Title: Biomass steam gasification - decentralized conversion of biomass into SNG
Language: English
Authors: Gröbl, Thomas 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Biomasse; Vergasung; Substitute Natural Gas; Heatpipe Reformer; Modellierung; Simulation
Biomass; Gasification; Substitute Natural Gas; Heatpipe Reformer; Modeling; Simulation
Advisor: Heimo, Walter 
Assisting Advisor: Friedl, Anton 
Issue Date: 2012
Number of Pages: 182
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Die energetische Nutzung von Biomasse als erneuerbarer und nachhaltiger Energieträger stellt eine vielversprechende Option dar, den Anteil erneuerbarer Energie zu erhöhen und gleichzeitig die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern zu mindern. Biomasse wird als CO2 neutral betrachtet und ist unabhängig von kurzzeitigen Angebotsschwankungen.
Darüber hinaus handelt es sich dabei um einen in ausreichender Quantität verfügbaren, einheimischen Energieträger, was zu einer besseren Versorgungssicherheit beiträgt. Daher wird der energetischen Nutzbarmachung von Biomasse generell großes Potential zugemessen. Als besonders attraktiv wird dabei die Verwertung durch thermochemische Vergasung angesehen, da diese sowohl hinsichtlich der eingesetzten Biomasse als auch der generierten Produkte eine breite Flexibilität bietet. Es ermöglicht die Herstellung einer Reihe von sogenannten Biokraftstoffen, wie z.B. Substitute Natural Gas (SNG), neben konventioneller Kraft-Wärme-Kopplung. SNG ist ein CO2 neutrales Erdgassubstitut, welches Erdgas in sämtlichen Anwendungen ersetzen kann.
Es kann effizient, sauber und einfach im bereits gut erschlossenen Erdgasnetzwerk verteilt werden und die Technologien für die Endnutzung sind bereits gut entwickelt. Aufgrund des lokalen Anfalls und der geringen Energiedichte von Biomasse sind lange Transportwege nicht rentabel, sowie ökonomisch fragwürdig, wodurch vor allem Klein- und mittlere Anlagengrößen als sinnvoll angesehen werden. Daher sind eine möglichst einfache Prozessführung, thermische Integration und Abwärmenutzung ausschlaggebend für einen wirtschaftlichen Betrieb derartiger Anlagen.
In der vorliegenden Arbeit wird die Produktion von SNG basierend auf einer Kombination von allothermer, druckaufgeladener Vergasung und Heißgasreinigung untersucht. Nach einer kurzen Motivation in Kapitel 1 bietet Kapitel 2 allgemeine Information über die energetische Nutzbarmachung von Biomasse, eine Klassifizierung von Biokraftstoffen, sowie einen Überblick über vorhandene Konversionstechnologien. Eine Literaturstudie zur thermochemischen Vergasung und der Stand der Technik von allothermen Vergasertechnologien werden präsentiert. Weiters wird ein Überblick über SNG Konzepte gegeben, sowie der Stand der Technik beschrieben.
Kapitel 3 behandelt den theoretischen Hintergrund der thermochemischen SNG Erzeugung. In diesem Zusammenhang wird die Produktionskette schematisch aufgezeigt, die einzelnen Prozessschritte ausführlich diskutiert und die Grundlagen für die mathematische Modellierung bereitgestellt. Der Fokus wird dabei auf thermodynamische Gleichgewichtsbetrachtungen des Vergasungs- und Methanierungsprozesses gelegt.
Kapitel 4 umfasst die mathematische Modellierung. Eine Klassifizierung mathematischer Modelle sowie ein Überblick über deren Anwendung werden aufgezeigt. Anforderungen an die Modellierung hinsichtlich Genauigkeit und Komplexität der Modelle werden definiert. Des Weiteren wird das Softwarepaket beschrieben, welches zur Erstellung der Unit-Modelle sowie zur Modellierung und Simulation des Prozesses verwendet wird. Die Beziehungen zur Berechnung thermodynamischer Kenngrößen und die Formulierung chemischer Reaktionen werden angegeben. Schließlich werden Modellstruktur und Bestimmungsgleichungen der einzelnen Unit-Modelle erläutert.
In Kapitel 5 werden die Ergebnisse der Prozesssimulation dargestellt und ausführlich diskutiert. Der erste Teil beinhaltet eine umfangreiche Analyse des thermochemischen Konversionsprozesses im Biomasse Heatpipe Reformer (HPR), sowie eine Sensitivitätsanalyse verschiedener Betriebsparameter. Im zweiten Teil werden die Ergebnisse einer detaillierten Prozessstudie bezüglich einer SNG Pilotanlage, basierend auf einer Kombination von druckaufgeladener Vergasung, Heißgasreinigung und nachgeschalteter Methansynthese, präsentiert. Im dritten Teil wird die Implementierung des HPR in eine kommerzielle Kraft-Wärme-Kopplung aufgezeigt. Dies beinhaltet Prozesssimulation, thermische Integration und Validierung der Simulationsergebnisse.
Kapitel 6 beschreibt das integrierte Design des Biomasse Heatpipe Reformers. Dabei wird auf die konstruktive Gestaltung und die Integration der Luftvorwärmung in die Brennkammer des HPR eingegangen.
Die integrierte Luftvorwärmung wird anhand von Prozesssimulationen detailliert betrachtet und wärmetechnisch ausgelegt. Um aussagekräftige, illustrative Ergebnisse über die Strömungs- und Temperaturverhältnisse innerhalb der Brennkammer zu erhalten, wird eine dreidimensionale, fluiddynamische Analyse durchgeführt und präsentiert.

The use of biomass as a renewable and sustainable energy carrier is one promising option to increase the share of renewable energies and lower the dependency on primary fossil fuels. Biomass is considered as CO2 neutral and independent from short-term availability fluctuations.
Moreover, it constitutes an indigenous energy source available in abundant quantities, leading to a more secure energy supply. A large potential is therefore contributed to the energetic utilization of biomass, whereby thermochemical gasification seems to be especially interesting. It provides broad feedstock flexibility and offers the possibility to produce a wide range of biofuels, like Substitute Natural Gas (SNG), besides conventional combined heat and power production. SNG can directly replace fossil natural gas in all applications and has the advantage to be carbon neutral. It can be transported efficiently, clean and easy within the well-developed natural gas infrastructure and end-use technologies are already well-established. Since biomass accrues locally and due to its low energy density long transport routes are not profitable, as well as questionable concerning the background of carbon neutrality, decentralized small and middle scale arrangements are considered primarily. Therefore, significant process simplifications, thermal integration and heat exploitation are essential to be economically competitive.
In the present work, production of SNG based on a combination of allothermal, pressurized gasification and hot gas cleaning is analyzed.
After a brief motivation in Chapter 1, Chapter 2 provides general background information on biomass as a feedstock for energetic utilization, a classification of biofuels as well as an overview on conversion technologies. A literature review on thermochemical gasification is given and state of the art allothermal gasification technologies are presented. Moreover, an overview on prior art of the SNG production process is given.
Chapter 3 covers the theoretical background with regard to thermochemical production of SNG from biomass. In this context, the production chain is schematically illustrated, the individual process steps are thoroughly discussed and the basics required for mathematical modeling are provided. A focus is thereby laid on thermodynamic equilibrium considerations of the gasification and the methanation process.
Chapter 4 deals with the mathematical modeling. A classification of mathematical models as well as an overview on their application is given. The objectives concerning modeling within the present work and an appropriate level with regard to accuracy and complexity of the models are specified. Furthermore, the software package used for preparation of the unit models and flow sheet modeling is briefly described.
Correlations for calculation of thermodynamic properties are provided and formulation of chemical reactions is described. Finally, model structure as well as governing equations of the single unit models are presented. Within Chapter 5 results from the process simulation are presented and thoroughly discussed. The first part comprises extensive analysis of the thermochemical conversion process within the Biomass Heatpipe Reformer (HPR), including a sensitivity study of various operation parameters. In the second part, results from a comprehensive process design study for a SNG production pilot plant, using a combination of pressurized gasification with the HPR, hot gas cleaning and methanation are presented. The third part deals with the integration of the HPR in a commercial CHP application. Process modeling, thermal integration and validation of simulation results are covered.
Chapter 6 covers the integrated design of the Biomass Heatpipe Reformer.
Within this context, the constructive design is presented and integration of the heat exchanger for preheating of combustion air into the combustion chamber of the HPR is described. The integrated air preheating is considered in more detail, which covers process simulation and thermal engineering. In order to obtain a valuable insight into fluid flow and temperature conditions inside the HPR combustion chamber, a three-dimensional fluid dynamic analysis is performed and presented.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-52662
http://hdl.handle.net/20.500.12708/13749
Library ID: AC07814934
Organisation: E302 - Institut für Energietechnik und Thermodynamik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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