Studies on tar formation and conversion for the development of a three-stage gasifier

Abstract

Autothermal air-blown gasification in a fluidized bed gasifier (FBG) is a promisingalternative for the valorization of biomass and waste for medium scale plants.However this gasification procedure presents two limitations: the incomplete fuelconversion and the high dew point of the gas caused by the high concentration ofheavy tars in it. Measures have been developed to overcome these limitations, but theincrease in the costs prevents their use for power production in medium-scaleprocesses. Aiming at overcoming the inherent limitations of conventional FBG, a newthree-stage gasification technology (FLETGAS process) is under development by theBioenergy Group at the University of Seville. The three stages comprises: 1- FBgasification at low temperature (700-800°C), 2- oxidation/reforming of the gas at hightemperature (1200°C maximum) and 3- catalytic filtration in a char moving bed. Thepresent thesis deals with the formation and conversion of tars and light hydrocarbonswithin the different stages of the new gasifier with the objective of determining theoperating conditions for the reduction of the concentration of heavy tars in the gasand thus, to produce a gas with a dew point low enough to be burnt in a gas engine.The first part of the thesis (Chapters 3 and 4) deals with the influence of operatingconditions over the composition of volatiles produced during dried sewage sludge(DSS) devolatilization of in an FB. The effects of the temperature, steam concentrationand thermal division of the reactor (dense bed and freeboard) on composition of tarsand hydrocarbons during both primary generation (dense bed) and subsequentconversion of these along the gasifier (freeboard) have been investigated. The resultsallow understanding of the main conversion mechanisms taking place in the gasifier,demonstrating that the achievement of two thermal zones in the reactor has asignificant influence on tar and light hydrocarbons composition of the gas producedduring devolatilization, whereas the steam in the fluidization agent hardly affect tarcomposition up to 900°C. The results have been used for the establishment ofoperation conditions in the first stage of the FLETGAS gasifier.The second part of the thesis (Chapter 5) investigates the conversion of modelaromatic tars (naphthalene and toluene) over various chars in a laboratory fixed bedreactor. The experimental results have demonstrated that the char bed effectivelyreduces the tar concentration. Almost complete conversion has been measured attemperatures above 850°C, residence time of 0.3 s and steam concentration above 15vol%. Empirical kinetic expressions for tar conversion over the different chars havebeen obtained accounting for char deactivation. The use of this kinetics for simulatingthe FLETGAS process has demonstrated that the third stage of the new gasifier is ableto convert the heavy tars to the extent necessary for the production of gas with thedesired dew point. This work establishes the experimental conditions (temperature,gas residence time and steam concentration) necessary to maintain high enough therate of tar conversion over the char bed, i.e. minimizing the deactivation.

La gasificación autotérmica de biomasa y residuos en lecho fluido para generación eléctrica distribuida presenta notables ventajas respecto a otras opciones. No obstante esta tecnología presenta ciertas limitaciones que frenan su implantación comercial: la limitada conversión del combustible, debida a la incompleta conversión del carbonizado, y la elevada temperatura de condensación del gas, causada por la alta concentración de alquitranes pesados en éste. Las medidas que se han desarrollado para hacer frente a ambos problemas se basan en métodos complejos o caros, haciendo inviable la implantación de esta tecnología en sistemas de pequeña o mediana escala. El Grupo de Bioenergía de la Universidad de Sevilla está desarrollando una nueva tecnología (FLETGAS) que persigue el objetivo de obtener un gas combustible a partir de biomasas y residuos apto para ser quemado en motores de gas. El sistema se basa en tres etapas: gasificación en lecho fluido a baja temperatura (700-800°C), reformado con vapor a alta temperatura (1200°C) y filtración en un lecho móvil de carbonizado. La presente tesis estudia la formación y conversión de alquitranes e hidrocarburos ligeros en las diferentes etapas del nuevo gasificador con objeto de determinar las condiciones de funcionamiento que permitan reducir la concentración de alquitranes pesados en el gas producto y, por tanto, producir un gas con un punto de rocío suficientemente bajo para ser quemado en un motor.En la primera parte de la tesis (Capítulos 3 y 4) se estudia la influencia de las condiciones de operación sobre los productos de la devolatilización de lodos secos de depuradora (DSS) en un lecho fluido de laboratorio. Se ha determinado el efecto de la temperatura y la el vapor sobre la composición de alquitrán, estableciéndose los principales mecanismos de conversión durante la generación primaria de volátiles (en el lecho denso) y secundaria (freeboard). Se ha estudiado también el efecto de la operación con dos temperaturas diferentes en el reactor (lecho denso y freeboard), demostrando que este modo de operación influye decisivamente en la composición de los volátiles. Por el contrario, a temperaturas inferiores a 900°C, el vapor afecta muy poco a la cantidad y naturaleza de los alquitranes generados. Se han obtenido correlaciones entre hidrocarburos ligeros y alquitranes que sirven para estimar de forma rápida el punto de rocío del gas.En la segunda parte de la tesis (capítulo 5) se ha investigado la conversión de alquitranes aromáticos (naftaleno y tolueno) sobre varios lechos de carbonizado en un reactor de lecho fijo de laboratorio. Los resultados experimentales han demostrado que el lecho de carbonizado reduce eficazmente la concentración de alquitrán. A temperaturas superiores a 850°C, tiempos de residencia de 0,3 s y concentraciones de vapor de más del 15 vol% se alcanzan conversiones casi completas de los alquitranes analizados. Se han obtenido expresiones cinéticas para la conversión de alquitrán sobre los diferentes carbonizados teniendo en cuenta su desactivación. Se ha utilizado la cinética obtenida para simular el proceso FLETGAS corroborando trabajos anteriores (Nilsson et al., 2012) donde se demostraba que la tercera etapa del nuevo gasificador sería capaz de convertir el alquitrán pesado hasta los niveles necesarios para generar un gas de salida con el punto de rocío deseado.