En uråldrig teknik, en modern frontlinje

Biomassaförgasning är ingen framtidsteknologi: dess rötter sträcker sig tillbaka till 1800-talet, när det "stadsgas" som erhölls från kolkarbonisering lyste upp gator och bostäder i hela Europa. Under andra världskriget drevs över en miljon europeiska fordon av vedbrikettsförgasare monterade på motorhuven, ett pragmatiskt svar på bristen på fossila bränslen.

Det som har förändrats i grunden är vår förmåga att kontrollera processen, mäta parametrarna i realtid och integrera den i högeffektiva mikrokraftvärme-system. Förgasaren i BioGS-1.0 är den direkta arvtagaren till denna teknik, omkonstruerad med digitala verktyg och moderna material för att uppnå en tillförlitlighet och prestanda som var otänkbara för 1940-talsversionerna.

Varför förgasa

Att omvandla biomassa till en brännbar gas, syntesgas, ger fördelar både för energin och för miljön.

  • Effektivare och renare förbränning: när man eldar en gas kan blandningen med luft regleras bättre och högre temperaturer uppnås, vilket höjer verkningsgraden i den termodynamiska Stirlingcykeln och minskar utsläppen jämfört med direkt förbränning av fast biomassa.
  • Biokol: det som blir kvar av biomassan efter produktionen av syntesgas är ett stabilt kol som binder en del av kolet och kan återföras till marken som jordförbättringsmedel. Det gör processen kolnegativ och ger ytterligare en användbar produkt (fördjupning om biokol och FAQ).

Den termokemiska processen: fyra zoner, en omvandling

Inuti förgasningsreaktorn sker fyra distinkta termokemiska processer i sekvens, var och en i en separat zon:

  • Torkningszon (100-200 °C) - den inkommande biomassan förlorar kvarvarande fukt genom avdunstning. BioGS-1.0 accepterar biomassa upp till 10% fukt utan obligatorisk förtorkning.
  • Pyrolyszon (200-500 °C) - den torra biomassan bryts termiskt ned, producerar kol (char), kondenserbara ångor (tjära) och icke-kondenserbara gaser (CO, CO₂, CH₄, H₂).
  • Oxidationszon (700-1000 °C) - processluft tillförs i kontrollerad mängd. Den partiella förbränningen av char och gaser höjer temperaturerna till processens toppvärde, vilket är avgörande för termisk krackning av tjäran.
  • Reduktionszon (600-900 °C) - de högtempererade gaserna reagerar med kvarvarande char i endoterma reaktioner: CO₂ + C → 2CO (Boudouard-reaktionen) och H₂O + C → CO + H₂ (water-gas shift-reaktionen). Det är här som kvalitetssyntesgas bildas.

Slutprodukten är en syntesgas med typisk sammansättning: CO 15-20%, H₂ 10-15%, CH₄ 3-5%, CO₂ 10-15%, N₂ (balans), med ett lägre värmevärde på 4,5-5,5 MJ/Nm³.

Reaktorgeometri: uppström, nedström, korsström

Reaktorns geometriska konfiguration avgör på ett grundläggande sätt kvaliteten på den producerade syntesgasen, i synnerhet tjärinnehållet, den främsta orsaken till driftsproblem i förgasningssystem av liten skala.

  • Updraft (motström): biomassan sjunker uppifrån medan luften stiger nedifrån. Syntesgasen lämnar ovanifrån vid låg temperatur och tar med sig stora mängder kondenserbara tjäror (50-150 g/Nm³). Hög termisk effektivitet men "smutsig" syntesgas.
  • Crossdraft (korsström): luften tränger in lateralt, syntesgasen lämnar på motsatta sidan. Mycket korta reaktionstider, lämplig för torra och enhetliga biomassatyper (träkol). Föga tolerant mot variationer i bränslet.
  • Downdraft (medström): biomassan sjunker och luften tränger in i oxidationszonen; syntesgasen passerar reduktionszonen och de höga temperaturerna innan den lämnar nedtill. Tjärorna "crackas" termiskt i den heta zonen och lämnar med typiska koncentrationer på 0,5-5 g/Nm³, betydligt lägre än updraft. Det är den föredragna konfigurationen för BioGS-1.0-systemet.

Open core gridless: KiRas kvalitativa språng

Den traditionella downdraft-förgasaren har en svag punkt: det metalliska gallret (grate) i den nedre delen av reaktorn, som stöder bränslebädden och distribuerar reduktionsluften. Gallren sätter igen, deformeras av termisk utmattning, kräver täta underhållsinsatser och begränsar vilka biomassatyper som kan accepteras, de kan inte hantera biomassatyper med högt innehåll av lättsmälta askor eller fina partiklar.

BioGS-1.0 använder en open core gridless-geometri: reaktorn saknar galler. Biomassan och charet passerar oxidationszonen utan hinder. Det reducerade charet extraheras från reaktorns nedre del via ett automatiskt avlastningssystem.

De operativa fördelarna är betydande:

  • tolerans för heterogena biomassatyper;
  • eliminering av den vanligaste orsaken till oplanerat driftstopp (igensättning av galler);
  • minskning av underhållsinsatser;
  • bättre fördelning av biomassaflödet i reduktionszonen.

Kisel och aska: begränsningen hos örtartade biomassor

Vid valet av biomassa spelar, vid sidan av fukthalt, värmevärde och partikelstorlek, även askans sammansättning roll, särskilt halten av kiseldioxid (SiO₂), kaliumoxid (K₂O) och natriumoxid (Na₂O).

Trä ger i regel lite aska (cirka 0,3% av torrsubstansen, upp till 4-5% för bark) som är rik på kalcium, ett ämne som bidrar till att hålla smälttemperaturen hög. Örtartade biomassor, som halm och miscanthus, ger större mängder aska (typiskt 4-7%), med högre koncentrationer av kisel och alkalimetaller. Kisel utgör 4-11% av askan från granflis och 16-30% av askan från vete- eller rughalm; i risskal kan kiseldioxiden överstiga 90% av askan.

En aska rik på kisel och alkalimetaller kan orsaka två olika problem:

  • Klinker i reaktorn: kisel, kalium och natrium kan bilda silikater och eutektiska blandningar med låg smältpunkt. Vissa faser börjar smälta redan mellan 600 och 700 °C och bildar glasartade agglomerat som hindrar gasflödet. Eftersom BioGS-1.0 arbetar mellan 700 och 1000 °C kan dessa fenomen uppträda inom driftintervallet.
  • Glasartade beläggningar på ytor som gaserna passerar: vid förgasning stannar största delen av den mineraliska fraktionen kvar i biokolet och i den kvarvarande askan, men syntesgasen kan föra med sig fina partiklar och flyktiga ämnen. Kalium kan förångas vid hög temperatur och kondensera på kallare ytor. I närvaro av vattenånga kan dessutom en del av kislet transporteras som ortokiselsyra, enligt reaktionen SiO₂(s) + 2 H₂O(g) ⇌ Si(OH)₄(g); när gaserna kyls ned mot ytor med lägre temperatur gynnar den omvända reaktionen att kiseldioxiden avsätts på nytt. Tillsammans med alkaliska aerosoler och fina partiklar bildas hårda, fastsittande skikt av kaliumsilikater och amorfa glasartade faser, som minskar värmeöverföringen, förtränger gasflödet och ökar underhållsbehovet. KiRas erfarenhet har visat att dessa beläggningar i de svåraste fallen kan hindra gasflödet så mycket att det äventyrar en omstart av anläggningen efter avkylning.

I praktiken:

  • Risskal, spannmålshalm, miscanthus och energigräs: askor mycket rika på kisel och alkalimetaller, med stor benägenhet för klinker och glasartade beläggningar; inte lämpliga för kontinuerlig användning i BioGS-1.0.
  • Druvrester och vinrankor: hög kaliumhalt; bedöms från fall till fall med hjälp av en askanalys.
  • Skal och kärnor: varierande asksammansättning; kan i allmänhet användas i blandning, med kontroll av andelen i förhållande till träpellets.
  • Trä, beskärningsrester och lignocellulosarester: askor fattiga på kisel och med i regel högre smälttemperatur; de är de föredragna biomassorna för BioGS-1.0.

Som praktisk referens anger ENplus-certifieringen följande gränsvärden för träpellets:

  • Klass A1: aska ≤ 0,7%, askans deformationstemperatur ≥ 1200 °C;
  • Klass A2: aska ≤ 1,2%, deformationstemperatur ≥ 1100 °C;
  • Klass B: aska ≤ 2,0%, deformationstemperatur ≥ 1100 °C.

En högre askhalt gör inte i sig en biomassa olämplig, men den ökar betydelsen av askans kemiska sammansättning och dess smälttemperatur: för örtartade biomassor beror risken ofta mer på kisel och alkalimetaller än på enbart mängden aska.

BioGS-1.0 kräver inte nödvändigtvis ENplus-certifierad pellets. För pellets framställd av andra biomassor från det egna företaget än trä, eller för blandningar med örtartade biomassor, rekommenderas dock starkt en förhandsanalys av askan före kontinuerlig användning, med särskild uppmärksamhet på:

  • SiO₂ (kiseldioxid);
  • K₂O (kaliumoxid);
  • Na₂O (natriumoxid);
  • askans smält- och mjukningstemperatur.

För en teknisk bedömning av biomassan och dess kompatibilitet med BioGS-1.0 är det möjligt att kontakta KiRa Technology.

Källor: 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 för pellets.

Relaterade frågor