Review of bark gasification via Aspen Plus pseudo-equilibrium model

Abstract

Biomass residue streams such as bark allow conventional pulp mills to replace their existing fossil fuels with fuels made from renewable origin. Emerging energy conversion technologies like gasification offer alternative methods to utilize biomass in pulp mills to replace, for example, the use of natural gas or oil in processes like lime kiln firing, which has the largest fossil fuel consumption in pulp mills.

In this thesis, the bark gasification plant of a pulp mill is studied via a literature review, pseudo-equilibrium gasification model, and experimental tests. The effect of feedstock, moisture content, gasification temperature, gasifying agent temperature, and gasifying agent oxygen content on the gasifier performance are investigated. The significance of the different process parameters is evaluated with a regression model. Finally, experimental tests are conducted to compare how the change in the gasification feedstock from birch bark to pine bark affects the gasifier performance and the lime kiln conditions.

The simulation model was able to estimate the hydrogen content and the power output of the reference gasifier well, but it overestimates the CO content and underestimates the CO₂ content. A set of mathematical equations that can be used to estimate the gasifier operation and the quality of the product gas was presented from regression analysis. Oxygen boosting of the gasifying agent was found to be the most impactful way to increase the heating value of the product gas. The simulation model and the conducted experimental tests showed that the gasification of pine bark was improved at a gasification temperature of 720 °C compared to 750 °C. While the simulation and regression models are gasifier specific, the results and observations on how the changing bark mix can affect the gasifier and the lime kiln burning can be applied to other similar systems.

Puupohjaiset sivuvirrat kuten kuori tuovat mahdollisuuksia perinteisille sellutehtaille korvata käytössä olevia fossiilisia polttoaineita vaihtoehtoisilla uusiutuvilla polttoaineilla. Yleistyvät energian muuntoteknologiat kuten kaasutus tarjoavat uusia mahdollisuuksia sellutehtaille korvata tehtailla käytössä olevia fossiilisia polttoaineita, kuten öljyn tai maakaasun käyttöä meesauunilla, joka on suurin fossiilista polttoainetta kuluttava prosessi sellutehtaalla.

Työssä tutkitaan sellutehtaan kuorikaasutinta kirjallisuuskatsauksen, kaasuttimen pseudo-tasapainomallin ja koeajojen avulla. Raaka-aineen, kuoren kosteuden, kaasutuslämpötilan, kaasutusilman lämpötilan ja kaasutusilman happipitoisuuden merkitystä kaasuttimen toimintaan tarkastellaan. Muuttujien painoarvoja tutkitaan simulointimallista tehdyn regressiomallin avulla. Kaasuttimen koeajoilla tutkitaan kaasuttimen polttoaineen vaihdon koivukuoresta mäntykuoreksi vaikutuksia kaasuttimen sekä meesauunin toimintaan.

Simulointimalli pystyi arvioimaan tutkitun tuotekaasun vetypitoisuutta ja tehoa tarkasti, mutta yliarvioi tuotekaasun häkäpitoisuutta ja aliarvioi hiilidioksidipitoisuutta. Regressiomallin avulla luotiin matemaattisia yhtälöitä, joiden avulla voidaan arvioida kaasuttimen toimintaa ja tuotekaasun laatua. Kaasutusilman happirikastus oli simulointimallin perusteella paras tapa tehostaa tuotekaasun lämpöarvoa. Simulointimalli ja kaasutinkoeajot näyttivät, että mäntykuoren kaasutuslämpötila 720 °C oli meesauunin kannalta parempi, kuin 750 °C kaasutuslämpötila. Vaikka työssä tutkitut simulointi- ja regressiomalli ovat kaasutinkohtaisia, havainnot kuorilaadun vaihtumisen vaikutuksista pätevät muihinkin samankaltaisiin prosesseihin.