Feasibility of Biomass Biodrying for Gasification Process

L'un des défis importants de gazéification de biomasse est la limite de la qualité de matière première surtout la teneur en humidité qui joue un rôle significatif sur la performance de gazéification. La gazéification requise de faible niveaux d'humidité (20% et moins) et plusieurs rapports ont souligné l'humidité comme un problème typique de la gazéification de biomasse. L'humidité élevée affecte les taux de réactions qui ont lieu dans les gazéificateurs à la suite de chute de la température et qu'elle finalement augmente la teneur en goudron, diminue le rendement en gaz, change la composition du gaz produit et touche l'efficacité. Donc, il faut obligatoirement prétraiter la biomasse avant le gazéificateur et réduire la teneur en humidité au niveau approprié et économique. Les solutions connues sont soit séchage naturel (pas pratiquement possible pour les usines à l'échelle commerciales) ou des technologies classiques de séchage (couts d'opération élevés). Bioséchage est un procédé alternatif qui utilise à la fois convection de l'air et la chaleur dégagé par réactions biologiques comme la source d'énergie, afin de réduire l'humidité. Dans le réacteur de bioséchage chaleur est générée à partir de décomposition exothermique de la fraction organique de biomasse et c'est la raison pour laquelle ce processus est appelé '' auto-chauffant ''. Utilisant telle technologie pour sécher la biomasse au prétraitement d'un procédé de gazéification rends plusieurs avantages économiques et environnementaux aux usines. En Europe, le bioséchage est utilisé pour traitement des déchets municipaux (MSW- Municipal Solid Waste) à l'échelle commerciale pour dégrader une partie de la portion biodégradable des déchets, afin de créer la chaleur et réduire la teneur en humidité pour générer le combustible solide récupéré (SFR- Solid Recovered Fuel). En Italie, l'industrie du vin a l'intention de développer le bioséchage pour la récupération de l'énergie des déchets de raisin après la fermentation et distillation, qui renvoie des avantages économiques énorme à l'industrie. Au Canada, le développement de cette technologie de séchage pour l'industrie des pâtes et papiers a été lancé à l'École polytechnique de Montréal comme une option pour des solutions de gestion des boues. Par conséquent, le réacteur discontinu a été développé en 2004 et ensuite le système continu (à l'échelle pilote) a été conçu en 2010 pour démontrer la faisabilité de bioséchage des boues mixte des usines des pâtes et papiers, pour la combustion efficace dans les chaudières. La boue mixte a été séchée dans le réacteur jusqu'au 45% d'humidité, ce qui est le niveau approprié pour qu'il soit utilisé économiquement dans une chaudière. Analyse technico-économique a également révélé les potentiels des avantages économiques pour les usines des pâtes et papiers. Cependant, des incertitudes concernant la faisabilité de bioséchage existait pour d'autres types de biomasse qui sont habituellement utilisés dans les procédés de gazéification, et la raison de ces incertitudes est principalement le faible niveau de nutriment disponible dans la matrice de biomasse ligno-cellulosique typique utilisé comme matière première. En outre, la viabilité économique de cette technologie en conjonction avec le procédé de gazéification à l'usine des pâtes et papiers avait été une question. Dans ce travail, la faisabilité de bioséchage de la biomasse en faible nutriment a été examinée par des expérimentations, et la modèle technico-économique a été élaboré afin de déterminer la performance de bioséchage à l'échelle commerciale. Dans l'analyse économique une approche globale pour estimation des couts de bioséchage a été introduite basé sur l'approche connue largement utilisée à l'industrie des procédés. Quelques sources de bénéfices ont aussi été identifiées.

Abstract

An important challenge of biomass gasification is the limitation of feedstock quality especially the moisture content, which plays a significant role on the performance of gasification process. Gasification requires low moisture levels (20% and less) and several reports have emphasized on the moisture as a typical problem while gasifying biomass. Moisture affects overall reaction rates in the gasifiers as a result of temperature drop and ultimately increases tar content, decreases gas yield, changes the composition of produced gas and affects the efficiency. Therefore, it is mandatory to pre-treat the biomass before gasification and reduce the moisture content to the suitable and economic level. The well-known solutions are either natural drying (not practical for commercial plants) or conventional drying technologies (have high operating costs). Biodrying is an alternative process, which uses both convective air and heat of biological reactions as a source of energy, to reduce the moisture. In the biodrying reactor heat is generated from exothermic decomposition of organic fraction of biomass and that is why the process is called ‘'self-heating process''. Employing such technology for drying biomass at pre-treatment units of gasification process returns several economic and environmental advantages to mills. In Europe, municipal waste treatment (MSW) plants use the biodrying at commercial scale to degrade a part of the biodegradable fraction of waste to generate heat and reduce the moisture content for high quality SRF (Solid Recovered Fuel) production. In Italy, wine industry is seeking to develop biodrying for energy recovery of grape wastes after fermentation and distillation, which returns economic benefits to the industry. In Canada, the development of biodrying technology for pulp and paper industry was started at École polytechnique de Montréal as an option for sludge management solution. Therefore, batch biodrying reactor was successfully developed in 2004 and the pilot-scale continuous system was designed in 2010 to demonstrate the feasibility of mixed sludge biodrying for efficient combustion in biomass boilers. Mixed sludge was biodried in the reactor to 45% moisture level, which was the suitable level for boiler application. Techno-economic analysis also revealed the potential economic benefits for pulp and paper mills. However, considerable uncertainties existed in terms of feasibility of the biodrying technology for other types of biomass that are usually used in the gasification process, mainly because of low nutrient level of typical lignocellulosic biomass used as feedstock. Furthermore, the technology had not been shown to be economically viable in conjunction with gasification process at pulp and paper mills. In this work the feasibility of low-nutrient biomass biodrying was tested by experiments and techno-economic model was developed to identify the performance of biodrying process for commercial-scale application. In the economic analysis, a comprehensive approach for biodrying cost assessment was introduced that is based on the well-known approach widely used in the process industry and few sources of benefits were identified.