Title: Experimental studies of the reactivity of biomass char from the CHP-plant Güssing, Austria
Language: English
Authors: Guío-Sanabria, Jaime Andrés 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Biomasse; Brennstofftechnik; Verbrennung; Vergasung; Kinetik; Reaktivität
Biomass; fuel technology; Combustion; gasification; kinetics; reactivity
Advisor: Hofbauer, Hermann
Issue Date: 2013
Number of Pages: 156
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Die Nutzung von Biomasse zur Erzeugung von Energie hat gezeigt, dass diese eine viel versprechende Zukunft hat. Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen, ist Biomasse erneuerbar und erhöht die Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre nicht. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass es eine Reihe von verschiedenen Technologien gibt, die sich für ihre Umwandlung eignen. Das Biomassekraftwerk Güssing/Österreich ist eine auf Vergasung basierende Anlage, die Strom, Wohn- und industrielle Wärme für die Stadt mit Holz als Rohstoff produziert. Das Verfahren basiert auf einem Dual zirkulierenden Wirbelschicht System, welches in Österreich entwickelt wurde. Die Vergasungs- und Verbrennungsvorgänge laufen in getrennten Zonen ab, was zu einem nahezu frei von Stickstoff Produktgas mit hohem Heizwert führt. Während des Verfahrens wird unreagierter Flugkoks vom Produktgas aus dem Vergasungsreaktor transportiert. Dieser wird dann von dem Gas abgetrennt und in den Vergasungsreaktor für vollständige Verbrennung zugeführt. Die Modellierung und die weitere Optimierung des Prozesses erfordern unter anderem die Kenntnis der Reaktivität des Flugkoks und die Kinetik der Umwandlung.
In dieser Arbeit wird die Untersuchung der Reaktivitäten der Verbrennung und Vergasung mit H2O und CO2 unter chemischen Kontrollbedingungen nach zwei verschiedenen Methoden durchgeführt: die Umwandlung des Flugkoks in einem Festbett Rohrreaktor und die Umwandlung des Flugkoks innerhalb einer thermogravimetrischen Apparatur. In beiden Fällen wurde die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur an Hand der Arrhenius-Gleichung berücksichtigt. Die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration des reagierenden Gases wurde mittels einer Reaktion Ordnung in Bezug auf dessen Partialdruck berücksichtigt. Es wurden verschiedene Mechanismen für die Zersetzung von Feststoffe getestet, um den Effekt der Variation der verfügbaren internen Oberfläche während des Reaktionsverlaufs zu berücksichtigen.
Experimente realisiert im Rohrreaktor wurden bei isothermen Bedingungen und bei unterschiedlichen Temperaturen zwischen 600 und 1050°C durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Reaktionen unter Prozessen von Masse-und Wärmeübertragung kontrolliert wurden, aus diesem Grund war die Methode nicht geeignet um die Ziele der Arbeit zu erreichen.
Experimente, welche im thermogravimetrischen Analysator durchgeführt wurden, erfolgten unter nicht-isothermen Bedingungen und einer Endtemperatur von 1273 K unter verschiedenen Konzentrationen vom reagierenden Gas. Die Methode erwies sich als für die beabsichtigte Untersuchung geeignet. Man fand das die Reaktivität der Dampfvergasung am höchsten war dieser folgte die Kohlendioxid Vergasung . Bei thermogravimetrischen Bedingungen war die Reaktivität der Verbrennung am niedrigsten, dennoch trat diese etwa bei 300°C unterhalb der Vergasungsreaktionen auf. Bei der Betriebstemperatur der Biomassekraftwerk Güssing ist zu erwarten, dass die Verbrennung chemisch schneller als beide Vergasungen läuft aber dennoch von Masse-und Wärmeübertragung Prozessen kontrolliert wird. In allen Fällen erwies sich der Flugkoks aus dem Biomassekraftwerk Güssing als reaktiver als andere Biomasse Flugkoks in der Literatur berichten. Dies könnte durch sein höheres Porenvolumen und durch seinen höheren Aschegehalt und der katalytischen Wirkung des Mineralstoffs erläutert werden. Die kinetischen Parameter wurden zunächst unter Verwendung der Coats-Redfern Methode erhalten. Um Kompensationseffekte zu vermeiden, wurden auch Versuche bei unterschiedlichen Heizraten durchgeführt und gleichzeitig angepasst. Die Anpassung wurde durch die Minimierung einer Zielfunktion, die die Abweichung zwischen den experimentellen und vorhergesagten Werten repräsentiert realisiert. Die Ergebnisse der Coats-Redfern Methode wurden als Startwerte für die Minimierung verwendet. Einfache Gleichungen der intrinsische Kinetik der untersuchten Reaktionen wurden erfolgreich erhalten und dargestellt.
Diese Gleichungen sind in der Lage, zufriedenstellend die Umwandlung des Flugkoks bei alle getesteten Bedingungen vorherzusagen.

The use of biomass for production of energy has shown to have a promising future. In contrast with fossil fuels, biomass is a renewable source and does not increase the concentration of carbon dioxide in the atmosphere. In addition, there are a number of different technologies that have proven to be suitable for its conversion. The combined heat and power (CHP) plant in Güssing, Austria is a gasification based plant that produces electricity and residential and industrial heating for the city using wood as feedstock. The process is based in a dual circulating fluidized bed system developed in Austria in which the gasification and combustion processes occur in separated zones leading to a nearly free of nitrogen product gas with high heating value. During the process unreacted char is elutriated by the product gas from the gasification reactor, it is then separated from the gas and fed into the combustion reactor for its total combustion. Modeling and further optimization of the process require, among a large number of different aspects, knowledge of the char reactivity and the kinetics of its conversion.
In this work the study of the reactivities of combustion and gasification with H2O and CO2 of the char under chemical control conditions was performed by two different methods: char conversion inside a fixed bed tubular reactor and char conversion inside a thermogravimetric analyzer. In both cases the dependence of the reaction rate on the temperature was introduced by means of the Arrhenius equation and the effect of the reactant gas concentration was introduced by means of a reaction order with respect to its partial pressure.
Different solid decomposition mechanisms were tested in order to take into account the effect of the variation of available internal surface during the reaction progress.
Experiments realized in the tubular reactor were performed at iso-thermal conditions at different temperatures between 600 and 1050°C.
The results showed that the reactions occurred under conditions of mass and heat transfer control and for this reason the method was not suitable to achieve the objectives of the work.
Experiments performed in the thermogravimetric analyzer were realized at non-isothermal conditions and a final temperature of 1273 K under different concentrations of reactant gas. The method proved to be proper for the intended investigation. Steam gasification reactivity was found to be the highest followed by carbon dioxide gasification. At thermogravimetric conditions, combustion reactivity was the lowest; nevertheless, it occurred at about 300°C below the gasification reactions. At the operating temperatures of the CHP-plant it is expected to be chemically faster than both gasifications but also to be controlled by mass and heat transfer processes. In all cases the char from the Güssing plant showed to be more reactive than other biomass chars reported in literature which might be explained by its higher pore volume, product of its partial gasification at the plant, and by its higher ash content and the catalytic effect of the mineral matter.
The kinetic parameters were obtained initially using the Coats-Redfern method. In order to avoid compensation effects, experiments were then also performed at different heating rates and fitted simultaneously minimizing an objective function which represents the deviation between experimental and predicted values. The results of the Coats-Redfern method were used as starting values for the minimization. Simple expressions of the intrinsic kinetics of the studied reactions were successfully obtained and presented. These expressions are able to predict satisfactorily the conversion of the char over all conditions tested.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-53915
http://hdl.handle.net/20.500.12708/13226
Library ID: AC10774414
Organisation: E166 - Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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