1. No category

Projektbeskrivning
Online-mätning med FTIR anpassad till förgasning
Brackmann C.
Lund Universitet
Davidsson K.
SP, Sveriges Tekniska Forskningsinstitut
1
Sammanfattning
Syftet med projektet är att konstruera och implementera en högtemperaturcell tillsammans med
ett befintligt instrument för Fourier transforms infraröd spektroskopi (FTIR) för att möjliggöra
online-mätning av varm gas producerad i en förgasninganläggning. Målet är att åstadkomma
tillförlitlig FTIR-analys för processen och undvika problem med kondensering av tjäror och
andra gaskomponenter som sker vid den avkylning som oftast är nödvändig för konventionell
FTIR-analys. Kondensation innebär en förändring av gasens sammansättning från den
ursprungliga och kan dessutom orsaka problem i instrumentet. En extern uppvärmd cell, där
temperatur kan bibehållas och kondensation, ytbeläggningar och reaktioner kan minimeras
möjliggör en snabb och mer tillförlitig analys av gasens sammansättning. Detta ger möjlighet att
identifera viktiga driftparametrar för att optimera gasens kvalitet.
2 Inledning
Vid förgasning är syftet att effektivt överföra kemiskt bunden energi i den fasta råvaran till
energirika gaser såsom metan och väte. För att kunna optimera förgasningsprocessen är det
nödvändigt att mäta produktgasens sammansättning på ett tillförlitligt sätt. I synnerhet metoder
för online-mätning, där resultatet erhålls ganska omgående efter det att mätningen utförts, kan ge
värdefulla insikter om processen.
Vid normal förbränning kan man, dock inte utan problem, mäta sammansättning hos rökgaser.
Vid förgasning är svårigheterna betydligt större, främst bereoende på den stora mängden tjära i
produktgasen. Tjäran består av ett stort antal organiska föreningar som befinner sig i gasfas vid
förgasningstemperaturer. När temperaturen sjunker ner mot 400 °C börjar några av tjärans
komponenter att kondensera och vid lägre temperaturer blir kondensationen allt kraftigare. Om
man vid förgasning skulle använda någon av de mättekniker som används vid analys av
förbränning, så skulle man alltså med stor sannolikhet få problem. Exempelvis suger man ofta ut
gas i slangar som hålls vid 200 °C. Kring denna temperatur kan man vänta sig kondensation av
tjära, vilket kan orsaka igensättningar och att tjäran i sig blir en omätbar parameter. Ett sätt att
kringgå det mättekniska problemet med tjära är att kontrollerat kyla den samplade gasen och
kondensera ut tjäran så att endast de stabila gaserna återstår. Fullständig extraktion av tjäran kan
som regel dock inte säkerställas och problem med gradvis kontaminering av instrumentet
kvarstår. Dock är mätning av såväl tjära som H2O önskvärt då båda är indikatorer för gasens
kvalitet, speciellt vore tillförlitliga online-mätningar av dessa komponenter under processen av
hög relevans.
Vid förgasning bildas även komponenter som kan orsaka problem i förgasningsanläggningens
uppgraderingssteg. Oönskade gaser i processen är väteklorid, vätesulfid, ammoniak, kväveoxider
m.fl. De kan orsaka korrosion samt skada katalysatorer, vilket minskar verkningsgraden i
processen. Vidare kan kväveföreningar i gasen bidra till emissioner av NOx vid förbränning i ett
senare skede. Vid kondensering för att avlägsna tjära riskerar man att även kondensera ut
gaskomponenter av detta slag.
Sammantaget innebär detta att man vid vid konventionella mätningar riskerar att få otillräcklig
eller t.o.m. felaktig information om gasens sammansättning och kvalitet som bränsle. Dessa
problem visar att man för att kunna följa förgasningsprocessen måste ta fram nya eller anpassa
befintliga metoder som kringgår eller eliminerar kondensationsproblem utan att göra relevanta
parametrar omätbara.
2
FTIR är en väl utvecklad och etablerad optisk metod för analys av gassammansättning baserad på
absorption av strålning i det infraröda våglängdsområdet, λ=2.5-10 µm. Analys av gas utförs
oftast genom sampling till en cell kopplad till FTIR mätinstrumetet, vilket medför de
begränsningar och osäkerheter som nämnts ovan. Metoden kan ge god detektionskänslighet och
har trots begränsningar med gassampling och kondensation tillämpats för grundläggande studier
av pyrolys och förgasning i försök på laboratorieskala med mycket små provmängder, ofta
kombinerat med termogravimetrisk analys. Exempel på sådana FTIR-studier inkluderar
mätningar av biomassa-komponenter1 (cellulosa, hemicellulosa och lignin), detektion av
formaldehyd/CO/CO22 och av kväveföreningar HCN/NH3/HCNO.3,4 Metoden är också väl
etablerad för analys av förbränningsprocesser och har även implementerats i instrument för
mätningar in situ i industriell miljö.5 Då FTIR är en etablerad teknik i förbränningssammanhang
vore det önskvärt med en vidare anpassning och utveckling av tekniken för användning inom
förgasning.
Emellertid kräver FTIR-diagnostik av varm reaktiv gas en omsorgsfullt designad mätcell för att
undvika problem med kondensation av gaskomponeneter samt reaktioner på ytor. Särskilda celler
har utvecklats för nogrann FTIR-diagnostik vid högre temperaturer.6,7 En homogen temperatur
fördelning i cellen har eftersträvats för att undvika kondensation och kontakt mellan mätgas och
fönster har eliminerats genom arrangemang av gasflöden.7 En liknande cell ansluten till en
förgasningsenhet skulle kunna möjliggöra online-mätning med FTIR på produktgasen.
3 Mål
Projektets övergipande syfte är att ta fram en metod för online-mätning av H2O, tjära och andra
gaser i produktgas från förgasning. Målet är att implementera FTIR-analys genom en uppvärmd
och för ändamålet konstruerad mätcell. Apparaturen skall framöver fortgående kunna användas
för vidare analyser av förgasning. Projektet delas upp i följande delmål.
Cellkonstruktion: Cellens konstruktion görs så att gaskomponenter inte kan kondensera på
cellens inneryta eller fönster. Härvid hålls temperaturen på minst 350 °C och flöden av mätgas
och buffertgas arrangeras så mätgasen ej når monterade fönster. Cellens dimensioner bestäms
bl.a. av kravet på uppvärmning och av nödvändig längd för att uppnå önskad
detektionskänslighet.
Karakterisering och kalibrering: Cellen provkörs med väldefinierade gasblandningar för att
bestämma detektionskänsligheten för den modifierade FTIR-uppställningen. Förutom
kalibreringsmätningar utförs prov för att identifiera och åtgärda eventuella bakgrundssignaler,
Q. A. Liu, Z. P. Zhong, S. R. Wang, and Z. Y. Luo, "Interactions of biomass components during pyrolysis: A TGFTIR study," J Anal Appl Pyrol 90, 213-218 (2011).
2 S. Li, J. Lyons-Hart, J. Banyasz, and K. Shafer, "Real-time evolved gas analysis by FTIR method: an experimental
study of cellulose pyrolysis," Fuel 80, 1809-1817 (2001).
3 Q. Q. Ren, and C. S. Zhao, "NO and N O Precursors from Biomass Pyrolysis: Nitrogen Transformation from
x
2
Amino Acid," Environ Sci Technol 46, 4236-4240 (2012).
4 Q. Q. Ren, and C. S. Zhao, "NO and N O Precursors from Biomass Pyrolysis: Role of Cellulose, Hemicellulose
x
2
and Lignin," Environ Sci Technol 47, 8955-8961 (2013).
5 J. Bak, and S. Clausen, "FTIR emission spectroscopy methods and procedures for real time quantitative gas analysis
in industrial environments," Meas Sci Technol 13, 150-156 (2002).
6 S. Clausen, and J. Bak, "A hot gas facility for high-temperature spectrometry," Meas Sci Technol 13, 1223-1229
(2002).
7 H. Grosch, A. Fateev, K. L. Nielsen, and S. Clausen, "Hot gas flow cell for optical measurements on reactive
gases," J Quant Spectrosc Ra 130, 392-399 (2013).
1
3
interferenser, filtrering av partiklar etc. Utprovningarna av apparaturen inkluderar även några
förgasningsprov.
Förgasningsstudie: En första studie med mätningar på pyrolys/förgasningsgas skulle kunna
utgöras av jämförelse mellan två bränslen samt förgasning med två olika nivåer på syrgas och
vattenånga.
4 Metod
Mätuppställningen baseras på ett befintligt FTIR-instrument (BOMEM multi-component FT-IR
Gas Analyzer) med avtagbar mätcell. Då denna kopplas bort kan IR-strålen ledas till en extern
uppvärmd cell, se principskiss i Figur 1, till vilken produktgas från förgasningsprocessen leds.
Cellen och extern optik för att leda IR-strålen från instrumentets IR-källa, genom cellen, fram till
dess detektor, monteras på en gemensam plattform (Figur 1). Cellen värms upp med
värmeelement/värmeband till omkring 350 °C för att undvika kondensation. Ett arrangemang
med motriktade flöden av mätgas och inert buffertgas förhindrar att mätgas når cellens fönster
och orsakar beläggningar.
Figur 1. Uppvärmd mätcell för FTIR-analys vid förgasning. Mätgas från processen leds in i
cellen, IR-strålning från befintligt instrument leds genom cellen och åter till instrumentets
detektor. Uppvärmningen förhindrar kondensation av tjäror och flöden av buffertgas förhindrar
kontakt mellan mätgas och cellens fönster.
FTIR-instrumentet är kalibrerat för detektion av SO2, HCl, NO, NO2, CO, NH3, HF, H2O, CO2
samt totalmängden kolväten. Mätning på gas innehållande tjäror kommer att innebära betydande
FTIR-signaler från dessa kolväteföreningar.1 Kontrollerad spädning av gasen uppströms från
cellen kan vara nödvändig för att erhålla gastäthet som ger signaler anpassade för instrumentets
detektionsdynamik. Starka spektrala signaturer från kolväten som dominerar FTIR-signalen kan
medföra begränsningar för detektion av en del av de ämnen instrumentet ursprunligen kalibrerats
för. Dock borde tjärinnehåll (kolväten), vatten, CO och CO2 kunna mätas då dessa ämnens
absorptionsvåglängder är ganska väl separerade. Under vissa betingelser kan det också finnas
möjlighet att detektera några av de övriga föreningarna. Att bestämma vilka komponenter som
kan detekteras under olika förhållanden utgör en del av cellens utprovning.
Konstruktion och bygge av cell samt inköp av optik följs av uppbyggnad av den kombinerade
apparaturen vid SP:s förbränningslab. Efter uppbyggnad följer karakterisering och provkörningar
av experimentuppställningen med avseende på detektionskänsligheter, identifiering av
bakgrundssignaler, interferenser mellan signaler från olika ämnen, behov av partikelfiltrering etc.
Utprovningsfasen avslutas med ett antal mätningar på förgasningsgas. I en tredje fas genomförs
en mindre studie med förgasning under olika förhållanden.
4
5 Tidsplan och resurser
Projektets tidplan framgår av Tabell 1.
Tabell 1: Tidpunkt för olika moment och ansvarig för dessa.
Tidpunkt
2014-05—2014-10
Ansvarig
SP LU
2015-03--2015-05
Moment
Konstruktion och
bygge av cell,
inköp optik.
Uppbyggnad och
karakterisering av
uppställning med
FTIR-instrument
och cell.
Kalibrering, initala
förgasningstester.
Förgasningsprover
2015-05—2015-09
Rapportskrivning
SP LU
2014-11--2015-02
Kommentar
SP LU
SP
T.ex. jämförande studie med
2 bränslen samt 2 olika
nivåer på O2/H2O vid
förgasning.
Resurserna består av följande personal och för dem tillgänglig utrustning/infrastruktur.

Christian Brackmann disputerade 2004 vid Avdelningen för Förbränningsfysik, Lunds
Universitet under handledning av professor Per-Erik Bengtsson och professor Marcus
Aldén. Avhandlingsarbetet behandlade utveckling och tillämpning av laserbaserade
metoder för förbränningsdiagnostik. Därefter arbetade han under fem år med forskning
på laserbaserad mikroskopi vid Chalmers Tekniska Högskola. Sedan 2011 är han åter
anställd vid Avdelningen för Förbränningsfysik som forskare och verksam inom
laserbaserad diagnostik av förbränning och andra processer i gasfas. Avdelningen har en
internationell erkänd forskningsverksamhet med långvarig erfarenhet och kompetens
inom förbränningsdiagnostik med optiska (laserbaserade) tekniker.

Kent Davidsson, docent i energiomvandling, disputerade år 2002 vid Göteborgs
Universitet på pyrolys av biomassa och mätning av alkalimetaller i rökgas. Därefter var
han anställd som forskare vid Energiteknik på Chalmers Tekniska Högskola och
genomförde främst forskning på askrelaterade problem, såsom beläggningar och
bäddagglomerering, vid förbränning i cirkulerande fluidiserad bädd. Han är sedan 2008
anställd på SP som forskare och projektledare inom förbränning och förgasning. Han är
handledare för två doktorander inom Svenskt Förgasningscentrum i samarbete med
Chalmers Tekniska Högskola respektive Göteborgs Universitet.

Mohit Pushp är sedan 2012 doktorand vid Göteborgs Universitet och anställd på SP
(handledare: Kent Davidsson, SP och Jan Pettersson, GU). Hans doktorandprojekt syftar
till att ta fram metoder för mätning av gaser, partiklar och oorganiska ämnen i
förgasningsgas. Han är verksam inom Svenskt Förgasningscentrum och har utvecklat
partikelmätning med impaktorteknik för förgasning. Pushp har mångårig erfarenhet från
driftsättning m.m. av förgasningsanläggningar i fält genom sitt arbete på TERI (The
Energy and Resources Institute) i New Delhi, Indien.
5
6 Projektets nytta för GE
Projektet är av intresse för GE eftersom det syftar till att möjliggöra online-mätning av
produktgas från en förgasare för att kartlägga förgasningsprocessen och ge insikter om
parametrar viktiga för optimal gaskvalitet. Eftersom projektet baseras på vidareutveckling av en
etablerad optisk teknik kan vägen fram till ett koncept som är användbart vid GoBiGasanläggningen bli relativt kort. Det skulle i så fall ge utökade möjligheter till processkontroll av
några av de besvärligaste parametrarna.
6