Co-gasification of coal and wood with steam in a dual fluidized bed gasifier

Abstract

Der weltweit steigende Energiebedarf und dadurch steigende Emissionen machen es notwendig für die Zukunft effizientere Technologien zu entwickeln die, die vorhandenen fossilen Rohstoffe optimal nutzen und auch kombinierbar sind mit erneuerbaren Energieträgern. Durch den Austausch von Kohle mit Biomasse können schädliche CO2 Emissionen aus fossilen Brennstoffen reduziert werden. Die in dieser Arbeit vorgestellte Technologie versucht die Vorteile des erneuerbaren Rohstoffes Biomasse mit dem bekannten fossilen Energieträger Kohle optimal zu kombinieren.<br />Hierfür wird in einem Zweibettwirbelschichtvergaser Co-Vergasung von Holz und Kohle durchgeführt. Die Technologie dieses Vergasertyps beruht darauf, die Vergasung des Brennstoffes getrennt von den exothermen Verbrennungsreaktionen ablaufen zu lassen. Dadurch entsteht ein wasserstoffreiches, stickstoffarmes Produktgas mit einem hohen Heizwert.<br />Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, welchen Einfluss die Änderung des Mischungsverhältnisses von Holz und Kohle auf die Produktgaszusammensetzung, den Kaltgaswirkungsgrad und auch die Verunreinigungen wie Teer hat. Desweiteren wurde der Einfluss der Vergasungstemperatur untersucht. Erste Versuche ergaben, dass es problemlos möglich ist Biomasse und Kohle in Mischungen zu vergasen. Die Vergasung von Biomasse führte zu einer wesentlich höhere Kohlenstoffkonversion als die Vergasung von Kohle. Die Untersuchungen zeigten einen eindeutigen Trend hin zu mehr Wasserstoff im Produktgas mit steigendem Anteil an Kohle als auch mit höheren Temperaturen. Der Anteil an Teeren konnte mit erhöhten Temperaturen ebenfalls reduziert werden. Eine Erhöhung des Kohleanteils im Brennstoff sorgte jedoch für steigende Teerkonzentrationen.<br />Mit den erhaltenen Ergebnissen aus der 100kW Anlage wurde eine Testkampagne in der 8 WMth Biomassevergasungsanlage Güssing (Österreich) vorbereitet. Diese Testkampagne konnte erfolgreich mit Mischungsverhältnissen bis zu 22 Energie % Kohle durchgeführt werde.<br />Durch die Testkampagne ergab sich, dass Co-Vergasung von Biomasse und Kohle, in der bestehenden Anlage, ohne Adaptierungen bis zu einem Prozentsatz von 18 Energie % möglich ist. Darüber hinaus konnte durch den Co-Vergasungsbetrieb der Vergasungs-Prozess, in der Anlage Güssing stabilisiert werden. Aus technischer Sicht ist die Co-Vergasung von Kohle und Biomasse eine vielversprechende Technologie. Mischungen von Null bis 100 % Kohle konnten in der Technikumsanlage vergast werden. Im bereits bestehenden Biomasse-Kraftwerk ist die Vergasung von Kohle bis zu einem Anteil von 18 Energie% ohne Probleme möglich.<br />

Increasing energy demand and thereby increasing emissions, led to a demand of a more economic energy supply. Especially the reduction of green house gas emissions such as CO2 is a big topic in public discussion. If coal is substituted with biomass CO2 emissions derived from fossil fuels are reduced. So the technology described within this work should represent a way of combining the still necessary use of coal with the renewable energy source biomass. In a 100 kW dual fluidized gasifier blends of coal and wood were gasified. The principle of this gasifier is the separation of the gasification and combustion zone. A steam blown bubbling fluidized bed is connected with an air blown circulating fluidized bed, whereby a nearly nitrogen free hydrogen rich producer gas is produced. It was studied which effect different blend ratios have on producer gas composition, cold gas efficiency, carbon conversion and impurities such as tar. Moreover it was investigated which influence temperature has on the co-gasification process of coal and biomass. First experiments, in the originally for wood designed pant, showed that gasification of coal and biomass is no problem. It was found that carbon conversion is much higher with biomass than with coal at temperatures of 870° C.<br />Furthermore, the hydrogen concentration in the producer gas is increasing with rising temperatures as well as with increasing coal ratios. Concentrations of tars are increasing with increasing coal ratio but decreasing with rising temperature.<br />The results gained from these test runs were used to find optimal operation conditions for a test run in the 8 MWth combined heat and power biomass gasification plant in Güssing (Austria). The results from this experimental campaign are very promising. Coal ratios up to 22 energy% were tested. It was found that gasification of coal up to a blend of 18 energy% coal is possible without any adapting the plant.<br />Additionally, the plant performance was stabilized by the implementation of coal as additional fuel.<br />From a technical point of view co-gasification of coal and wood is a very promising technology. It is possible to gasify blends in a range from zero to 100 energy% coal in the test facility and up to 18 energy% in an existing demonstration plant designed for biomass gasification.