Tilbake til søkeresultatene

ENERGIX-Stort program energi

FLASH-Predicting the FLow behavior of ASH mixtures for production of transport biofuels in the circular economy

Alternativ tittel: Strømningsegenskaper til askeblandinger ved produksjon av biodrivstoff i den sirkulære økonomien

Tildelt: kr 9,9 mill.

Det er et økende behov for biodrivstoff i Norge og i resten av verden. Biodrivstoff kan produseres fra bærekraftige kilder som skog og avfall fra skogbruk, jordbruk, industri og husholdning. Det er viktig å utvikle en effektiv prosess som tar høyde for utfordringene i forbindelse med omdanning av biomasse til biodrivstoff. Første trinn i produksjon av biodrivstoff er gassifisering av biomassen. I dette trinnet varmes biomassen opp til en høy temperatur og omdannes til en syntesegass som består av karbonmonoksid og hydrogen. Denne gassen kan videre benyttes til produksjon av biodrivstoff. Aske er et biprodukt fra gassifiseringsprosessen. Det er store utfordringer knyttet til asken, og nøkkelen til suksess er å identifisere og løse disse utfordringene. Problemene med aske i gassifiseringsreaktorer varierer avhengig av hvilken type reaktor som benyttes. I noen typer reaktorer er problemet at asken smelter og det dannes agglomerater som reduserer effetiviteten til reaktoren. I andre typer reaktorer, skal asken smelte og renne ut av reaktoren. Her kan problemet være at asken blir for seig. Aske har forskjellige egenskaper avhengig av sammensetningen av biomassen, og i dette prosjektet har aske fra forskjellige typer biomasse blitt vurdert. I prosjektet har det blitt brukt aske som er representativ for forskjellige typer biomasse fra skog og landbruk. Et 3-komponent fasediagram som representerer den kjemiske sammensetningen i aske fra biomasse ble brukt for å velge representative askesammensetninger. Ved hjelp av beregninger og simuleringer ble det besluttet å bruke tre forskjellige askesammensetninger som representerer askesammensetningen i henholdsvis hvetehalm, gress og avfall fra skogsdrift. Syntetisk aske ble tilberedt og analysert med hensyn på kjemisk sammensetning og mineralfaser. Resultatene ble videre brukt i numeriske studier for å estimere viskositeten til den syntetiske asken. Det er utviklet en beregningsmodell som tar ut bilder fra forsøk foretatt i en fuktingsovn og beregner prøvenes flytegenskaper inne i ovnen. Viskositetsmodellen ble optimalisert slik at den simulerte prøven stemmer med den eksperimentelle. Viskositetsmåling av 3 forskjellige syntetiske askeblandinger er utført ved Aalto University i Finland, og ytterligere tester er utført ved Montan-University Leoben, Østerrike. Viskositet i aske som funksjon av temperatur er sammenlignet med resultater fra viskositetsmodellen, og det er funnet at modellen stemmer bra for aske med lavt alkaliinnhold, men at det er noen avvik for aske med høyt alkaliinnhold. Det ble kjørt tester i en labskala fluidisert gassifiseringsreaktor der problemet med aske er at den kan smelte og danne agglomerater. Forsøkene ble kjørt ved forskjellige temperaturer. Trepellets, treflis og gress ble brukt som føde til reaktoren. Resultatene viser at ved gitte driftsbetingelser, smelter asken og det dannes agglomerater. Størrelse og mengde agglomerater er avhengig av temperatur, og mengde og type aske. Det ble registrert at agglomerater kan dannes ved temperaturer under askesmeltetemperaturen til de forskjellige biomassene. Under forsøkskjøringene ble trykket og temperaturen i reaktoren observert, og tidspunkt for kritisk mengde av agglomerater ble registrert. Det ble gjort analyser for å studere sammensetningen i asken og agglomeratene. Det ble også kjørt forsøk i en kald fluidisert bed for å studere strømningsforholdene i en reaktor med og uten agglomerater. Resultatene viser at fluidiseringsegenskapene endrer seg når det er agglomerater til stede i reaktoren. De eksperimentelle resultatene ble brukt til å verifisere og forbedre en simuleringsmodell som videre ble brukt til å simulere en oppskalert gassifiseringsreaktor. Simuleringene viste tydelig at med en økt mengde agglomerater blir fluidiseringsegenskapene endret og under gitte betingelser blir reaktoren defluidisert. Eksperimentelle tester ble også kjørt i en mikroskala fluidisert bed reaktor for å visualisere agglomereringsprosessen og vurdere når defluidisering oppstår. Forsøkene er utført med tre, bark, gress og halm ved forskjellige temperaturer. Resultatene ble brukt til å utvikle en matematisk modell som kan predikere defluidisering som følge av sammensetningen i asken og temperatur. FLASH har hittil resultert i en ferdig PhD avhandling, to fullførte masteroppgaver, 8 publiserte vitenskapelige artikler og 2 artikler under vurdering i internasjonale tidsskrifter. I tillegg er det 3 vitenskapelige artikler under arbeid og planlagt publisert i 2022. Totalt sett har FLASH gitt et verdifullt bidrag til å fremskynde kommersialisering av prosessen omdanning av biomasse til biodrivstoff via gassifisering.

The project has succeeded in increasing the fundamental understanding of ash properties and behaviour in thermal systems and the results will contribute to unlocking gasification of biomass for production of biofuel. New scientific tools to determine critical ash properties analytically and tools to determine critical operation conditions have been developed. The project has clear utility values to the field of research and competence development and will bring the utilization of Norwegian biomass one step closer to commercialization. The project has contributed to increase the national and international cooperation. The project results are available through one PhD and two master theses, and several published papers. Gasification of biomass has been implemented in courses on both Master and Bachelor level. The outcome of the project is a contribution to a better exploitation of biomass and lower emission of greenhouse gases.

The need for advanced biofuels produced from sustainable sources, is stressed on both national and international level. The key to unlocking gasification and downstream catalytic upgrading as a viable route for biomass and waste to biofuels is solving the challenge related to the ash, and this is the main motivation for the project. The project will develop a novel method to determine ash viscosity combined with chemical analysis. Using reference ash materials, the project aims at quantifying the flowability of selected ash samples. In parallel, the project will focus on thermodynamic equilibrium modelling to assess the phase distribution and composition of the ash. The work will consist of establishing a new thermodynamic database for ash reactions for main, minor and trace ash elements followed by parametric studies. The results will be compared with the ash microscope results for further improvements and validation. Combined with viscosity measurements generated by rheology tests and experimental tests performed in a pilot fluidized bed gasifier, a solid basis for ash behaviour prediction will be attained. Experimental study in a pilot fluidized bed (FB) gasifier will be performed with ash coated bed material and different types of bed material, fluidization agents and biomass ash composition will be used to study the ash behaviour and agglomeration in FB gasifiers. Combination of new ash chemistry, a predictive model for ash related problems for biomass mixtures, in-depth experimental studies of the gasification process will give the basis for developing an validate a computational fluid dynamic (CFD) model to predict ash related problems in biomass gasification processes. Altogether, the project will give a valuable contribution to improve the gasification efficiency and accelerate the implementation of biomass to biofuels via gasification by mitigating ash-related challenges.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

ENERGIX-Stort program energi