Prozesssimulation von spezifischen Anwendungsfällen der Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasungs-Technologie für die Papier- und Zellstoffindustrie

Abstract

Der jährlich steigende Energiebedarf bewirkt einen zunehmenden Verbrauch der begrenzt vorhandenen und nicht regenerierbaren fossilen Rohstoffe, weswegen früher oder später ein Umstieg auf alternative Energieträger unausweichlich ist. Die erstellte Vision über die Deckung des zukünftigen Energiebedarfs zeigt, dass für die Endenergieverbrauchssektoren Industrieöfen und Dampferzeugung am besten chemische Energieträger wie Biomasse und Reststoffe geeignet sind.<br />Daraus leitet sich das Ziel dieser Arbeit ab, Anwendungsfälle für die Papier- und Zellstoffindustrie zu untersuchen (Machbarkeitsstudien), bei denen ein aus festen Brennstoffen (Holzhackschnitzel, Reststoffe) mit dem Verfahren der Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasung hergestelltes, sogenanntes Produktgas anstatt fossiler Brennstoffe eingesetzt werden kann.<br />Für die Durchführung der Machbarkeitsstudien ist die Prozesssimulationssoftware IPSEpro mit einer speziell für die Biomassevergasung entwickelten Modellbibliothek verwendet worden. Dazu werden die thermodynamischen Grundlagen und Stoffdaten vorgestellt. Es werden die im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelten Grundsätze für die Modellierung von industriellen Prozessen in IPSEpro und Maßnahmen zur Sicherung qualitativ hochwertiger Berechnungsergebnisse dargelegt.<br />Um für die Machbarkeitsstudien reale Richtwerte zu erhalten, wird die Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasungsanlage von Oberwart in IPSEpro nachgerechnet. Im betrachteten Betriebszeitraum hat die Anlage 8 380 kW Biomasse und 610 kW sonstige Brennstoffe (Rapsmethylester und Erdgas) in 1 940 kW elektrische Energie (netto) und 860 kW Fernwärme umgewandelt.<br />Im Rahmen der Simulationsdurchführung sind einige Anlagenmängel aufgedeckt worden, welche sich negativ auf den Umwandlungswirkungsgrad auswirken.<br />Die erste Machbarkeitsstudie behandelt die Produktgaserzeugung für die Befeuerung eines Kalkofens bei der Zellstoffproduktion. Dabei werden geringe Anforderungen an den Teergehalt des Produktgases gestellt, wodurch der Produktgaswäscher mit der Lösungsmittelaufbereitung entfallen kann. Dies erlaubt neben dem Vorteil geringerer Investitionskosten auch eine höhere Produktgastemperatur von 450 °C nach der Reinigung, wodurch die in den Kalkofen eingebrachte fühlbare Wärmemenge größer ausfällt. Die Berechnung des Auslegungspunktes in IPSEpro ergibt, dass aus 12 430 kW Biomasse und 250 kW elektrischer Energie ein Produktgas mit 10 000 kW chemischer Leistung und 830 kW Wärmeinhalt sowie zusätzlich 400 kW auskoppelbare Wärme erzeugt werden kann. Mithilfe einer stärkeren Biomassetrocknung kann der Verbrauch an Biomasse und die auskoppelbare Wärme reduziert werden. Dadurch steigen allerdings die Trocknungsverluste, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage geringfügig abnimmt. Um unerwünschte Anreicherungen im Zellstoffprozess auszuschließen, werden die im nutzbaren Produktgas enthaltenen Elemente, welche aus der Biomasse stammen, aufgeschlüsselt und in einem Worst-Case-Szenario quantifiziert. Aus wirtschaftlicher Sicht sind für die Umsetzung dieses Konzepts eine staatliche Förderung und/oder eine größere Anlagenleistung erforderlich.<br />In der zweiten Machbarkeitsstudie wird die Produktgaserzeugung aus Papierfaserreststoffen und Rejekten für die Zuspeisung in erdgasbefeuerten Gasturbinen untersucht. Die Simulationsrechnung ergibt für den Auslegungspunkt eine Umwandlung von 10 530 kW Papierfaserreststoffen, 5 130 kW Rejekten, 970 kW elektrischer Energie und 200 kW Lösungsmittel in ein Produktgas mit einer chemischen Leistung von 10 000 kW und einer fühlbaren Wärme von 230 kW. Zusätzlich steht eine auskoppelbare Wärmemenge von 3 290 kW zur Verfügung. Das Auslegungskennfeld zeigt bei gleicher Produktgasleistung eine starke Zunahme der Brennstoffmenge mit steigendem Brennstoffwassergehalt nach Trockner. Um einen stabilen Anlagenbetrieb ohne Stützfeuerung zu erreichen, sollten die Brennstoffe zumindest auf zirka 30 Gew-% Wassergehalt getrocknet werden. In Bezug auf die Rauchgasemissionen werden für alle Schadstoffe außer Quecksilber praktische Untersuchungen angeraten, um möglicherweise zusätzlich erforderliche Rauchgasreinigungsmaßnahmen festzulegen. Die Schwermetallbelastung der Asche ist im Vergleich mit der Bodenrichtlinie nach ÖNORM L 1075 gering, außer bei Kupfer und Nickel werden die Richtwerte überschritten. Die wirtschaftliche Abschätzung weist einen sehr hohen Gewinn auf. Da für die Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasung von Papierfaserreststoffen und Rejekten keine praktischen Erfahrungswerte existieren, wird die Durchführung von Vergasungsversuchen in einer Laboranlage empfohlen.<br />Die durchgeführten Machbarkeitsstudien zeigen neue Einsatzgebiete der Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasung und bieten die Möglichkeit zur Bewertung der vorgeschlagenen Konzepte aus energetischer, technischer und wirtschaftlicher Sicht.<br />

The yearly growing energy demand causes an increasing consumption of restricted available and not regenerative fossil raw materials. Sooner or later a change to renewable energy sources will be necessary. The vision about the supply of future power demand presents chemical energy sources, e.g. biomass and waste materials, as the best energy form for the consumption sectors industrial furnaces and steam production. So the aim of this work follows, to analyse applications for the paper und pulp industry (feasibility studies), in which solid fuels (wood chips, waste materials) are converted by dual fluidized bed steam gasification into a gaseous fuel (product gas). The product gas can be used instead of fossil fuels.<br />The feasibility studies are carried out using the process simulation software IPSEpro with a model library, which has been developed especially for biomass gasification processes. Necessary thermo-dynamic basics and chemical property data are introduced in the present work.<br />Furthermore, some methods for modelling industrial processes in IPSEpro are illustrated, which enable high-quality simulation results.<br />To get a bench mark for the feasibility studies, the dual fluidized bed steam gasification plant Oberwart has been validated with IPSEpro. In the investigation period the plant has converted 10 840 kW of biomass together with 440 kW of other fuels (rape methyl ester and natural gas) into 1 940 kW of net electric energy and 860 kW of district heating.<br />During the simulation work some plant malfunctions have been detected, which have a negative affect on conversion efficiency.<br />The first feasibility study shows the product gas production for firing a lime kiln as a part of cellulose production. Thereby, low requirements exist for the tar content of the product gas. So a product gas scrubber with the solvent treatment is not required, which lowers the investment costs. Furthermore a higher product gas temperature of 450 °C after gas cleaning can be operated. Therefore the heat flow to the lime kiln is higher. The calculation of a defined design point in IPSEpro shows that 12 430 kW of biomass and 250 kW of electricity are converted into product gas with 10 000 kW chemical power and 830 kW sensible heat. In addition, it is possible to export 400 kW of heat. With the help of a more powerful biomass drying system the biomass consumption and the exportable heat can be reduced. Thereby, the drying losses increase and the overall plant efficiency decrease slightly. Elements contained within the used biomass need to be specified to avoid an undesired enrichment of pollutants in the cellulose process. In a worst case scenario the maximum amount of each element has been determined, which is transported by the product gas into the lime kiln. From an economic point of view a public funding and/or a higher plant capacity are required to realize this concept.<br />The second feasibility study analyses the product gas production from paper fibre residues and rejects for partial replacement of natural gas in gas turbines. The simulation of a defined design point shows a conversion of 10 530 kW paper fibre residues, 5 130 kW rejects, 970 kW electric energy and 200 kW solvent into a product gas with a chemical power of 10 000 kW and a sensible heat power content of 230 kW. In addition, 3 290 kW of exportable heat are available. The plant performance diagram shows a strong increase for the amount of fuel with rising fuel water content after dryer. Fuel water content should be reduced at least 30 m-% to ensure a stable plant operation without auxiliary firing. Practical experiments are advised concerning flue gas emissions for all pollutants except mercury, to define a potentially required additional flue gas cleaning. Heavy metal contamination of the ash is expected to be low in comparison with reference values for soils according ÖNORM L 1075, only copper and nickel exceed the values. An economic consideration shows quite a high potential for the realization of the investigated concept. Beforehand gasification experiments in a laboratory plant are recommended, because so far no practical experience for dual fluidized bed steam gasification of paper fibre residues and rejects exists.<br />The feasibility studies carried out in the present thesis discover new promising ways for the integration of the dual fluidized bed steam gasification process in pulp and paper industry. Achieved results offer the possibility to assess the recommended plant concepts in detail from energetic, technical and economical points of view.