TAR ELIMINATION IN BIOMASS GASIFICATION -- DEVELOPMENT OF Fe2O3/SiO2-Al2O3 FLUIDIZABLE CATALYSTS AND THERMODYNAMIC MODELING. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis_Muflih_final_Jan_15_2017.pdf - Accepted Version Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

تم بنجاح وضع اكسيد الحديد على الالمنيوم المدعم بالسيليكون باستخدام كمية قليلة من المحلول. نتائج الاجهزة ك TGA/DTG و XRD اثبتت بان وجود السيليكون حسن من استقرار اكسيد الالمنيوم (γ-Al2O3) عند درجة حرارة مرتفعة. المادة المصنعة (Fe2O3/SiO2-Al2O3) تم تسخينها عند 950 درجة مائوية، وامتازت هذه المادة بمساحة سطح عالية قدرت بـ 49 متر مربع لكل واحد جرام. جهاز الـ NH3-TPD أظهر بان اظافة الحديد يزيد من حموضية المادة المصنعة. صور المجهر الالكتروني (SEM) اكدت الخصائص التكوينية للمواد المحفزة بالنسبة لشكل سطح المادة. التجارب المختبرية باستخدام CREC fluidized Riser Simulator عند عدة درجات حرارة و زمن تفاعل مختلف لهذة المادة المحفزة، أعطى تحول عالي للتولوين. هذة المادة المصنعة لها أسهام قوي في التطبيقات الصناعية علما بانها منخفضة التكلفة وغير ضارة ومستقرة تحت ضروف التشغيل. اداء عملية تحويل الغاز لكتل حيوية مختلفة تم تقييمها عن طريقة تطوير نموذج ديناميكي حراري باستخدام برنامج " Aspen Plus". في هذه الدراسة تم أخذ كتل حيوية مختلفة لاختبارها مثل الطحالب (N.oculta) و أسعف النخل و الأيكة الساحلية وقشر الأرز. تم دراسة تأثير مكونات الكتلة الحيوية على اداء عملية تحويل الغاز عن طريق احداث تغيير في درجة حرارة عملية تحويل الغاز وجهاز التبخير ومعادلة كمية الاوكسجين و نسبة البخار للكاربون. الدراسة وجدت أنه في نفس درجة التبخير وبدون وجود اي عامل للتبخير أن الزيادة في نسبة الهيدروجين لاول اكسيد الكاربون (H2/CO) في الغاز المنتج يتناسب تناسبا طرديا مع نسبة الهيدرويجين الى الاوكسين (H/O ) في الكتلة الحيوية المراد تبخيرها. فعملية تحويل الطحالب الى غاز بوجود الاكسجين أعطت أعلى نسبة للهيدروجين بالنسبة لاول اكسيد الكاربون (H2/CO ). أعلى كفائة للغاز البارد (كفائة الغاز البارد عبارة عن معدل الطاقة في الغاز المنتج بالنسبة للخام الداخل في العملية) حصل عليها خلال عملية تحويل الطحالب الى بخار في وجود الهواء او بخار الماء، بينمها أعلى كفائة للنظام (كفائة النظام عبارة عن الكفائة الكلية للعملية) حصل عليها من قشور الأرز عند نفس الغازات. منهاج جديد تم اتباعة لديناميكا عملية تحويل الغاز الى بخار باستخدام برنامج (Aspen Plus) باخذ اعتبار تكوين القطران. النموذج الحالي اظهر دقة عالية مقارنة بالنماذج المعروفة من حيث مكونات الغاز الناتج. عدة عوامل تم دراستها من خلال احداث تغيير في نسبة الغازات المستخدمة مع الكتل الحيوية في ثلاثة أماكن مختلفة ( مثل منطقة الاحتراق ومنطقة اختزال ضد اتجاة التيار ومنطقة اختزال مع اتجاة التيار). استخدام الغازات في منطقة اختزال ضد اتجاة التيار له تأثير ايجابي على عملية تحويل الكتل الحيوية الى بخار من حيث كثافة الغاز البارد والنظام ونسبة الهيدروجين الى ثاني اكسيد الكاربون.كذلك تم دراسة تأثير نسبة الاكسوجين ونسبة بخار الماء بالنسبة للكاربون (S/C) على آداء عملية تحويل الكتل الحيوية. ان اضافة بخار الماء يحسن من انتاج الهيدروجين. ان أعلى كفائة للغاز البارد تم ملاحظتها عندما استخدم الاكسوجين كغاز مع الكتل الحيوية في منطقة اختزال ضد اتجاة التيار و 0.3 كنسبة اكسيجين مكافئة.

English Abstract

This research deals with the removal of tars from biomass gasification processes. In the regard, both experimental and thermodynamic modeling approach have been considered. In experimental study, iron oxide on SiO2-Al2O3 catalysts are synthesized, characterized and evaluated in a fluidized bed using toluene as a tar model compound. Under the studied reaction conditions, Fe2O3/SiO2-Al2O3 yield high toluene conversions (76%). The composition of the gases produced (H2 (12%), CO (44%), CO2 (18%) and CH4 (1%)) are close to their corresponding equilibrium values. The Fe2O3/SiO2-Al2O3 catalyst also display stable activities over repeated reaction and re-generation cycles. The presence of Si enhances the stability of the γ-Al2O3 support at high temperatures as revealed by TGA, XRD and BET surface area analysis. NH3-TPD showed that the addition of Fe2O3 increase the catalyst acidity, which contributed to the higher tar conversion. Thus, the relatively cheap and unharmful Fe2O3/SiO2-Al2O3 catalyst has great potential for industrial applications in tar elimination from biomass gasification processes. The performance of a gasification process for different biomass is evaluated by developing a thermodynamic model using Aspen Plus. The parametric study is evaluated by varying the gasification temperature, the reformer temperature, the oxygen equivalence ratio, and the steam to carbon ratio. It is found that at same gasification temperature and with no gasifying agent, the increase of H2/CO ratio of producer gas is proportional to the H/O ratio in the feed biomass. The gasification of algae with oxygen exhibits the highest H2/CO ratio (0.94). The highest cold gas efficiency is found during gasification of algae with oxygen (0.93) or steam (1.60), while the highest gas system efficiency is obtained for rice husk using the same gasification agents (1.11 or 0.89 with oxygen or steam, respectively). The thermodynamic model is further developed to take into account of presence of tar in the gasification process. The model shows higher accuracy as compared to the conventional model in term of the composition of producer gas. The parametric study is conducted by varying O2 equivalence ratio, steam to carbon (S/C) ratio, and split ratio of the gasifying agents through different zones (e.g., combustion zone, counter-current reduction zone, or co-current reduction zone). Introducing the gasifying agents through counter-current reduction zone has positive effect on the gasification performances in term of cold gas efficiency (CGE), gasification system efficiency (GSE), and H2 and CO concentrations. Gasification with steam exhibits higher H2 concentration (0.44 at S/C ratio=1) when compared to gasification with oxygen (0.28). In the gasification with oxygen, high CGE (0.79) and GSE (0.94) are observed when ER = 0.3.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Hossain, Mohammad Mozahar
Committee Co-Advisor:	Muraza, Oki
Committee Members:	Ba-Shammakh, Mohammed S. and Razzak, Shakh Abdur and Quddus, Mohammad Rezwanul
Depositing User:	MUFLIH ADNAN (g201409080)
Date Deposited:	05 Feb 2017 05:15
Last Modified:	01 Nov 2019 16:41
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140268