fewer that are integrated with fuel synthesis. The main reason for this are the problems related to products of incomplete gasification (soot, tars, and char). These products are responsible for fouling in process equipment; they contaminate and/or deactivate catalytic reactors and reduce the overall energy efficiency of gasification installations. More importantly, they introduce uncertainties; of poor gasification performance, of poor process economy, of difficult plant engineering etc. Most importantly, this uncertainty can lead to that companies are unwilling to invest in the gasification technology. As long as this uncertainty is present, 2nd generation biofuels produced via gasification will remain a promising, viable, on-the-paper technology. In this research project, we wish to change this by addressing the uncertainties in biomass gasification directly. We will use advanced computational methods and new experimental infrastructure to address the Achilles heel of biomass gasification. We aim to show (experimentally and numerically) that energy efficiency (and thus competitiveness and economy) in biomass gasification can be improved by using results obtained from fundamental research methods. The international team of researchers in this project will provide a fundamental research base for current and future competence building projects and establish a communication bridge between universities, research institutes and industry thus accelerating the acceptance and confidence in the gasification technology. The project has progressed far on developing the necessary fundamental understanding of the gasification process, including detailed particle simulations, detailed kinetic understanding of both the thermal conversion of the fuel particle as well as production of soot particles as product from char and tar conversion. This is reflected in the publications i high impact journals from this project so far. The experiments have proven more challenging than expected with preliminary results showing unexpectedly low conversion rates. In 2019 several experimental campaigns were effectively accomplished. All-in-all, ten campaigns using both generic biomass sawdust (7 campaigns) as well as dried and milled sludge (3 campaigns). The Entrained flow reactor is now able to deliver useful scientific results to projects in the gasification activity.