Direct gasification of biomass for fuel gas production

Abstract

The excessive consumption of fossil fuels to satisfy the world necessities of energy and commodities led to the emission of large amounts of greenhouse gases in the last decades, contributing significantly to the greatest environmental threat of the 21st century: Climate Change. The answer to this man-made disaster is not simple and can only be made if distinct stakeholders and governments are brought to cooperate and work together. This is mandatory if we want to change our economy to one more sustainable and based in renewable materials, and whose energy is provided by the eternal nature energies (e.g., wind, solar). In this regard, biomass can have a main role as an adjustable and renewable feedstock that allows the replacement of fossil fuels in various applications, and the conversion by gasification allows the necessary flexibility for that purpose. In fact, fossil fuels are just biomass that underwent extreme pressures and heat for millions of years. Furthermore, biomass is a resource that, if not used or managed, increases wildfire risks. Consequently, we also have the obligation of valorizing and using this resource. In this work, it was obtained new scientific knowledge to support the development of direct (air) gasification of biomass in bubbling fluidized bed reactors to obtain a fuel gas with suitable properties to replace natural gas in industrial gas burners. This is the first step for the integration and development of gasification-based biorefineries, which will produce a diverse number of value-added products from biomass and compete with current petrochemical refineries in the future. In this regard, solutions for the improvement of the raw producer gas quality and process efficiency parameters were defined and analyzed. First, addition of superheated steam as primary measure allowed the increase of H2 concentration and H2/CO molar ratio in the producer gas without compromising the stability of the process. However, the measure mainly showed potential for the direct (air) gasification of high-density biomass (e.g., pellets), due to the necessity of having char accumulation in the reactor bottom bed for char-steam reforming reactions. Secondly, addition of refused derived fuel to the biomass feedstock led to enhanced gasification products, revealing itself as a highly promising strategy in terms of economic viability and environmental benefits of future gasification-based biorefineries, due to the high availability and low costs of wastes. Nevertheless, integrated techno economic and life cycle analyses must be performed to fully characterize the process. Thirdly, application of low-cost catalyst as primary measure revealed potential by allowing the improvement of the producer gas quality (e.g., H2 and CO concentration, lower heating value) and process efficiency parameters with distinct solid materials; particularly, the application of concrete, synthetic fayalite and wood pellets chars, showed promising results. Finally, the economic viability of the integration of direct (air) biomass gasification processes in the pulp and paper industry was also shown, despite still lacking interest to potential investors. In this context, the role of government policies and appropriate economic instruments are of major relevance to increase the implementation of these projects.

O consumo excessivo de combustíveis fósseis para garantir as necessidades e interesses da sociedade conduziu à emissão de elevadas quantidades de gases com efeito de estufa nas últimas décadas, contribuindo significativamente para a maior ameaça ambiental do século XXI: Alterações Climáticas. A solução para este desastre de origem humana é de caráter complexo e só pode ser atingida através da cooperação de todos os governos e partes interessadas. Para isto, é obrigatória a criação de uma bioeconomia como base de um futuro mais sustentável, cujas necessidades energéticas e materiais sejam garantidas pelas eternas energias da natureza (e.g., vento, sol). Neste sentido, a biomassa pode ter um papel principal como uma matéria prima ajustável e renovável que permite a substituição de combustíveis fósseis num variado número de aplicações, e a sua conversão através da gasificação pode ser a chave para este propósito. Afinal, na prática, os combustíveis fósseis são apenas biomassa sujeita a elevada temperatura e pressão durante milhões de anos. Além do mais, a gestão eficaz da biomassa é fundamental para a redução dos riscos de incêndio florestal e, como tal, temos o dever de utilizar e valorizar este recurso. Neste trabalho, foi obtido novo conhecimento científico para suporte do desenvolvimento das tecnologias de gasificação direta (ar) de biomassa em leitos fluidizados borbulhantes para produção de gás combustível, com o objetivo da substituição de gás natural em queimadores industriais. Este é o primeiro passo para o desenvolvimento de biorrefinarias de gasificação, uma potencial futura indústria que irá providenciar um variado número de produtos de valor acrescentado através da biomassa e competir com a atual indústria petroquímica. Neste sentido, foram analisadas várias medidas para a melhoria da qualidade do gás produto bruto e dos parâmetros de eficiência do processo. Em primeiro, a adição de vapor sobreaquecido como medida primária permitiu o aumento da concentração de H2 e da razão molar H2/CO no gás produto sem comprometer a estabilidade do processo. No entanto, esta medida somente revelou potencial para a gasificação direta (ar) de biomassa de alta densidade (e.g., pellets) devido à necessidade da acumulação de carbonizados no leito do reator para a ocorrência de reações de reforma com vapor. Em segundo, a mistura de combustíveis derivados de resíduos e biomassa residual florestal permitiu a melhoria dos produtos de gasificação, constituindo desta forma uma estratégia bastante promissora a nível económico e ambiental, devido à elevada abundância e baixo custo dos resíduos urbanos. Contudo, devem ser efetuadas análises técnico-económicas e de ciclo de vida para a completa caraterização do processo. Em terceiro, a aplicação de catalisadores de baixo custo como medida primária demonstrou elevado potencial para a melhoria do gás produto (e.g., concentração de H2 e CO, poder calorífico inferior) e para o incremento dos parâmetros de eficiência do processo; em particular, a aplicação de betão, faialite sintética e carbonizados de pellets de madeira, demonstrou resultados promissores. Finalmente, foi demonstrada a viabilidade económica da integração do processo de gasificação direta (ar) de biomassa na indústria da pasta e papel, apesar dos parâmetros determinados não serem atrativos para potenciais investidores. Neste contexto, a intervenção dos governos e o desenvolvimento de instrumentos de apoio económico é de grande relevância para a implementação destes projetos.