Comparison of innovative and conventional fluidized bed biomass gasification technologies for bio-DME production plants

In the face of increasing concerns on environmental impact, security of energy supply, and future oil resources, the global community is seeking non-petroleum based alternative fuels. One of these alternatives is biomass. In the present work, its exploitation for the production of a synthetic fuel which can constitute an alternative to diesel fuel, dimethyl ether (DME), has been analysed. In particular, the objective of this study was to compare three different technologies of fluidized bed biomass gasification in a plant which synthesizes DME and integrates electricity production. An innovative dual fluidized bed gasification system (SEG), based on the use of a CO2 sorbent (Calcium Oxide) as bed material to directly adjust syngas composition, has been compared to two conventional technologies: an indirectly heated gasifier with olivine as bed material and a directly heated pressurized steam-oxygen blown gasifier. In the first two technologies, a Nitrogen-free syngas is obtained by exploiting an additional fluidized bed reactor as combustor to heat the bed material before it is recirculated to the gasifier reactor, whereas for the direct configuration heat is provided by partial combustion of the biomass feedstock inside the gasifier reactor. The plant layouts were modelled by using thermodynamic modelling and simulation tools of Aspen Plus software. Syngas composition is calculated by assuming a certain approach to the equilibrium of Water Gas Shift reaction. Experimental data have been used to evaluate the unconverted Carbon fraction (residual char). After a mandatory syngas cleaning and conditioning section, a direct once-through DME synthesis process is considered, followed by a purification step where DME, with the purity required for fuel application, is recovered and unconverted syngas (offgas) is assumed to be burned in an engine to generate electricity. A recovery steam cycle is finally considered to exploit plant waste heat sources producing further electric power. Behaviours of the different examined gasification technologies have been evaluated. Resulting cold gas efficiencies of the gasification island range from 70 to 81%. However, since Methane and higher hydrocarbon, who are not involved in DME synthesis reactions, account for a large fraction of syngas LHV, final DME production turns out to be much lower (below 20% of biomass LHV), compared to an electricity production equal to 26-29% of biomass LHV. This evidences that in the examined biomass-to-DME pathway CH4 and C4H10 play the most significant role, since they become responsible of high amounts of unconverted syngas in downstream fuel synthesis. Innovative SEG configuration, compared to conventional technologies, has shown to be more penalized in the final fuel production due to both a lower biomass Carbon conversion within the gasification island and a worse syngas conversion in the once-through DME direct synthesis route.

Di fronte alle crescenti preoccupazioni in tema di impatto ambientale, sicurezza di approvvigionamento delle fonti energetiche e future risorse petrolifere, la comunità internazionale è alla ricerca di fonti alternative ai combustibili fossili tradizionali. Una di queste è la biomassa. Nel presente lavoro viene analizzato l’utilizzo di biomassa per la produzione di DME, un combustibile alternativo al diesel. L’obiettivo è confrontare tre diverse tecnologie di letti fluidi per la gassificazione della biomassa in un impianto che sintetizza DME e integra la produzione di potenza elettrica. Un sistema innovativo di gassificazione a due letti fluidi (SEG), basato sull’uso di Ossido di Calcio come sorbente per sottrarre CO2 dalla fase gassosa e influenzare direttamente la composizione del gas, è stato confrontato con due tecnologie convenzionali: un gassificatore indiretto, con olivina come materiale solido ricircolato, e un gassificatore diretto in pressione alimentato a ossigeno e vapore. Nelle prime due tecnologie, il ricircolo di materiale solido, riscaldato nel secondo letto fluido (combustore), consente di sostenere termicamente il processo, producendo un gas di sintesi privo di Azoto. Nel gassificatore diretto, invece, il calore è fornito direttamente dalla parziale combustione della biomassa alimentata al gassificatore stesso. I layout degli impianti sono stati modellizzati mediante il software ASPEN Plus. La composizione del syngas è stata determinata assumendo una certa distanza dall’equilibrio chimico per la reazione di Water Gas Shift. L’utilizzo di dati sperimentali ha permesso di valutare la frazione di Carbonio non convertito (char residuo). Dopo una preliminare sezione di purificazione e condizionamento del gas, è stato modellizzato un processo once-through di sintesi diretta del DME. Dopodiché, il DME, con la purezza richiesta per l’applicazione nel settore dei trasporti, viene separato dal gas non reagito (offgas) che si è assunto venga bruciato in un motore per generale energia elettrica. È stato poi considerato un ciclo a vapore a recupero per sfruttare le sorgenti termiche di scarto e produrre ulteriore energia elettrica. Il comportamento delle tre diverse tecnologie di gassificazione esaminate è stato confrontato. Per quanto riguarda le isole di gassificazione, le CGE ottenute variano tra il 70 e l’80%. Tuttavia, poiché il Metano e gli idrocarburi pesanti, che non sono coinvolti nelle reazioni di sintesi a valle, si sono rivelati ricoprire una frazione significativa dell’LHV del gas di sintesi, la produzione finale di DME è risultata molto inferiore (sotto il 20% del contenuto energetico originale della biomassa), paragonata a una produzione elettrica pari al 26-29% dell’LHV della biomassa. Questo evidenzia che, nel processo di conversione da biomassa a DME, un ruolo importante è rivestito da CH4 e CxHy, in quanto diventano responsabili di grandi quantità di syngas non convertito nella successiva sintesi del DME. Il sistema innovativo SEG ha mostrato di essere il più penalizzato nella produzione finale di combustibile, a causa sia della minore conversione del Carbonio contenuto nella biomassa, all’interno del processo di gassificazione, sia della peggiore conversione del syngas nel processo once-through di sintesi diretta del DME.