Gasification and co-gasification of coal, biomass and plasitics in a dual fluidized bed system

Abstract

Die Vergasung von festen Brennstoffen zur Energiebereitstellung als auch zur Synthese von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen erfährt seit Jahren steigendes Interesse einerseits mit dem Hintergrund der Nutzung erneuerbarer Energieträger wie Biomasse und andererseits, um unabhängiger von Öl zu werden. Konventionelle, autotherme Vergasungstechnologien benötigen ein oxidierendes Vergasungsmittel, wie Luft oder Sauerstoff (O2), um einen Teil des Brennstoffes und des entstehenden Produktgases zu oxidieren und die Vergasungsenergie bereitzustellen. Der Nachteil durch die Verwendung von Luft besteht allerdings darin, dass durch die große Mengen an Stickstoff in der Luft das Produktgas stark verdünnt wird und der Stickstoff für anschließende Syntheseprozesse hinderlich ist. Die Verwendung von Sauerstoff ist hingegen teuer (Sauerstoffproduktion) und deshalb oft ökonomisch unattraktiv. Wird hingegen reiner Dampf verwendet ist das Produktgas auch frei von Stickstoff und Dampf als Vergasungsmittel ist außerdem äußerst kostengünstig. Der Nachteil hierbei besteht darin, dass der Vergasungsprozess dadurch allotherm wird, was bedeutet dass die Energie für den Vergasungsprozess extern bereitgestellt werden muss. Diese Aufgabe wird durch die Zweibettwirbelschicht-Vergasungstechnologie, entwickelt an der Technischen Universität Wien, gelöst. Diese Vergasungstechnologie war ursprünglich vorgesehen, um holzartige Biomasse zu vergasen. Es hat sich aber herausgestellt, dass diese Technologie eine große Brennstoffflexibilität aufweist, was sich in der industriellen Anwendung als großer Wettbewerbsvorteil zeigen wird. Um die Forschung in Richtung der Erweiterung der Brennstoffpalette über den Standardbrennstoff zu erweitern, befasst sich diese Arbeit mit den Auswirkungen von verschiedensten fossilen und erneuerbaren festen Brennstoffen, sowie Kunststoff als Rohstoff, auf die Leistung des Zweibettwirbelschicht-Vergasungssystems und die Produktgasqualität. Ein Kernaspekt hier ist der Einfluss der organischen als auch anorganischen Brennstoffzusammensetzung auf die Gasqualität und wie die positiven Eigenschaften von Brennstoffen in Brennstoffmischungen zur Steigerung der Qualität genutzt werden können, da besonders die Teerwerte in einem großen Bereich variieren können: Wurden bei der Vergasung von reinem Polyethylen (PE) 20,5 g/Nm³tr an Teer im Produktgas gefunden, was der höchste Wert war, wurden bei der Vergasung von Koks kein Teer (GC/MS detektierbarer Teer) gefunden. Als besonderes Highlight in der Brennstoffpalette stellte sich die verwendete Braunkohle heraus, die sowohl eine hohe Gasproduktion erzielte als auch niedrige Teerwerte erreichte. Hier ist auch der katalytische Effekt der anorganischen Bestandteile (Asche) gut zu beobachten.<br />Die Verbesserung des Prozesses wurde zusätzlich durch die Brennstoffeigenschaften auch durch die Anpassung von Prozessparametern vorangetrieben. So werden in dieser Arbeit auch Kenngrößen wie Vergasungstemperatur, Partikelgröße des verwendeten Bettmaterials und der Dampfmenge für den Prozess, als auch der Ort der Brennstoffeinbringung, untersucht.<br />Da im Zuge dieser Arbeit eine große Anzahl an Vergasungsversuchen an einer 100 kW Zweibettwirbelschicht Versuchsanlage durchgeführt wurden und so eine Vielzahl von Messwerten lukriert wurden, können mit diesen Werten Abhängigkeiten des Teergehaltes von Gaskomponenten abgeleitet werden. Die Idee dahinter ist, dass die gängigen Messmethoden zur Teerermittlung im Gas nicht online durchgeführt werden können und somit eine Anpassung der Betriebsparameter im laufenden Betrieb einer Anlage für den Betreiber sehr schwierig ist. Für die Hauptgaskomponenten ist das jedoch Stand der Technik. In dieser Arbeit wird deshalb abschließend auch beleuchtet, welche Hauptgaskomponenten sich am besten zur indirekten Abschätzung des Teerwertes eignen.<br />

Gasification of solid fuels attracts increasing interest within the power industry as well as for synthesis processes for liquid and gaseous fuel production. Conventional gasification systems that can be operated autothermally require an oxidizing gasification agent like O2 or air. The drawback of using air as a gasification agent is that a lot of nitrogen is present in the product gas which consequently lowers the heating value. By using O2 as a gasification agent, the heating value of the product gas is high, but the production of pure O2 makes the system ecologically questionable. By using cheap pure steam as a gasification agent, the heating value of the product gas is high while costs can be kept low. In this case the gasification process becomes allothermal which means that the heat for the process has to be provided externally.<br />This issue is solved with the dual fluidized bed system by using a solid heat carrier that transports the desired heat for gasification from a separate combustion reactor to the gasification reactor. The dual fluidized bed gasification technology has been developed at the Vienna University of Technology and has already been demonstrated at industrial scale. Originally designed for wood chips, the system can also handle a large number of alternative fuels. The advantage of fuel flexibility has turned out to be a key issue for the commercial breakthrough of this technology. Therefore, tests have been accomplished with various solid fuels beyond the standard fuel (wood), such as different chars, coals and plastics. A focus of the investigations in this work is the influence of the different fuels used pure and by blends for co-gasification on the product gas quality and conversion performance in the gasification reactor regarding organic and inorganic fuel components as well as physical properties of the fuels. As it is shown in this work, the performance of the system and especially the tar content can be influenced by the chosen feedstock and by co-gasification of two different fuels in a wide range: While for gasification of pure polyethylene a GC/MS tar content of about 20.5 g/Nm³db was detected, the GC/MS tar content for char gasification vanished completely. The comparably good conversion performance of the used lignite is explained in detail regarding the catalytic activity of the fuel ash.<br />To consider also the potential for process optimization by changing operating parameters, the investigations of this work also include the possibilities of changing values like gasification temperature, fuel feeding position, bed material particle size and the amount of steam used for gasification.<br />As a large number of different gasification tests are summarized in this thesis, the gained data is used to find a correlation between the tar content in the product gas and one of the main gas components. The idea behind this is that most of the tar determination methods are discontinuously, so an online estimation of the actual tar content can make it easier for plant operators to immediately change operating conditions towards higher gas qualities and lower tar contents.<br />