Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

30
PATRIMONIO SUSTENTABLE: Una perspectiva desde la responsabilidad social patrimonial RSP PARTICIPACIÓN SOCIAL + MEDIO AMBIENTE + ECONOMÍA + PLANIFICACION URBANA Área de Participación Ciudadana PLAN DIRECTOR DE GESTIÓN PATRIMONIAL Propone: Juan Carlos Molina C. Agosto-2011 Propuesta elaborada a partir de la experiencia laboral en la OGP-2007 PLANIFICACION URBANA

description

Presentation given Biomass Gasification Europe 2014 at the Conference of the European Biogas Association 2014.

Transcript of Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Page 1: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Syngas  to  Power  Advanced  Gasifica5on,    

Gas  Cleaning  and  Product  Gas  u5liza5on  

   

Alkmaar,  The  Netherlands  October  2nd  2014  

Presented  by:  Mar5n  van  ‘t  Hoff  

   

Biomass  Gasifica5on  Europe  2014  

Page 2: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

•  Co-­‐opera5on  Royal  Dahlman  -­‐  ECN  

•  MILENA  gasifica5on  

•  OLGA  product  gas  cleaning  

•  Electricity  via  gas  engines  and  gas  turbines  

•  Waste  to  Energy  project  

•  Gaseous  and  liquid  fuels  

•  Research  opportuni5es  at  Investa  

 

Presenta5on  contents  

Page 3: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

•  Applied  R&D;  Transfer  from  fundamental  research  to  a  system  which  is  ready  for  the  market  

•  Scien5sts,  lab  &  pilot  facili5es  •  Process  modelling  •  Measurements  and  analysis  •  Patent  holder  of  MILENA    &  OLGA  

technology  

•  Coopera5on  with  Royal  Dahlman  on  biomass  and  waste  gasifica5on  since  2001  

ECN  &  Royal  Dahlman    

•  Engineering  and  produc5on  of  technology  based  equipment  

•  Commercial  system  design  

•  Technology  delivery  to  the  market  •  License  holder  of  MILENA  and  OLGA  

technology  •  OLGA  commercial  demonstrated  •  MILENA    is  launched  on  the  market  

based  on  ECN  license  and  Royal  Dahlman  marke5ng  &  engineering  

Page 4: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Biomass  vs.  Coal  gasifica5on  

Syngas  vs.  product  gas,  reason  for  confusion!  

•  Highly  reac5ve  fuels  such  as  coal  or  tar-­‐oil  are  gasified  with  oxygen  at  temperatures  above  1200  °C  and  produce  a  ‘syngas’  CO  –  H2  and  CO2  –  H2O.    

•  Biomass  or  waste  gasifica5on  has  a  reac5on  temperature  of  700  -­‐  950  °C  and  produce  a  ‘product  gas’  (syngas  +  hydrocarbons)    CO  –  H2  –  CH4  –  C2H6  –  tars  and  CO2  –  H2O.    

Page 5: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Biomass  vs.  Coal  gasifica5on  (2)  

•  Coal  gasifiers  have  a  very  large  scale  of  economy  

•  Coal  (entrained  flow)  gasifiers    need  fine  powders  or  slurries,  they  are  not  suitable  for  biomass  or  waste  (chips,  fluff)  

•  We  aim  for  high  efficiencies  on  a  scale  of  5  to  50  MWe  

•  Our  fuel:  wood,  waste  &  agricultural  residues  

Examples  (L  to  R):  Waste  wood  Soya  Stalk  RDF  from  MSW  

 

Page 6: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

The  MILENA  gasifier  

MILENA  an  indirect  gasifier  •  Both  reactors  in  one  refractory  lined  reactor  vessel  

•  100%  carbon  to  gas  ra5o  

o  Resul5ng  in  carbon  free  ash,  less  waste,  cleaner  waste  &  safer  waste  

o  Resul5ng  in  a  higher  cold  gas  efficiency    (5  to  15%  higher  on  LHV  basis)  

•  Separate  flue  gas  exhaust,  no  or  minimized  nitrogen  dilu5on  of  the  product  gas  

o  Compared  to  air  blown  gasifica5on  a  3  to  4  5mes  higher  hea5ng  value.    

o  Compared  to  oxygen/steam  blown  gasifica5on  a  much  higher  efficiency  (no  ASU  parasi5c),  while  s5ll  having  60%  more  hea5ng  value  

o  Very  suitable  for  cataly5c  upgrading  &  gas  turbines    

Page 7: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

MILENA  gasifica5on  scope  

Page 8: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Simplified…  •  Solid  par5culates  •  Organic  impuri5es  (tars,  dioxins)  

 mainly  dependant  upon  gasifier  type  and  opera5onal  characteris5cs  

•  Inorganic  impuri5es  (H2S,  HCl,  NH3  etc.)    mainly  dependant  upon  feedstock  composi5on  

•  Other  impuri5es  (heavy  metals,  HCN,  COS  etc.)    mainly  dependant  upon  feedstock  composi5on  

 

•  A  dirty  feedstock  (waste)  is  alrac5ve,  but  results  in  more    cleaning  efforts  

Gasifica5on  product  gas  cleaning    

Page 9: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

1.  Heavy  tars  •   Condensa5on  leads  to  fouling  <  400  -­‐  450°C  •   Tar  dew  point  is  cri5cal  parameter  

The  tar  problem  

Deactivation of catalyst (SNG production)

Fouling of equipment (gas cleaning)

Plugging of an intercooler (gas engines/turbines)

Page 10: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

2.  Light  tars  •  Heterocyclic  compounds  (phenol)  are  water  soluble,    

condensate  &  scrubber  water  is  poisoned    

•  Naphthalene  can  cause  crystalliza5on  problems  

The  tar  problem  

Phenol Naphthalene

Page 11: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Naphthalene  crystals  on  gas  engine  control  valve  

 

The  tar  problem  

Page 12: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

OLGA  Tar  removal  

Portugal:  CFB  gasifier,  OLGA  gas  cleaning,  Caterpillar  3516A+  gas  engine  

OLGA,  a  tar/oil  based  gas  scrubber  

•  OLGA  captures  tars  with  high  efficiencies,  well  within    specifica5on  for  gas  engines,  gas  turbines  and  cataly5c  processes  (SNG,  FT-­‐diesel).  

•  OLGA  does  not  convert  the  tars  by  using  electricity  or  combus5ng  part  of  the  product  gas.  OLGA  captures  tars  and  recycles  these  as  fuel  to  the  gasifier.  

•  OLGA  has  low  pressure  drop  and  only  consumes  some  electricity  for  pumps  and  tracing  <  0,1  MW  for  a  10  MW  gross  electric  plant  (1%).  

•  OLGA  does  not  change  the  main  gas  composi5on,  high  energy  carriers  like  methane,  ethene  and  the  bulk  of  the  benzene  and  toluene  stay  in  the  product  gas.  

•  OLGA  is  able  to  handle  very  high  tar  loads,  up  to    50  g/Nm3  allowing  us  to  op5mize  the  MILENA.  

Page 13: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

OLGA  &  dew  points  Tempe

rature  °C

Dew  points  &  process  choices

Water  dew  point  ±  75˚C

Coo

ler

Par

ticle

se

para

tion

T  =  850°C

Actual  temperature  450  –  500°C

Tar  dew  point  400-­‐450˚C

Page 14: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Dew  points  are  important!  

Condensation

Tempe

rature  °C

Dew  points  &  process  choices

Tar  dew  point  400-­‐450˚C

Water  dew  point  ±  75˚C

Tar  dew  point  <  10˚C)Absorption

Coo

ler

OLGA Separation of:

tars & fine particles

Parti

cle

sepa

ratio

n

T  =  850°C

Actual temperature

Page 15: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Dew  points  are  important!  

Condensation

Tempe

rature  °C

Dew  points  &  process  choices

Tar  dew  point  400-­‐450˚C

Water  dew  point  ±  75˚C

Tar  dew  point  <  10˚CAbsorption

Coo

ler

OLGA Separation of:

tars & fine particles

Parti

cle

sepa

ratio

n

T  =  850°C

Actual temperature

Water Quench, condenser & scrubber

(inorganics)

WDP  30ºC

Do  not  mix  tar  &  water!  

 

Actual temperature

Page 16: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

PFD  -­‐  OLGA  with  cyclone  

OLGA;  a  waste  free  system!  

 

Page 17: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

OLGA  Performance,  gas  analysis  Component    (values  in  mg/Nm3)    Raw  Gas      AWer  OLGA      Efficiency      Benzene  (not  a  tar  component)                              644                                        428     34%    Toluene                              439                                        101     77%    Ethylbenzene                                        8                                                  1     87%    m/p-­‐Xylene                                    68                                                  2     97%    o-­‐Xylene+Styrene                              551                                                  4     99%    Phenol                              597                                                -­‐         100%    Indeen+o-­‐cresol                              864                                                  4     100%    m/p-­‐Cresol                                    36                                                -­‐         100%    Naphthalene                        2.822                                                  2     100%    Quinoline                                    14                                                -­‐         100%    Isoquinoline                                        4                                                -­‐         100%    2-­‐methyl-­‐nasalene                              287                                                -­‐         100%    1-­‐methyl-­‐nasalene                              212                                                -­‐         100%    Biphenyl                              219                                                -­‐         100%    Ethenyl-­‐naphtalene                              197                                                  1     99%    Acenaphtylene                        1.070                                                  1     100%    Acenaphtene                                    70                                                  0     100%  

Detec5on  limit  is  2,5  mg/Nm3  

Page 18: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

OLGA  Performance,  gas  analysis  Component  (values  in  mg/Nm3)    Raw  Gas      AWer  OLGA      Efficiency      Fluorene                              425                                              -­‐         100%    Phenanthrene                        1.076                                              -­‐         100%    Anthracene                              398                                              -­‐         100%    Fluoranthene                              505                                              -­‐         100%    Pyrene                              609                                              -­‐         100%    Benzo(a)-­‐anthracene                              184                                              -­‐         100%    Chrysene                              167                                              -­‐         100%    Benzo(b)-­‐fluoranthene                              123                                              -­‐         100%    Benzo(k)-­‐fluoranthene                                    47                                              -­‐         100%    Benzo(e)-­‐pyrene                                    71                                              -­‐         100%    Benzo(a)-­‐pyrene                              148                                              -­‐         100%    Perylene                                    24                                              -­‐         100%    Indeno(123-­‐cd)-­‐perylene                                    73                                              -­‐         100%    Dibenz(ah)-­‐anthracene                                    18                                              -­‐         100%    Benzo(ghi)-­‐perylene                                    57                                              -­‐         100%    Coronene                                    30                                              -­‐         100%    Total  known  tar  components                  11.415                                        117     99%    Total  unknown  tars                      5.691                                            54     99%  

Page 19: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

OLGA  Performance,  gas  analysis  

Parameter    Unit     Raw  Gas     AWer  OLGA     Efficiency  

Total  tar     mg/Nm³  (dry)                      17.106                              171     99,0%  

Total  tar  excl.  BTX   mg/Nm³  (dry)                      16.040                              63     99,6%  

Total  tar  excl.  BTX  &  unknowns   mg/Nm³  (dry)                      10.349     9   99,9%  

Naphthalene  (key-­‐component)   mg/Nm³  (dry)                            2.822     <  2,5     >  99,9%  

Phenol  (key-­‐component)   mg/Nm³  (dry)                                  386   <  2,5     >  99,9%  

Tar  dewpoint     °  C    >  350     <  15  

°  F    >  660     <  59  

Tar  aerosols  (incl.  dust)     mg/Nm³  (dry)    -­‐-­‐       10  

Page 20: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

OLGA  tar  removal  

Page 21: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Clean  Product  Gas  specifica5on  Clean  Product  Gas    MILENA   MILENA   Air  blown  CFB   Oxygen  /  Steam  

blown  CFB  Specifica[on     Olivine  bed   Sand  bed   Sand  bed   Sand  bed  

    Refuse  Derived  Fuel  (RDF),  25%  moisture,  16%  ash,  21,6  MJ/kg  LHV  daf    Carbon  to  Gas  efficiency     100%   100%   95%   95%  Cold  Gas  efficiency  (excl.  tars)      ~  80%      ~  80%     70  -­‐  75%     70  -­‐  75%    Product  gas  composi[on  (vol%)      Clean  product  gas  downstream  OLGA  &  water  condensa[on  @  6%  water    CO     15,0   22,0   12,5   28,0  H2     21,3   14,2   11,3   21,6  CO2     22,6   15,8   13,1   29,7  O2     0,0   0,0   0,0   0,0  H2O     6,0   6,0   6,0   6,0  CH4     12,7   15,3   2,9   8,6  N2    (with  air  fluidiza5on)     9,4   10,9   51,2   0,6  CxHy  (>CH4  &  <  toluene)     11,5   13,9   1,7   3,7  Total     98,5   98,1   98,7   98,1  LHV  (wet)  (MJ/Nm3)     17,1   19,8   4,8   11,3  LHV  (wet)  (Btu/ss)     427   495   130   303  Wobbe  (LHV,  MJ/Nm3)     18,6   21,8   5,1   12,0  Wobbe  (LHV,  Btu/scf)     464   545   137   321  

>>

Page 22: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Set  up  CHP  –  IGCC  plant  with  OLGA  

1-­‐10  MWe  Gas  engines  +  ORC  

6-­‐50  MWe  IGCC  Gas  turbine  combined  cycle  

 

Page 23: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Engine  or  Turbine?  Gas  engines  

•  Available  for  product  gas  in  1-­‐2  MWe  per  

engine  

•  Loss  with  ac5ve  cooling  

•  Typical  availability  85%  

•  Lower  power  output  on  product  gas  vs.  on  natural  gas  (10%  -­‐  50%  dera5ng)  

•  Lower  capex,  higher  opex  

1-­‐10  MWe  Gas  engines  +  ORC  

Gas  turbines  

•  Available  for  product  gas  in  6  MWe  per  turbine  and  larger  capaci5es  

•  Very  low  loss  but  compressor  parasi5c  

•  High  availability,  typical  96%  

•  Higher  power  output  on  product  gas  vs.  on  natural  gas  (expansion  advantage  +10%)  

•  Higher  capex,  lower  opex    

6-­‐50  MWe  IGCC  Gas  turbine  combined  cycle  

 

Page 24: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

MILENA-­‐OLGA  CHP-­‐IGCC  efficiencies  

26%   32%  17%  

31%   25%  39%  

32%   48%  47%  

13%  

13%  

16%  

16%  

21%  

21%  

0%  10%  20%  30%  40%  50%  60%  70%  80%  90%  100%  

Gas  Engine   Gas  Engine  +  ORC  

GT  single  cycle   GT  comb.  cycle   GT  single  cycle   GT  comb.  cycle  

24  MWth   24  MWth   160  MWth  

155  ton/day  RDF   153  ton/day  RDF   1035  ton/day  RDF  

Net  plant  efficiency  to  useful  low  quality  heat    

Net  plant  efficiency  to  high  quality  heat   Net  plant  efficiency  to  power  

Page 25: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Waste  to  Energy  -­‐  ETI  selec5on  

Worlds  most  efficient  waste  to  energy  technology  contest    

•  The  UK  based  Energy  Technologies  Ins5tute  (ETI)  selected  Royal  Dahlman  with  two  UK  companies  to  compete  in  this  challenge  

•  In  January  ‘14,  we  completed  a  FEED  study  which  included  extensive  tests  on  UK  waste  

•  In  the  coming  months  the  winner  will  be  announced,  which  will  receive  an  ETI  investment  for  the  demonstra5on  plant  

Page 26: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

The  Grimsby  Renewable  Power  facility  Project  Sta[s[cs  

Project  loca5on   Moody  Lane,  Grimsby,  Lincolnshire,  UK  

Plant  commercial  feedstock   Flexible:  RDF  -­‐  SRF  -­‐  Biomass  

Waste  input  (at  MRF)   60.000  to  80.000  tpa  (based  on  typical  MRF  opera5on)    

Plant  RDF/SRF  input   37.000  tpa  SRF  or  47.000  tpa  RDF  

Plant  input  energy     22-­‐23  MW  (LHV)  at  nominal  capacity  

Plant  gross  electricity  genera5on   8,8  MW  

Plant  net  electricity  sales   7,0  MW  (op5misa5on  to  7,6  MW  possible)    

Page 27: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

MILENA  –  OLGA  Most  Efficient  EFW    

MRF  The  GRP  facility  receives  RDF/SRF  in  bales,  but  also  has  MRF  func5onality  for  flexibility  and  robustness.  Two  shredders,  a  sieve  and  

magnet  belts    

MILENA  The  MILENA  scope  includes  flue  gas  treatment,  coolers  

and  the  cyclones          

OLGA  -­‐  AQUA  OLGA  (green)  captures  tars  and  dust  and  recycles  these  

to  the  MILENA.  Downstream  OLGA  (blue)  water  is  condensed  out  and  components  such  as  HCl  and  NH3  are  removed  

Power  Block  A  Solar/Caterpillar  Taurus60  gas  turbine,  heat  recovery  steam  generator  and  a  steam  turbine  that  also  receives  steam  from  the  

MILENA  coolers    

Page 28: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Waste  to  Energy  -­‐  ETI  selec5on  22  MW  RDF  from  UK  waste,  to  7  MW  net  electricity    

 

 

Page 29: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Waste  to  Energy  -­‐  ETI  selec5on  

MILENA  gasifier  

Power  block  

OLGA  –  AQUA  gas  cleaning  

Page 30: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

•  CH4  –  SNG  –  “green  gas”    •  Fisher-­‐Tropsch  diesel  •  H2  •  Methanol  •  Ethanol  •  Jet  fuels  •  Mixed  alcohols,  Etc.  

MILENA-­‐OLGA  delivers  a  clean  nitrogen  free  gas  suitable  for  cataly[c  conversion  to  several  gaseous  and  liquid  fuels  

MILENA-­‐OLGA  to  gaseous  and  liquid  fuels  

Page 31: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Research  opportuni5es  at  Investa  MILENA  –  OLGA  –  SNG  line-­‐up  

Tie-­‐in  for  full  or  slip  stream  tests  the  plant  capacity,  ≈  4  MWth  

Clean  product  gas  at  18-­‐20  MJ/Nm3  (540-­‐600  Nm3/hr)  Available  at  1  bara,  6  bara  or  40  bara  

Page 32: Syngas to Electricity - Martin van 't Hoff

Thank  You!  

Mar5n  van  ‘t  Hoff  [email protected]  www.renewableenergy.nl