En gammel teknologi, en moderne grænse

Forgasning af biomasse er ikke en fremtidsteknologi: dens rødder strækker sig tilbage til det 19. århundrede, da "bygas" fremstillet ved kulforkulning oplyste gader og boliger overalt i Europa. Under Anden Verdenskrig kørte over en million europæiske køretøjer på forgasningsanlæg monteret på motorhjelmen, en pragmatisk reaktion på manglen på fossile brændstoffer.

Det, der har ændret sig radikalt, er vores evne til at styre processen, måle dens parametre i realtid og integrere den i højeffektive mikrokraftvarme-systemer. Forgasseren i BioGS-1.0 er den direkte arvtager til denne teknologi, reingenieret med digitale værktøjer og moderne materialer for at opnå pålidelighed og ydeevne, der var utænkelig i 1940'ernes versioner.

Hvorfor forgasning

At omdanne biomasse til en brændbar gas, syntesegassen, giver fordele både for energi og miljø.

  • Mere effektiv og renere forbrænding: når man brænder en gas, kan man bedre styre blandingen med luft og nå højere temperaturer, hvilket øger virkningsgraden i Stirlings termodynamiske kredsproces og reducerer emissionerne sammenlignet med direkte forbrænding af fast biomasse.
  • Biokul: det, der er tilbage af biomassen efter produktionen af syntesegas, er et stabilt kul, som binder en del af kulstoffet og kan vende tilbage til jorden som jordforbedringsmiddel. Det gør processen carbon negative og giver et yderligere nyttigt produkt (fordybelse om biokul og FAQ).

Den termokemiske proces: fire zoner, en transformation

Inden i forgasningsreaktoren foregår der fire forskellige termokemiske processer i rækkefølge, hver i en separat zone:

  • Tørrezone (100-200 °C) - den indkommende biomasse mister sin resterende fugtighed ved fordampning. BioGS-1.0 accepterer biomasse med op til 10% fugtighed uden obligatorisk fortørring.
  • Pyrolysezone (200-500 °C) - den tørre biomasse nedbrydes termisk og producerer kul (char), kondenserbare dampe (tjære) og ikke-kondenserbare gasser (CO, CO₂, CH₄, H₂).
  • Oxidationszone (700-1000 °C) - procesluft tilføres i kontrollerede mængder. Delvis forbrænding af char og gasser bringer temperaturen til processets maksimum, hvilket er afgørende for termisk krakning af tjære.
  • Reduktionszone (600-900 °C) - de varmeste gasser reagerer med det resterende char i endotermiske reaktioner: CO₂ + C → 2CO (Boudouard-reaktionen) og H₂O + C → CO + H₂ (water-gas shift-reaktionen). Det er her, at kvalitetssyntesgas dannes.

Slutproduktet er en syntesgas med typisk sammensætning: CO 15-20%, H₂ 10-15%, CH₄ 3-5%, CO₂ 10-15%, N₂ (balance), med en nedre brændværdi på 4,5-5,5 MJ/Nm³.

Reaktorgeometri: opdraft, neddraft, tværdraft

Reaktorens geometriske konfiguration bestemmer i afgørende grad kvaliteten af den producerede syntesgas, særlig tjæreindholdet, som er den vigtigste årsag til driftsproblemer i forgasningssystemer i lille skala.

  • Opdraft (modstrøm): biomassen bevæger sig nedad, mens luften stiger opad. Syntesgassen forlader reaktoren øverst, ved lav temperatur, og medbringer store mængder kondenserbar tjære (50-150 g/Nm³). Høj termisk effektivitet, men "snavset" syntesgas.
  • Tværdraft: luften indføres lateralt, og syntesgassen forlader fra modsatte side. Meget korte reaktionstider, velegnet til tørre og ensartede biomasser (trækul). Lidt tolerant over for variationer i brændstoffet.
  • Neddraft (medstrøm): biomassen bevæger sig nedad, og luften indføres i oxidationszonen; syntesgassen passerer reduktionszonen og de høje temperaturer, inden den forlader nedefra. Tjæren "krakkes" termisk i den varme zone og forlader reaktoren med typiske koncentrationer på 0,5-5 g/Nm³, betydeligt lavere end ved opdraft. Dette er den valgte konfiguration til BioGS-1.0-systemet.

Open core gridless: KiRas kvalitetsspring

Den traditionelle neddraft-forgasser har et svagt punkt: risten (grate) i bunden af reaktoren, som bærer brændstoflejet og fordeler reduktionsluften. Riste sætter sig til, deformerer sig ved termisk udmattelse, kræver hyppig vedligeholdelse og begrænser de acceptable biomassetyper, da de ikke kan håndtere biomasser med højt indhold af smeltelige asker eller fine partikler.

BioGS-1.0 anvender en open core gridless-geometri: reaktoren har ingen rist. Biomassen og char passerer frit gennem oxidationszonen. Det reducerede char udtages fra reaktorens bund via et automatisk udtræksystem.

De driftsmæssige fordele er betydelige:

  • tolerance over for heterogene biomasser;
  • eliminering af den primære årsag til ikke-planlagte driftsstop (tilstopning af risten);
  • reduktion af vedligeholdelsesindgreb;
  • bedre fordeling af biomassestrømmen i reduktionszonen.

Silica og aske: begrænsningen ved urteagtig biomasse

Ved valg af biomasse har asken sammensætning også betydning ved siden af fugtighed, brændværdi og størrelse, især indholdet af silica (SiO₂), kalium (K₂O) og natrium (Na₂O).

Træ giver generelt lidt aske (cirka 0,3% af tørstoffet, op til 4-5% for bark), rig på calcium, som er med til at holde smeltetemperaturen høj. Urteagtig biomasse, såsom halm og miscanthus, giver større mængder aske (typisk 4-7%), med højere koncentrationer af silica og alkalimetaller. Silicium udgør 4-11% af asken fra granflis og 16-30% af asken fra hvede- eller rugstrå; i risskaller kan silica udgøre over 90% af asken.

En aske rig på silica og alkalimetaller kan give to forskellige problemer:

  • Klinker i reaktoren: silica, kalium og natrium kan danne silikater og eutektiske blandinger med lavt smeltepunkt. Nogle faser begynder at smelte allerede mellem 600 og 700 °C og danner glasagtige sammenbagninger, der hindrer gassernes passage. Da BioGS-1.0 arbejder mellem 700 og 1.000 °C, kan disse fænomener opstå inden for driftsområdet.
  • Glasagtige belægninger på de overflader, som gasserne strømmer forbi: ved forgasning bliver en stor del af mineralfraktionen i biokullet og i den resterende aske, men syntesegassen kan medføre fint partikelstof og flygtige forbindelser. Kalium kan fordampe ved høj temperatur og kondensere på de koldere overflader. I nærværelse af vanddamp kan en del af siliciummet desuden transporteres som ortokiselsyre efter reaktionen SiO₂(s) + 2 H₂O(g) ⇌ Si(OH)₄(g); når gasserne afkøles i kontakt med overflader ved lavere temperatur, fremmer den omvendte reaktion, at silicaen aflejres igen. Sammen med alkaliske aerosoler og fint partikelstof dannes hårde, vedhængende lag af kaliumsilikater og amorfe glasagtige faser, som reducerer varmeoverførslen, indsnævrer gassernes passage og øger vedligeholdelsen. KiRas erfaring har vist, at disse belægninger i de mest alvorlige tilfælde kan hindre gasstrømmen så meget, at det bliver umuligt at genstarte anlægget efter afkøling.

I praksis:

  • Risskaller, kornhalm, miscanthus og energigræsser: aske meget rig på silica og alkalimetaller, med stor tendens til klinker og glasagtige belægninger; ikke egnet til kontinuerlig brug i BioGS-1.0.
  • Trøster og vinranker: højt kaliumindhold; skal vurderes fra sag til sag ud fra en askeanalyse.
  • Skaller og kerner: varierende askesammensætning; kan generelt anvendes i blanding, idet man kontrollerer andelen i forhold til træpellets.
  • Træ, beskæringsrester og lignocellulosiske restprodukter: aske fattig på silica og generelt med højere smeltetemperatur; er de foretrukne biomasser til BioGS-1.0.

Som praktisk reference fastsætter ENplus-certificeringen for træpellets følgende grænseværdier:

  • Klasse A1: aske ≤ 0,7%, askens deformationstemperatur ≥ 1.200 °C;
  • Klasse A2: aske ≤ 1,2%, deformationstemperatur ≥ 1.100 °C;
  • Klasse B: aske ≤ 2,0%, deformationstemperatur ≥ 1.100 °C.

Et højere askeindhold gør ikke i sig selv en biomasse uegnet, men øger betydningen af askens kemiske sammensætning og smeltetemperatur: ved urteagtig biomasse afhænger risikoen ofte mere af silica og alkalimetaller end af mængden af aske alene.

BioGS-1.0 kræver ikke nødvendigvis ENplus-certificerede pellets. Til pellets fremstillet af biomasse fra bedriften, som ikke er træ, eller til blandinger med urteagtig biomasse anbefales det dog kraftigt at få foretaget en forudgående askeanalyse før kontinuerlig brug, med særlig opmærksomhed på:

  • SiO₂ (silica);
  • K₂O (kaliumoxid);
  • Na₂O (natriumoxid);
  • askens smeltetemperatur og blødgøringstemperatur.

For en teknisk vurdering af biomassen og dens forenelighed med BioGS-1.0 kan man kontakte KiRa Technology.

Kilder: Obernberger I., Brunner T., Bärnthaler G., Chemical properties of solid biofuels, Biomass and Bioenergy 30 (2006); Opila E.J. et al., SiC recession due to SiO₂ scale volatility under combustion conditions, NASA (1998); Shao Y. et al., Ash deposition in biomass combustion or co-firing for power/heat generation, Energies 5 (2012); Roselló J. et al., Rice straw ash, Industrial Crops and Products 103 (2017); Vui C.K. et al., Silica extraction from rice husk, Archives of Metallurgy and Materials 70 (2025); ENplus ST 1001:2022, kvalitetskrav til pellets.

Relaterede spørgsmål