Biomass Gasification Integrated into a Reference Canadian Kraft Mill

L'intégration de la bioraffinerie forestière dans l'industrie des pâtes et papiers crée une augmentation de la demande d'énergie. Comme l'industrie des pâtes et papiers est un des plus gros consommateurs de biomasse ligneuse au Canada, les déchets (écorces, liqueur noire, etc.) de cette industrie peuvent être utilisés pour répondre à la demande énergétique des usines de pâtes et papiers. Les ressources en biomasse peuvent également être utilisées pour produire des biocarburants, de l'électricité et des produits chimiques de spécialité. Le processus de gazéification est la méthode la plus efficace pour utiliser le potentiel énergétique de la biomasse. Dans cette étude, un bilan de masse et d'énergie ainsi qu'une analyse économique et environnementale d'un procédé de gazéification intégré à une usine Kraft de référence ont été réalisé. Pour ce faire, un modèle d'un procédé de gazéification comprenant une unité de séchage de la biomasse, une unité de gazéification ainsi que des unités de nettoyage des gaz a été simulé sur MATLAB puis sur Aspen Plus. Ce modèle a par la suite été lié à une simulation d'une usine Kraft de référence développée sur la plateforme CADSIM Plus. Un modèle thermodynamique d'équilibres modifiés pour le gazéificateur de biomasse a été développé afin d'améliorer la précision de la modélisation en équilibre. Le modèle a été évalué en utilisant aussi bien des données commerciales que des données provenant de la littérature. Deux études de cas pour la gazéification de la biomasse intégrée à usine Kraft de référence ont été évaluées. La comparaison des données du modèle d'équilibre avec les données expérimentales disponibles à partir de circuler gazogènes de biomasse à lit fluidisé a indiqué que le modèle d'équilibre nettement sous-estimer le rendement en méthane. Dans le modèle modifié, un modèle de dégazage est utilisé pour modérer l'écart du méthane basé sur la reconnaissance du fait que le méthane qui est initialement généré dans le processus de dégazage de la biomasse, ne pas réformer par des réactions de gazéification. Un modèle de dévolatilisation générale semi-empirique est appliqué pour prédire la composition des gaz volatils. Deux coefficients empiriques sont calculés à partir des données empiriques disponibles pour des expériences de dégazage de la biomasse. Les atomes correspondants de carbone et d'hydrogène à partir du méthane rendement prédite par le modèle de dévolatilisation sont éliminés du courant d'entrée gazéificateur. Le modèle modifié donne une meilleure estimation de la composition du gaz de synthèse à partir d'un air soufflé gazéifier de biomasse à lit fluidisé circulant en comparaison avec les données d'équilibre et deux données d'équilibre modifiés sont tirés de la littérature. Dans le IV premier cas, le produit issu de la gazéification de la biomasse est utilisé pour substituer le carburant fossile utilisé dans le four à chaux. Dans le second cas, la gazéification de la biomasse a été intégrée à un cycle combiné (cogénération). La faisabilité technique de ces deux scénarios a été démontrée. Une analyse économique pour les deux scénarios tenant compte du coût total en capital, des coûts d'exploitation et des recettes et considérant également la réduction des taxes sur les émissions de CO2 a été réalisée.

Abstract

The integration of forest biorefinery into the pulp and paper industry introduces increased energy demands to the mills. As the pulp and paper industry is the largest woody biomass consumer in Canada, biomass resources such as bark, wood wastes, and black liquor that are used by pulp mills can be processed to supply energy demands of the mills and biorefinery units. Also, pulp and paper biomass resources can generate renewable biofuels, electricity, and chemicals. Gasification process is the most efficient method for utilizing the energy potential of biomass. The principle of this study is to perform mass and energy, economic, and environmental analyses for an integrated gasification process into a reference Canadian Kraft mill. To achieve this, a model of a complete gasification process including biomass drying, gasifier and gas cleaning units was simulated in MATLAB and Aspen Plus and then linked to a reference Kraft process that has been developed on the CADSIM Plus platform. A modified thermodynamic equilibrium model is developed to improve the prediction of syngas composition and heating values. Thermodynamic calculations are implemented based on non-stichiometric formulation to develop an equilibrium gasifier model. Comparison of equilibrium model data with available experimental data from circulating biomass fluidized bed gasifiers indicated that the equilibrium model significantly under-estimate the methane yield. In the modified model, a devolatilization model is employed to moderate the methane deviation based on acknowledgement the fact that methane which is initially generated in the biomass devolatilization process, does not reform through gasification reactions. A general semi-empirical devolatilization model is applied to predict the composition of volatile gases including methane composition. Two empirical coefficients are calculated from empirical data for available biomass devolatilization experiments. The corresponding atoms of carbon and hydrogen from predicted methane yield by devolatilization model are removed from the gasifier input stream. The modified model gives better estimation of the syngas composition from an air-blown circulating biomass fluidized bed gasifier in comparison with equilibrium data and two modified equilibrium data are taken from the literature. Two case studies for integrated biomass gasification with the reference Kraft are evaluated: using wood gasified to fire lime kiln, and integrated biomass gasification combined cycle. In the first scenario, the feasibility of replacing natural gas with syngas from wood residues gasification to fire the Kraft mill lime kiln is assessed. For the second scenario, the feasibility of replacement of the existing bark boiler with the integrated biomass gasification VI combined cycle is analyzed. Technical practicability of both scenarios based on the mass and energy balances derived from gasification process model is investigated. To evaluate the economic viability for both scenarios, total capital costs, operating costs, and revenues which achieved through lime kiln fossil fuel reduction, and also CO2 emissions taxes are considered. The net present worth, NPV for 20 years payback period and 10% interest rate are estimated for the two case studies. It has been shown that gasified biomass is an attractive alternative lime kiln fuel for mills with access of woody biomass and concerns in reduction of fossil greenhouse gas emissions. Moreover, if the necessity of new bark boiler installation considered, the replacement of the existing bark boiler with integrated gasification combined cycle is technically viable. The results also show that the replacement of bark boiler has the potential to contribute to reduce global CO2 emissions. Economic analysis proves the replacement of bark boiler with gasification power unit is economically feasible.