Biomass gasification, pyrolysis and torrefaction: practical design and theory

Front Cover......Page 1
Biomass Gasification, Pyrolysis, and Torrefaction......Page 4
Copyright Page......Page 5
Dedication......Page 6
Contents......Page 8
Preface......Page 16
Acknowledgments......Page 18
About the Author......Page 20
1 Introduction......Page 22
1.1 Biomass and its Products......Page 23
1.1.1 Products of Biomass......Page 24
1.1.1.2 Energy Industries......Page 25
1.1.1.3 Transport Industries......Page 26
1.1.1.4 Environmental Industries......Page 27
1.2 Biomass Conversion......Page 28
1.2.1 Biochemical Conversion......Page 29
1.2.2 Thermochemical Conversion......Page 31
1.2.2.1 Combustion......Page 32
1.2.2.2 Pyrolysis......Page 33
1.2.2.4 Gasification......Page 34
1.3.1 Renewability Benefits......Page 36
1.3.2.1 Carbon-Neutral Feature of Biomass......Page 37
1.3.2.2 Sulfur Removal......Page 38
1.4 Historical Background......Page 39
1.5 Commercial Attraction of Gasification......Page 42
1.5.1 Comparison of Gasification and Combustion......Page 43
1.6.4 Gasification of Carbon......Page 46
1.6.6 Methanol Synthesis......Page 47
Symbols and Nomenclature......Page 48
2.1 Introduction......Page 50
2.2.1 Availability Assessment......Page 51
2.2.1.2 Biomass Cost......Page 53
2.2.2.1 Energy Revenue......Page 54
2.3 Biomass Conversion Process Plant Equipment and Cost......Page 55
2.3.2 Preprocessing......Page 56
2.3.3 Gasifier Cost......Page 57
2.3.4 Torrefier Cost......Page 59
2.3.6 Comparison of Capital Costs......Page 60
2.4.1 Capital Cost Adjustment for Size and Time......Page 61
2.4.1.2 Scale-Up with Time......Page 62
2.4.2 Capital Requirement......Page 63
2.4.3 Operation and Maintenance Cost......Page 64
2.4.3.1 Carrying Charge......Page 65
2.4.3.2 Revenue Requirement......Page 66
Symbols and Nomenclature......Page 67
3.2 What Is Biomass?......Page 68
3.2.1 Biomass Formation......Page 69
3.2.2 Types of Biomass......Page 70
3.2.2.1 Lignocellulosic Biomass......Page 71
3.2.2.2 Crops and Vegetables......Page 72
3.2.2.3 Waste Biomass......Page 73
3.3 Structure of Biomass......Page 75
3.3.1 Structure of Wood......Page 76
3.3.2.1 Cellulose......Page 77
3.3.2.3 Lignin......Page 79
3.4.1 Atomic Ratio......Page 81
3.4.2 Relative Proportions of Lignocellulosic Components......Page 82
3.4.3 Ternary Diagram......Page 83
3.5.1 Physical Properties......Page 84
Apparent Density......Page 85
Bulk Density......Page 86
Biomass (Growth) Density......Page 87
3.5.2.1 Thermal Conductivity......Page 88
3.5.2.3 Heat of Formation......Page 90
3.5.2.4 Heat of Combustion (Reaction)......Page 91
3.5.2.5 Heating Value......Page 92
3.5.2.6 Ignition Temperature......Page 93
3.6.1 Ultimate Analysis......Page 94
3.6.2.2 Ash......Page 96
3.6.2.3 Moisture......Page 97
Fixed Carbon......Page 98
3.6.4 Bases of Expressing Biomass Composition......Page 99
3.6.4.4 Dry Ash-Free Basis......Page 100
3.6.5.2 Lower Heating Value (LHV)......Page 101
3.6.5.4 Estimation of Biomass Heating Values......Page 102
3.6.6.2 Composition of the Product of Combustion......Page 103
3.6.7 Composition of the Product Gas of Gasification......Page 104
Symbols and Nomenclature......Page 105
Subscripts......Page 107
4.2 What Is Torrefaction?......Page 108
4.2.1 Pyrolysis, Carbonization, and Torrefaction......Page 110
4.2.1.1 Difference Between Carbonization, Pyrolysis, and Torrefaction......Page 111
4.3.1 Charcoal Fuel......Page 113
4.3.3 Biocoke......Page 114
4.4 Torrefaction Process......Page 115
4.4.1.2 Drying......Page 117
4.4.1.5 Cooling......Page 119
4.4.2 Mechanism of Torrefaction......Page 120
4.4.3.1 Temperature......Page 122
Core Temperature Rise......Page 123
4.4.3.3 Biomass Type......Page 125
4.4.3.4 Feed Size......Page 126
4.5 Degree of Torrefaction......Page 128
4.5.1 Mass Yield......Page 129
4.5.2 Energy Density......Page 133
4.5.3 Energy Yield......Page 134
4.6.1 Density and Volume......Page 135
4.6.2 Grindability......Page 136
4.6.3 Hydrophobicity of Torrefied Biomass......Page 137
4.6.3.1 Why Biomass Becomes Hydrophobic after Torrefaction?......Page 138
4.6.5 Densification or Pelletization......Page 139
4.7 Torrefaction Technologies......Page 143
Convective Reactor (Moving/Fixed/Entrained Bed)......Page 144
Hydrothermal Reactor......Page 145
Screw or Stationary Shaft......Page 146
4.7.1.2 Classification on Mode of Gas–Solid Mixing......Page 147
4.8.1 Design of Torrefaction Plant......Page 151
4.8.1.2 Design Approach......Page 152
Design Input......Page 153
Mass and Energy Balance......Page 154
Torrefier......Page 155
Burner......Page 156
Unit Sizing......Page 157
Predrying Section......Page 158
Torrefier Section......Page 159
Burner Design......Page 161
Symbols and Nomenclature......Page 162
Greek symbol......Page 163
Oil Burner......Page 164
Torrefier: Control Volume of Torrefaction Zone......Page 165
Oil Burner: Control Volume of Oil Burner......Page 166
5.1.1 Historical Background......Page 168
5.2 Pyrolysis......Page 170
5.2.1 Pyrolysis Products......Page 172
5.2.1.3 Gas......Page 173
5.2.2 Types of Pyrolysis......Page 174
5.2.2.1 Slow Pyrolysis......Page 175
5.2.2.3 Flash Pyrolysis......Page 176
5.2.2.5 Pyrolysis in the Presence of a Medium......Page 178
5.3.1 Effect of Biomass Composition......Page 179
5.3.3 Effect of Heating Rate......Page 180
5.3.4 Effect of Particle Size......Page 181
5.4.1 Physical Aspects......Page 182
5.4.2.1 Cellulose......Page 183
5.4.2.3 Lignin......Page 185
5.4.3.1 One-Stage Global Single-Reaction Model......Page 186
5.5 Heat Transfer in a Pyrolyzer......Page 187
5.5.2 Is Pyrolysis Autothermal?......Page 188
5.6 Pyrolyzer Types......Page 189
5.6.1 Fixed-Bed Pyrolyzer......Page 190
5.6.3 CFB Pyrolyzer......Page 191
5.6.6 Rotating-Cone Pyrolyzer......Page 192
5.7.1 Production of Liquid Through Pyrolysis......Page 193
5.8 Biochar......Page 194
5.8.1 Potential Benefits of Biochar......Page 196
Symbols and Nomenclature......Page 197
6.2 Tar......Page 198
6.2.1 Acceptable Limits for Tar......Page 199
6.2.2 Tar Formation......Page 201
6.2.3 Tar Composition......Page 202
6.2.3.2 Secondary Tar......Page 203
6.3 Tar Reduction......Page 204
6.3.1.1 Reduction Reactions......Page 205
Temperature......Page 206
Gasification Medium......Page 207
Dolomite......Page 209
Char......Page 210
Downdraft Gasifier......Page 211
Fluidized-Bed Gasifier......Page 212
6.3.1.5 Design Modifications for Tar Removal......Page 213
6.3.2.1 Physical Tar Removal......Page 214
Barrier Filters......Page 215
Wet Electrostatic Precipitators......Page 216
Wet Scrubbers......Page 217
6.3.2.2 Cracking......Page 218
7.2 Gasification Reactions and Steps......Page 220
7.3 The Gasification Process......Page 221
7.3.1 Drying......Page 222
7.3.3 Char Gasification Reactions......Page 224
7.3.3.1 Speed of Char Reactions......Page 225
7.3.3.2 Boudouard Reaction......Page 226
7.3.3.4 Shift Reaction......Page 227
7.3.4 Char Combustion Reactions......Page 229
7.3.5 Catalytic Gasification......Page 231
7.3.5.1 Catalyst Selection......Page 232
7.3.6.1 Moving-Bed Reactor......Page 233
7.3.6.2 Fluidized-Bed Reactor......Page 235
7.3.6.3 Entrained-Flow Reactor......Page 238
7.4.1 Chemical Equilibrium......Page 239
7.4.1.1 Reaction Rate Constant......Page 240
7.4.1.2 Gibbs Free Energy......Page 241
7.4.1.3 Kinetics of Gas–Solid Reactions......Page 243
7.4.1.4 Boudouard Reaction......Page 244
7.4.1.7 Steam Reforming of Hydrocarbon......Page 246
7.4.1.8 Kinetics of Gas-Phase Reactions......Page 247
7.4.2.1 Effect of Pyrolysis Conditions......Page 250
7.4.2.4 Mass-Transfer Control......Page 251
7.5.1 Simulation Versus Experiment......Page 253
7.5.2 Gasifier Simulation Models......Page 254
7.5.2.2 Stoichiometric Equilibrium Models......Page 255
7.5.2.3 Nonstoichiometric Equilibrium Models......Page 257
7.5.2.5 Reaction Kinetics......Page 258
7.5.2.7 Neural Network Models......Page 259
7.5.2.9 CFD Models......Page 260
7.6.1 Moving-Bed Gasifiers......Page 261
7.6.2 Fluidized-Bed Gasifiers......Page 262
7.6.2.2 Reaction Submodel......Page 264
7.6.3 Entrained-Flow Gasifiers......Page 265
7.6.3.1 Energy Balance......Page 266
Symbols and Nomenclature......Page 267
8.1.1 Gasifier Types......Page 270
8.2 Fixed-Bed/Moving-Bed Gasifiers......Page 272
8.2.1 Updraft Gasifiers......Page 273
8.2.1.1 Dry-Ash Gasifier......Page 274
8.2.2 Downdraft Gasifiers......Page 275
Operating Principle......Page 277
8.2.2.2 Throated Gasifier......Page 278
8.2.3 Crossdraft Gasifiers......Page 279
8.3.1 Bubbling Fluidized-Bed Gasifier......Page 280
8.3.2 Circulating Fluidized-Bed Gasifier......Page 282
8.3.2.1 Transport Gasifier......Page 283
8.3.2.2 Twin Reactor System......Page 284
8.3.2.3 Chemical Looping Gasifier......Page 287
8.4 Entrained-Flow Gasifiers......Page 289
8.4.1 Top-Fed Gasifier......Page 291
8.4.2 Side-Fed Gasifier......Page 292
8.4.4.1 Choren Process......Page 293
8.5 Plasma Gasification......Page 294
8.6 Process Design......Page 295
8.6.1 Design Specification......Page 296
8.6.2.2 Fuel Feed Rate......Page 297
8.6.2.4 Equivalence Ratio......Page 298
Oxygen......Page 300
Steam......Page 301
8.6.3 Energy Balance......Page 303
8.6.3.2 Heat of Reaction......Page 304
8.7.1 Equilibrium Approach......Page 308
8.7.1.2 Nonstoichiometric Model......Page 309
8.8.1 Moving-Bed Gasifiers......Page 310
8.8.1.2 Downdraft Gasifier......Page 312
8.8.2 Fluidized-Bed Gasifiers......Page 313
8.8.2.2 Fluidization Velocity......Page 315
8.8.2.4 Fluidized-Bed Height......Page 316
Residence-Time-Based Design Approach......Page 317
Other Considerations......Page 319
8.9.1 Gasifier Chamber......Page 320
8.10 Auxiliary Items......Page 321
8.10.3 Bed Materials......Page 322
8.11 Design Optimization......Page 323
8.12.1 Gasification Efficiency......Page 324
8.12.1.1 Cold-Gas Efficiency......Page 325
8.12.1.2 Hot-Gas Efficiency......Page 327
8.12.1.3 Net Gasification Efficiency......Page 328
8.12.2.2 Fluidized-Bed Gasifier......Page 331
Symbols and nomenclature......Page 332
9.1 Introduction......Page 336
9.2 Supercritical Water......Page 337
9.2.1 Properties of SCW......Page 339
9.2.2 Application of SCW in Chemical Reactions......Page 342
9.2.3 Advantages of SCW Gasification over Conventional Thermal Gasification......Page 343
9.3.1 Gasification......Page 344
9.3.2 Hydrolysis......Page 345
9.3.4 Scheme of an SCWG Plant......Page 346
9.4.1 Reactor Temperature......Page 348
9.4.2 Catalysts......Page 350
9.4.4 Solid Concentration in Feedstock......Page 351
9.4.6 Feed Particle Size......Page 352
9.5 Application of Biomass Conversion in SCWG......Page 354
9.5.1 Energy Conversion......Page 355
9.5.3 Chemical Production......Page 356
9.6 Reaction Kinetics......Page 357
9.7.1 Reactor Temperature......Page 358
9.7.3 Reactor Size......Page 359
9.7.4 Heat-Recovery Heat-Exchanger Design......Page 360
9.7.5 Carbon Combustion System......Page 362
9.7.6 Design of Gas–Liquid Separator System......Page 364
9.7.7 Biomass Feed System......Page 368
9.8.1 Mechanism of Corrosion......Page 369
9.8.2 Prevention of Corrosion......Page 370
9.8.2.4 Corrosion-Resistant Materials......Page 371
9.10 Major Challenges......Page 372
Symbols and Nomenclature......Page 373
10.1 Introduction......Page 374
10.2 Benefits and Shortcomings of Biomass Cofiring......Page 375
10.3 Emission Reduction Through Biomass Cofiring......Page 376
10.4 Carbon Capture and Storage (CCS) versus Biomass Firing......Page 378
10.5.1 Direct Cofiring of Raw or Torrefied Biomass......Page 380
10.5.3 Parallel Cofiring......Page 382
10.6 Operating Problems of Biomass Cofiring......Page 383
10.6.2 Fuel Preparation......Page 384
10.6.4 Fouling, Agglomeration, and Corrosion......Page 385
10.6.5 Biomass Variability......Page 386
10.6.7 Safety Issue......Page 387
10.7 Cofiring with Torrefied Wood......Page 388
10.7.2 Feed Preparation......Page 389
10.7.3 Effect of Torrefaction Parameters on Grinding......Page 390
10.7.4 Explosion and Fire......Page 391
11.1 Introduction......Page 396
11.2.2 Applications of Syngas......Page 397
11.2.3.2 Partial Oxidation of Natural Gas......Page 398
11.2.5 Cleaning and Conditioning of Syngas......Page 399
11.3.1 What Is Bio-Oil?......Page 401
11.3.3 Applications of Bio-Oil......Page 403
11.3.3.1 Energy Production......Page 404
11.3.4 Production of Bio-Oil......Page 405
11.4.1 Methanol Production......Page 406
11.4.2 Fischer–Tropsch Synthesis......Page 408
11.4.2.2 Products......Page 410
11.4.2.3 Reactions......Page 412
11.4.2.4 Catalysts......Page 413
11.4.2.5 Reactors......Page 414
11.4.3 Ammonia Synthesis......Page 415
11.4.4 Glycerol Synthesis......Page 416
11.5.1 Biochemical Ethanol Production......Page 417
11.5.1.1 Ethanol from Food Sources......Page 418
11.5.2.1 Gasoline Production from Methanol......Page 419
11.5.3 Diesel......Page 420
11.5.4 Transport Fuel Production from Nonfood Biomass......Page 421
11.5.4.2 Biochemical Process......Page 422
11.5.4.5 Fermentation of Hemicellulosic Sugars......Page 424
11.5.4.6 Distillation and Dehydration......Page 425
12.2 Design of a Biomass Energy System......Page 426
12.3.1 Receiving......Page 428
12.3.2 Storage......Page 430
12.3.2.2 Silos and Bins for Storage of Biomass......Page 432
12.3.2.3 Hopper Design......Page 433
12.3.2.4 Achieving Mass Flow......Page 435
12.3.2.5 Hopper Design for Mass Flow......Page 436
12.3.2.6 Design Steps......Page 437
12.3.2.7 Chute Design......Page 440
12.3.3 Conveying......Page 442
12.3.4.1 Size Reducers......Page 443
12.3.4.3 Drying......Page 445
12.4.2 Feeding Systems for Nonharvested Fuels......Page 447
12.4.3.1 Gravity Chute......Page 449
12.4.3.2 Screw Feeder......Page 450
12.4.3.4 Pneumatic Injection Feeder......Page 452
12.4.3.7 Ram Feeder for Refuse-Derived Fuel......Page 453
12.4.4 Fuel Feed into the Reactor......Page 454
12.4.4.1 Overbed System......Page 455
12.5 Cost of Biomass-Handling System......Page 457
Symbols and Nomenclature......Page 459
13.1.1 Ultimate (Elemental) Analysis......Page 460
13.1.2 Proximate Analysis......Page 461
13.1.2.2 Ash......Page 462
13.1.3 Analysis of Polymeric Components of Biomass......Page 463
13.1.3.2 Extractive Components of Biomass......Page 465
13.1.3.5 Lignin......Page 467
13.2 Heating Value......Page 468
13.3 Differential Scanning Calorimetry......Page 469
13.4.1 Thermogravimetric Analysis......Page 471
13.4.3 Quartz Wool Matrix Apparatus......Page 472
13.5 Pyrolysis-Gas Chromatography/Mass Spectrometry......Page 475
Appendix A: Definition of Biomass......Page 478
B2 Summary of Common Conversion Units......Page 482
Appendix C: Selected Design Data Tables......Page 506
Glossary......Page 514
References......Page 516
Index......Page 536