Modellierung des SER-Prozesses in einem Neuen-Zweibettwirbelschicht-Dampfvergaser-Systems

Abstract

Der Bedarf nach klima- und umweltverträglicher Energie, sowie politische und wirtschaftliche Überlegungen, zeigen, besonders für Europa, die Notwendigkeit einer Abkehr von fossilen Energieträgern. Biomasse ist aufgrund ihrer Verfügbarkeit eine gute Ergänzung zu anderen erneuerbaren Energiequellen wie Wind und Solarenergie. Biomasse-Dampfvergasung ist eine Möglichkeit zur thermo-chemischen Umwandlung von Biomasse in ein mittelkalorisches Produktgas, das sowohl zur Strom- und Wärmeversorgung als auch als Synthesegas für zahlreiche Sekundärenergieträger verwendet werden kann. An der Technischen Universität Wien wurde in den letzten Jahren an einem Zweibettwirbelschicht-Prozess zur Biomasse-Dampfvergasung maßgeblich geforscht und entwickelt. Bei diesem Prozess werden ein mit Dampf fluidisierter Vergasungsreaktor und ein mit Luft fluidisierter Verbrennungsreaktor miteinander verbunden. Ein Teil des zugeführten Brennstoffes wird im Verbrennungsreaktor verbrannt und stellt somit, über das Bettmaterial, die notwendige Energie für die endotherme Dampf-Vergasung zur Verfügung. Ein Spezialfall dieses Prozesses ist Sorption Enhanced Reforming (SER) bei dem Kalkstein als Bettmaterial verwendet wird. Dieses Verfahren erlaubt hohe Wasserstoffkonzentrationen im Produktgas. Die Zweibettwirbelschicht-Dampfvergasung wurde unter anderen in Güssing und Oberwart (Österreich) sowie Senden (Deutschland) bereits großtechnisch realisiert. Zur Verbesserung der Brennstoffflexibilität, Erreichen von hohen Gasqualitäten und von geringeren Teergehalten im Produktgas, wurde ein neues Zweibettwirbelschicht-Dampfvergaser-System vorgeschlagen. In der vorliegenden Arbeit wird das Neues-Zweibettwirbelschicht-Dampfvergasungs-System in ein Prozesssimulationsmodell umgesetzt, um einem tieferen Einblick in die Energie- und Massenbilanzen des Verfahrens zu ermöglichen. Dafür wird ein Überblick über bestehende Modellarten zur Simulation von Biomassevergasung gegeben und eine bestehende Modell-Bibliothek zur Biomasservergasung in dem Prozesssimulationstool Integrated Process Simulation Environment (IPSEpro) erweitert, um das neue Vergaserkonzept abbilden zu können. Anschließend wird eine 100kWth.-SER-Pilotanlage simuliert und eine Analyse von kritischen Verfahrensparametern durchgeführt.

The demand for climate and environment friendly energy source, as well as political and economical concerns, especially in Europe, shows the necessity to move away from fossil energy carriers. Biomass is-due to its availability-a good complement to other renewable energy sources like wind or solar power. Steam gasification is one possibility for thermo-chemical conversion of biomass into a medium caloric producer gas, that can be used in combined heat and power plants as well as syngas for a range of secondary energy carriers. In recent years Vienna University of Technology contributed significantly to the development of a dual fluidised bed steam gasification process. This process includes two fluidised bed reactors, which are interconnected. In one of them, the combustion reactor, biomass is combusted to deliver enough heat to the endothermic steam gasification reactor, through the bed material. In one special case the Sorption Enhanced Reforming (SER), limestone is used as bed material to reach high hydrogen contents in the producer gas. The dual fluidized bed steam gasification process has been already realised at industrial scale in Güssing and Oberwart (Austria) and Senden (Germany). A novel dual fluidized bed gasification system has been proposed to enable an improved fuel flexibility as well as high gas quality and lowered tar content. In the present work a process simulation model for the next generation gasifier is being developed to gain a understanding of energy and mass balances of the new gasifier. Therefore an overview of existing types of models for biomass gasification is given. Subsequently an existing biomass gasification library in the process simulation tool IPSEpro is expanded to model the new gasifier system. Furthermore a 100kWth.-SER pilot plant is simulated and the impact of critical process parameters is analysed.