I denna studie utreds hur bränngas kan produceras via indirekt förgasning av biomassa i sambandmed en befintlig panna i syfte att ersätta el och olja vid olika förbrukare på ett massa- ochpappersbruk.Ett av de största problemen västvärlden måste lösa detta århundrade är energiförsörjningen. Medallt hårdare krav på utsläpp av koldioxid och andra föroreningar blir förnybara bränslen allt merintressanta. Biomassa och framförallt trä kommer att vara en av Sveriges viktigaste resurser iframtiden. För att undvika långa transporter av fast biomassa bör resursen förädlas innan denanvänds för energiomvandling. Förgasning och framför allt indirekt förgasning är en erkändtermokemiskt effektiv omvandlingsmetod där slutprodukten till exempel kan bli bränngas, syntetisknaturgas, biodrivmedel som dimetyleter (Biodiesel), etanol och mycket annat. Fördelarna medindirekt förgasning är många bl.a. låg investeringskostnad om panninfrastruktur redan finns,produktgas med högt värmevärde och låg drifttemperatur. Nackdelen med indirekt förgasning är atten betydande andel tjära produceras vilket ställer höga krav på nedströms reningsteknik.Inom massa- och pappersindustrin går utvecklingen mot att integrera processer som elproduktionoch bränsleproduktion. Detta görs för att minska beroendet av externa producenter av både el ochbränslen, samt för att minska kostnader och öppna nya marknader. En potentiell ersättning av el ocholja med biomassa skulle kunna vara både ekonomiskt och miljömässigt fördelaktigt.I detta examensarbete har två koncept tagits fram dels för en förgasningsreaktor och dels förerforderlig nedströms gasrening. Anläggningen är dimensionerad för att kunna integreras i Skoghallskartongbruk. Där används stora volymer olja till förbränning i mesaugnen (ca 100 GWh per år) och elanvänds i IR-torkar (ca 13 GWh per år). Ersättning av olja och el med biomassa skulle kunna varabåde ekonomiskt och miljömässigt fördelaktigt.Syftet med studien är ta fram ett förslag som ska minska Stora Enso, Skoghalls kartongbruks olje- ochelberoende. Målet är att designa ett förgasningsreaktorkoncept och reningskoncept baserat på:litteratur, mass- och energibalanser samt fluiddynamiska modeller. Detta görs för att utreda hur oljatill mesaugnen respektive el till IR-torkar kan ersättas. Designen skall även innefatta förslag pågasrening och distributionssystem. Målet är även att presentera en översiktlig ekonomisk kalkyl förkoncepten.Ett förgasningskoncept har utretts där en CFB-reaktor bedömts vara lämpligast att kombinera medbefintlig pann-infrastuktur. Modellerad energibalans visar att ca 23 kg bäddmaterial behövs per kgbränsle. Reaktorn är utformad som ett murat rör med höjden 5 m och bredden 1,1 m i diameter.Gasreningskonceptet består av två flöden till olika användare IR-tork och mesaugn. Gasflödet till IRtorkenrenas i en eller flera skrubbers och flödet till mesaugnen renas i en termisk krackningsreaktor.Gasverkningsgraden samt total verkningsgrad för gasflöde till IR-tork är 68 % respektive 85 % och förmesaugnen 58 % respektive 83 %. Uppskattad återbetalningstid för IR-tork- och mesaugnsystemet ärca 1,9 respektive 7,3 år.

Biogas is a renewable form of energy that can be produced by a various type of organic materials. In order to reduce the proportion of fossil fuel emissions bioenergy is seen as a future energy source that can be used for different purposes. This report studies biogas from gasification and the purpose has been to investigate the potential for increased biogas production from agriculture and forestry by doing a sociotechnical system study. The study is focusing on a restricted area outside of Uppsala, Sweden, and has been carried out in two parts. The first part consists of calculation of the biomass potential in the area. The second part investigates the social factors of the bioenergy system and interviews are used to study relevant actors in the area. Social barriers are crucial to the realization of technical potentials, and are therefore important to identify. The result shows that there are some areas that need further development to fulfil the bioenergy potential in the area. All farmers and foresters say that the market is the most important factor for the bioenergy future. The result shows that the reliance for politicians and energy companies need to be increased in all parts of the system. There is also a need for long-term political guidelines at a global and local level. The information and knowledge exchanges about bioenergy need to increase between all actors involved in the system. This implies for example farmers, foresters, researchers, politicians and energy companies. Among these, new networks and collaboration need to be developed. There is also a need to develop more commercially viable technologies throughout the system to promote the development of a future bioenergy system. The result however, shows a large interest in bioenergy from farmers and foresters and a willingness to invest in future bioenergy projects which creates an advantageous starting point for the bioenergy system development.

Avfall och fossila bränslen står för två svåra miljöproblem i världen idag. I takt med att populationen ökar i världen ökar konsumtion och därmed avfallsmängden men också användningen av fossila bränslen. När avfallsmängden ökar växer också behovet för sofistikerade avfallsbehandlingsmetoder och när fossila bränslen fortsätter att dominera energimarknaden så krävs alternativa bränslen. Detta arbete har utförts i syfte att utforska en metod där båda dessa problem hanteras på ett nytänkande sätt. En förgasningsprocess där avfall förgasas och vätgas kan extraheras ur den syntetiska gasen är en ny väg att utforska en avfallshantering där produkten dessutom kan användas som substitut till fossila bränslen. Förgasning är en kemisk återvinningsmetod där ett kolbaserat substrat oxideras i en miljö med begränsad eller ingen tillgång till syre. Den kemiska processen är inte helt olik förbränning och faktum är att även förbränningsreaktioner sker under förgasningsprocessen. Den begränsade syremiljön gör dock att de blir begränsade. Det är istället andra oxideringsreaktioner som oxiderar bränslet. Processen kan vara både endo- och exotermisk beroende på oxideringsmedel. Används ånga som oxideringsmedel måste värme tillföras systemet. Detta arbete har utformats efter en studie utförd av He et al. (2009a) som i laboratorieskala producerat en syntetisk gas med högt vätgasinnehåll och hög kvalitet i form av låg tjärhalt. Förgasningsmetoden har därför efterliknat denna studie. En skillnad är förgasningsreaktorn som i denna studie har anpassats så att värmetransport är möjlig från en värmepanna där förbränning av biobränsle sker. Detta är anledningen till att en förgasningskammare av typen dubbelbäddsförgasare har valts. Värmepannan som används är Hovhults värmepanna i Uddevalla som ägs av Uddevalla Energi och data för 2014 års drift har erhållits. Modellen som har byggts upp med hjälp av Excel har fokuserat på främst energiflöden utav ett system där förgasningsreaktor, värmepanna, ångcykel, vätgasseparation och gasturbin ingår. I systemet har energiflöden integrerats så gott det går för att bevara energi inom systemet men även för att säkerställa att fjärrvärmebehovet möts. Vidare har även en juridisk del ingått med syftet att kunna klassificera anläggningen och avgöra i vilket skede avfallet upphör att vara avfall och när en produkt har skapats i förgasningsprocessen. Resultatet visar att fjärrvärmebehovet blir bemött samtidigt som el- och vätgasproduktion sker med en total verkningsgrad för systemet som beräknats till 82,5 %. Under främst sommarmånaderna produceras också en mängd överskottsvärme för vilken användningsområden måste hittas. Vidare har den juridiska analysen av det tidigare fallet C-317/07 Lahti Energia gett tolkningen att förgasningskammaren klassas som en samförbränningsanläggning som producerar en produkt, vätgas. Produkten antas bildas i ögonblicket då avfallet förgasas och övergår till gasform. / Waste and fossil fuels count as two great threats for the environment in today’s society. As the world population continues to increase so does consumption and levels of waste plus the usage of fossil fuels. When the waste levels keep increasing the demand for waste treatment methods becomes higher than ever. Combine this with the increasing usage of fossil fuel which feeds the demand for alternative fuels. This master thesis has been carried out to evaluate a method in which both of these global issues are addressed. Hydrogen production through gasification of municipal solid waste is a new method of waste treatment where the product has the potential to replace fossil fuels. Gasification is a chemical recycling method in which a carbon-based material gets oxidized in an oxygen free or limited environment. The chemical process is not far from traditional oxidation, combustion. The fact is that also traditional combustion reactions have a certain role within a gasification process although full combustion is avoided due to the lack of oxygen. The gasification of waste is commenced with an oxidant such as pure oxygen or steam. Depending on the oxidant the process can be either endothermic or exothermic. If steam is used as an oxidant the process is endothermic and heat has to be introduced to the system. The gasification study issued by He et al. (2009a) is widely used as a reference in this thesis because of their result producing a syngas with high hydrogen level and low tar content. As far as possible the gasification method of this thesis has been imitative to the one of He et al. (2009a) with the only difference being an adjustment so that heat transfer is possible from Hovhult heat plant. This is the reason why a double fluidized bed has been chosen as gasification reactor. The heat plant is located at Hovhult in Uddevalla and data has been delivered by Uddevalla Energi from their production during 2014. The main focus of the thesis is to calculate the energy flows of the system, which includes the gasification reactor, the heat plant, hydrogen separation, steam and gas turbine. These calculations have been carried out in a model that has been built in Excel. The energy flows and the processes within the system have been integrated in a way so that energy conservation within the system is maximized. In addition, the heat demand from the district heat network has been met in all cases. Furthermore, Swedish and European legislation has been investigated in order to classify the combined gasification and heat plant and determine where in the process the waste is considered to be a product instead of waste. The result shows that enough heat is produced to meet the district heat requirements and also that hydrogen and electricity can be produced during the process. The energy efficiency of the system has been calculated to 82.5 %. A problem that needs to be handled is the amount of excess heat produced during the summer months. The analysis of the legislation regarding waste and especially the Lahti Energia Case C-317/07 shows that the gasification unit should be classified as a co-incineration plant that produces hydrogen. The waste is assumed to transform into a product the instant it is gasified.

I ett kraftvärmeverk produceras både el och värme vilket är ett energieffektivt sätt att utnyttja energin i ett bränsle. Energikrävande verksamheter skulle med installation av ett eget biokraftvärmeverk kunna göra sig mindre beroende av elmarknaden samtidigt som el och värme produceras på ett förnyelsebart sätt. I denna rapport presenteras en ekonomisk fallstudie för Emåmejeriets investering i småskalig krafvärme baserat på förgasning. Emåmejeriet är ett smålänskt mejeri placerat i Hultsfred. I arbetet har ett beräkningsdokument skapats som ska kunna användas för aktörer som är intresserade av en investering av småskalig kraftvärme. I beräkningsdokumentet presenteras en känslighetsanalys där investeringkostnad, drift- och underhållskostnad, elpris, elertifikatpris och bränslepris (flis) är parametrar som studeras. I beräkningsdokumentet presenteras också ett tekniskt och ekonomiskt utfall. För Emåmejeriet skulle 12 % av elbehovet respektive 80 % av värmebehovet täckas av kraftvärmeverket. Det tekniska utfallet visade att Emåmejeriets investering var lönsam. Dock skulle investeringen inte vara lönsam utan investeringsstödet på 25 % som man fått. Investeringskostnaden var parametern som påverkade känslighetsanalysen mest.

I Sverige finns det stor potential för att utnyttja förgasning av biomassa för el- och värmeproduktion. Forskning och utveckling går framåt både nationellt och internationell men det finns en del kvar för att få förgasningstekniken kommersiell. Vid förgasning av biomassa är fukthalten ett stort problem, det försämrar förgasningsprocessen och minskar på processens värmevärde. Det kan lösas genom att använda sig av en bränsletork. I detta arbete presenteras en energi- och massbalans över en torkprocess som är installerad på en förgasningsanläggning i mikroskala på Emåmejeriet i Hultsfred. Analysen kommer att bidra till en större förståelse för hur torkningen fungerar och hur det påverkar fukthalten på utgående bränsle. En bra torkprocess bidrar till en förbättrad förgasningsprocess i framtiden. Resultatet visar att torken torkar bränslet och ger en låg fukthalt som gör att förgasaren fungerar bra. Luften till utloppet av torken har en temperatur på 20 grader och har en relativ fuktighet på 76 % vilket innebär att luften inte blir mättad i torken. Det visar att det finns mer utrymme för att göra en förbättring. Enligt mätningar som har gjorts på fukthalten visar att torken lyckas att torka bränsle med en fukthalt på 30-40% till en fukthalt på 5-10%. Den till torkprocessens tillförada värme är spillvärme från förgasaren med en effekt på 23.6 kW och torkeeffekte, alltså den effekt som krävs för att förånga vattnet i bränslet ger 14.5 kW.

Sverige strävar efter ett mer hållbart samhälle och har som mål att nå netto nollutsläpp av växthusgaser till atmosfären år 2045. Företag som agerar i Sverige måste därmed göra stora omställningar för att målet ska kunna nås. I detta arbete har möjligheten att ersätta SSAB Borlänges fossila bränslebehov i varmvalsningsprocessen med gas från termisk förgasning undersökts. Genom litteraturstudier, behovsanalys, beräkningar och modellering i Excel har fyra fallstudier med olika förgasningskoncept utvärderats. En stor utmaning har varit att finna lösningar för hantering av de stora värmelasterna i varmvalsningsugnarna. I fallstudierna har olika strategier tillämpats för att hantera dessa; gasmotorer, balansering med gasklocka eller uppgradering till SNG som lagras i kryogena behållare. Ett fall med inköp av biobränslebaserad flytande naturgas (bio-SNG) från externa producenter har också utvärderats. Den tekniska genomförbarheten samt den ekonomiska insatsen och vinningen har utvärderats för att hitta det bästa alternativet. Fallet med gasklockan (Fall 1b) visade på bäst ekonomisk prestanda med en internränta på 1,6%, en återbetalningstid på 21 år och tillverkningskostnad på 518 kr/MWh. Detta är sämre än nuvarande lösning som kostar 470 kr/MWh. De känsligaste faktorerna för kostnaden är biomassans och fossila bränslets priser. Även investeringskostnaden har stor inverkan. En stor fördel med nya lösningen är minskningen av SSAB:s användning av fossila bränslen med cirka 850 GWh som ersätts av förnybar gas. / Sweden strives for a more and more sustainable society and aims to reach the net zero emissions of greenhouse gases to the atmosphere by 2045. Companies that operate in Sweden must therefore make major changes to achieve that goal. In this project, the possibility of replacing SSAB Borl¨anges fossil fuel needs in the hot-rolling process with gas from thermal gasification has been investigated. Through literature studies, needs analysis, calculations and modeling in Excel, four case studies with different gasification concepts have been evaluated. One major challenge has been to find solutions for handling the large heat loads in the hot-rolling furnaces. In the case studies, different strategies have been applied to address these; gas engines, balancing with a gasholder or upgrading to SNG that are stored in cryogenic containers. A case of purchasing biofuel-based liquid natural gas (bio-SNG) from external producers has also been evaluated. The technical feasibility as well as the financial stake and profit have been evaluated to find the best option. The case with the gasholder (Case 1b) showed the best economic performance with an IRR of 1.6%, a payback period of 21 years and manufacturing cost of 518 SEK/MWh. This is worse than the current solution, which costs 470 SEK/MWh. The most sensitive factors are the price of biomass and fossil fuels. The investment cost also has a great impact. A major advantage of the new solution is the reduction of SSAB’s use of fossil fuels with about 850 GWh being replaced by renewable gas.

The increased use of fossil fuels during the last centuries has caused elevated levels of carbon dioxide in the atmosphere. There is significant evidence that this is the cause of global warming. To mitigate the global warming, measures has to be taken to use renewable fuels and make processes more efficient. Catalytic gasification and downstream upgrading of synthesis gas is a promising technology for biofuel production, where previous research in black liquor gasification is currently expanding into a wider fuel feedstock. This work focuses on co-gasification of black liquor and by-products from other biofuel production technologies. The interesting by-products were crude glycerol from biodiesel production and spruce fermentation residue from ethanol production. The main goals were to study if the fuels can mix homogeneously and study the char reactivity. CO2 char gasification for mixtures of black liquor and glycerol or fermentation residue respectively was studied using thermogravimetric analysis (TGA) for four temperatures between 750°C and 900°C. The results show that glycerol can be mixed in all proportions with black liquor and indicate that the char reactivity is unchanged. The sustained char reactivity for blends is attributed to the volatility of glycerol. The fermentation residue does not produce a homogeneous mixture with black liquor and the char is less reactive. More studies should be performed to further elucidate the validity of the results.

The main aim of this work was to investigate the propensity of bed materials to retain ash-forming elements from biomass under conditions relevant to dual fluidized bed gasification (DFBG). The investigation was carried out in a laboratory-scale bubbling fluidized bed reactor in which biomass was gasified with steam and the unconverted char was combusted in the temperature range 800–900 ° C. Three bed materials (sand, olivine and bauxite) and two biomass fuels (forestry residue and wheat straw) were studied. From the results obtained and literature on the ash transformation chemistry during thermal conversion of biomass, it was found that the extent to which ash-forming elements from biomass are retained on bed materials depend among other factors on (1) the abundance of ash-forming elements in the fuel, (2) the ability of the bed material to react and form compounds with ash-forming elements and (3) the atmosphere surrounding the fuel in the reactor. For example, Ca, P and K (which were among the most abundant ash-forming elements in the forestry residues) were also the main ashforming elements retained on sand, olivine and bauxite during thermal conversion of the forestry residues. However, the retention of these elements differed on the three bed materials. With respect to reactor atmosphere, Ca and P were retained on olivine primarily during char combustion while the retention of K on olivine was somewhat similar during gasification and char combustion. In addition to the experimental results, the effect of the retention of ash-forming elements on bed agglomeration tendency and the composition of the product gas is discussed as well as the relevance of the obtained results for the DFBG process.

Abstract Energy recovery – Gasification, combustion or plasma? -          Competitor or complement? The Swedish waste-to-energy system has been developed during many years, and the facilities are well established within the waste management system. Even though the waste volume is significantly reduced by 70 – 80 %, the residues are quite challenging to manage due to high content of pollutants. The air emissions are quite low today, but since waste contains various kinds of contaminants, there is a high need for extensive flue gas cleaning, adding to the residue that must be handled. Today, the main part of residues from flue gas cleaning and fly ash from Swedish waste-to-energy facilities are transported to Langöya, Norway to be used for remedial purposes of an old limestone quarry. However, this option will probably be phased out sometime after the year 2023 – 2025 and other solutions must be considered such as e.g. gasification.   The Plagazi Company has a patented process, including gasification and subsequent production of hydrogen gas, that may be used as a vehicle fuel. Although gasification is a well-known technique, there is still a great distrust in using the method for waste treatment purposes. There is a conception that gasification facilities are high energy consumers, with low operational performance and high investment costs. The present thesis is part of the B.Sc. Programme in Energy Engineering at the University of Umeå. The main thesis objectives are:   Study and explain significant differences and similarities between waste incineration and gasification; Describe pros-and-cons regarding various methods to produce hydrogen gas; Describe different gasification techniques. In addition, the Plagazi-process is described; local plasma gasification with low environmental impact and a second step including production of hydrogen gas. The present study is based on a literature review and interviews with experts in the field. The report excludes biogas production in anaerobic digestion plants.   The present report has proven that there are significant differences between various gasification devices. When making investment decisions regarding gasification as a waste treatment option; fuel quality and utilization of the syngas must be considered. The method developed by Plagazi may be suitable in the Swedish waste management system to treat household waste and/or flue gas residues from the combustion plants, for production of hydrogen gas as a vehicle fuel. A full-scale facility in operation is needed to evaluate the Plagazi process with respect to cost efficiency and performance. The Plagazi concept should not be viewed as a competitor to the profitable waste incineration plants, more preferably as a complement.

Karlstads Energi AB är ett medborgarägt företag som levererar värme och el till Karlstad med omnejd. Sedan uppförandet av det nya kraftvärmeverket Heden 3 har kraftvärmeverket Heden 2 fått förändrade driftförhållanden och körs numera ofta på låga laster under pannans drifttid vilket har resulterat i ökade NOx-utsläpp. Som energiproducent omfattas Karlstads Energi av kväveoxidavgiften och det finns en önskan om att öka marginalen för att nå miljökraven. Då NOx-utsläppen främst beror på för stort O2-överskott i pannan finns det möjlighet att ersätta en del av förbränningsluften med recirkulerade rökgaser för att minska tillgänglig O2. För att fortsätta vara relevanta på energimarknaden har Karlstads Energi ett behov av att utveckla nya tjänster och produkter. Samproduktion av syntesgas kan vara aktuellt som värdeskapande process när samhället rör sig mot en bioekonomi och det finns anledning att utvärdera hur det skulle komma att påverka förbränningsprocessen. Förbränningsprocessen inklusive rådande NOx-reducerande åtgärder i Heden 2 har modellerats i CHEMCAD. Baserat på modellen har rökgasrecirkulation samt effekterna av att samproducera syntesgas implementerats. I fallet med syntesgas ersätts en del av bränslet med förgasningskoks och värme tas ut från den externa bäddcirkulationen för att driva syntesgasreaktorn. Modellen inkluderar reaktionskinetik för NOx-bildning och -reduktion samt intern och extern bäddcirkulation. Rökgasrecirkulation fungerar som NOx-reducerande åtgärd vid drift med låg last. Beroende på bränslesammansättning kan NO-bildning minska med upp till 10% och NO-utsläpp med upp till 67%. Optimal andel recirkulerade rökgaser är 20% när flis förbränns respektive 15% vid samförbränning av förgasningskoks. Temperaturen i pannan sjunker något med ökande flöde av recirkulerade rökgaser och överstiger aldrig 800°C vilket riskerar att skapa en ineffektiv NOx-reduktion med selektiv ickekatalytisk reduktion (SNCR). Samförbränning av förgasningskoks ökar den totala effektutvecklingen med ca 1,5 MW jämfört med då endast flis förbränns och värmeuttaget från cyklonen som driver den nya syntesgasreaktorn har försumbar inverkan på bäddmaterialets temperatur. Slutsatser som dras är att rökgasrecirkulation fungerar som NOx-reducerande åtgärd vid låg last. Samproduktion av syntesgas har en NOx-hämmande effekt och kan ge ett minskat bränslebehov för att möta energibehovet.