Bio Fischer-Tropsch - Staging and Multiple Hydrogen Feed of Biomass to Fischer-Tropsch Fuel Synthesis

I dette prosjekt er det arbeidet med å finne nye teknologiske løsninger i prosessen for framstilling av drivstoffkomponenter fra biomasse via gassifisering. Gassifisering er omdanning av råstoffet til en såkalt syntesegass som består av i hovedsak hydrogen og karbonmonoksid. Dette skjer ved høye temperaturer, og prosessveien kalles derfor termokjemisk konvertering. I den valgte prosessen er syntesegassen råstoff for den såkalte Fischer-Tropsch Syntesen (FTS). Her omdannes syntesegass til en syntetisk råolje som kan raffineres videre til produkter av høy kvalitet. FTS er en velkjent prosess som anvendes kommersielt for å omdanne syntesegass fra kull eller naturgass til syntetiske hydrokarboner, men det kreves vesentlige endringer og forbedringer av prosessen for å kunne benytte biomasse som råstoff. Fordelene med denne prosessveien er at produktene kan anvendes direkte som drivstoff i eksisterende motorer (veitrafikk, skip eller flytrafikk), og ved bruk av avfall fra for eksempel skog eller landbruk som råstoff er innsparingen i CO2-utslipp betydelig. Produkt fra FTS har egenskaper som gjør det spesielt velegnet som råstoff til framstilling av flydrivstoff, og produktene er i utgangspunktet helt uten innhold av svovel eller andre uønskede komponenter. Selv om prosessen er veletablert og hovedelementene i teknologien kan overføres til den nye anvendelsen med biobasert råstoff er det likevel en del tekniske og økonomiske hindringer som må overvinnes for å lage en lønnsom prosess. Noen av disse er knyttet til storskaladrift og størrelsen på anlegget, og en løsning er å forbedre reaktor- og prosessteknologien som brukes, slik at investeringskostnadene reduseres og ikke minst at virkningsgraden forbedres. Det betyr at man kan få mere produkt ut av hver enhet råstoff som fødes til prosessen. Hovedideen i prosjektet er å utvikle såkalt «staging», dvs. trinnvis føding av syntesegass og mulig tilførsel av ekstra hydrogen. Hydrogen er en nøkkelkomponent, og tilførsel av ekstra hydrogen, f.eks. framstilt fra fornybar energi via elektrolyse, bidrar til å øke mengden produkter. Denne endringen av prosessen har potensiale til å forbedre energivirkningsgrad og karboneffektiviteten til prosessen. Gjennom arbeidet vil vi også bygge kompetanse og ekspertise innen viktige fagområder for utnyttelse av norske bioressurser i industrielle og energirelaterte anvendelser. Vi har oppnådd viktige resultater i alle deler av prosjektet. Det er gjennomført omfattende eksperimentelle studier av FTS hvor vi har etablert det kinetiske grunnlaget. Reaksjonshastigheten, selektivitetene og katalysatordeaktiveringen er studert i detalj over et bredt område av de viktigste eksperimentelle variablene (oppholdstid, syntesegassens sammensetning og reaksjonstemperaturen). I alt er det registrert resultater fra ca. 3500 timer med kontinuerlige forsøk. Resultatene er systematisert og samlet i en matematisk modell som beskriver synteseprosessen. Det er også gjort innledende forsøk med trinnvis drift av FTS-reaktoren som grunnlag for arbeidet med prosessmodellering av «staging»-konseptet. Resultatene bearbeides og tilpasses kinetiske modeller, og det er utviklet nye relasjoner og modeller som bedre beskriver FTS-syntesen. En av de viktigste forbedringene er at effekten av vann, som er et produkt av reaksjonen, nå er inkorporert i modellene. Dette er ikke tidligere vist i litteraturen. Det er også gjort prosessmodellering av flere deler av BTL-anlegget. Termiske reaksjoner knyttet til gassifisering (pyrolyse) er modellert i Aspen Plus, og både «entrained flow» gassifisering og nye og forbedrede gassifiseringskonsepter er også modellert. Beskrivelsen av kinetikken for FTS-delen av anlegget må modelleres separat, f.eks. i Fortran, og en slik modell er implementert og utprøvd i prosessmodelleringsverktøyet Aspen Plus. Videre er det utviklet et verktøy for optimalisering av «staging-konseptet», og det er gjort innledende optimaliseringsstudier av prosessutformingen. Det er også gjennomført tekno-økonomiske analyser av et komplett anlegg basert på staging-konseptet. Arbeidet viser at det er mulig å fremstille en syntesegass med «riktig» sammensetning for FTS over koboltbaserte katalysatorer, men at dette krever tilsats av ekstra damp og energi i gassifiseringen (høy-temperatur gassifisering i «entrained flow» gassifiseringsreaktor. Separat fremstilling og tilsats av hydrogen er også undersøkt, og for systemer med tilsats av energi er fordelingen av energitilsats mellom gassifiseringsreaktor og i form av hydrogen (fra elektrolyse) optimalisert. Den optimale fordelingen er typisk at ca. 30% av energien tilføres gassifiseringen, resten kan tilføres som ekstra hydrogen i syntesen. Flere nye konsepter er studert, og funnene viser at en karboneffektivitet på 98-99% er oppnåelig gjennom tilsats av hydrogen framstilt fra fornybar energi.

We believe the work provides important contributions to the technology for thermochemical conversion of biomass to biofuels. We have developed new process concepts, including process configurations. The staging concept can significantly help in the search for an economically viable conversion process, and the idea of integrating additional renewable energy in order to achieve better overall efficiency can be necessary in order to maximize the use of biological carbon for fuel purposes. These results will be of great interest to other academics, working on developing technology for thermochemical conversion, but most importantly the results will be available to industry developing new processes. 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 3 highly skilled candidates.

The project is cooperative project between NTNU, SINTEF and Avinor to develop new technology of a biomass-to-liquid fuel process via Fischer-Tropsch synthesis (BtL FT). It combines a novel conceptual design of the BtL fuel concept, a detailed kinetic study for the development of kinetic model describing product distribution of the FT process and experimental validation of staged reactor and distributed hydrogen feed concept in the FT process to maximize syngas conversion and production of heavy hydrocarbons. The proposed project bio Fischer-Tropsch (BioFT) aim to achive energy efficiency of more than 60% and carbon efficiency of more than 55% by integration of a renewable energy source (hydro/solar power), hot syngas cleaning and, in the concept of staging of FT reactors and multiple hydrogen feed. The results from the experimental and system design could provide a BioFT process which could be deployed in small as well as large scale applications on Norwegian context for sustainable production of bio fuel from biomass.