Über den Einsatz von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen auf Basis der Wirbelschicht-Dampfvergasung fester Biomasse am Beispiel des Biomassekraftwerks Oberwart

Abstract

Den Energiebedarf auf verantwortungsbewusste, umweltschonende und nachhaltige Art zu decken, muss bedeuten, die Verwendung von Kohle und erdölbasierenden Rohstoffen aufgrund ihrer deutlich begrenzten Vorkommen und ihrer unbestreitbar negativen Auswirkungen auf den Klimawandel zu limitieren sowie den Einsatz von Nuklearenergie aufgrund der damit verbundenen Kosten und "Lagerungs- bzw. Sicherheitsrisiken" einzuschränken und somit Platz für eine starke Ausbreitung von erneuerbarer Energie zu schaffen. Europaweit hat die Energiebereitstellung durch Bioenergie in Ländern wie Schweden, Finnland und Österreich, in denen die Verbreitung von Bioenergie durch gezielte nationale wirtschaftspolitische Maßnahmen unterstützt und gefördert worden ist, einen ansehnlichen Wert erreicht. Die europäische Bioenergie müsste jedoch verstärkt als integraler Bestandteil der Energie-, Agrar- und Industriepolitik verstanden werden, erst dann könnten ihre Potenziale genau erfasst und vollständig ausgenutzt werden. Die - an der Technischen Universität Wien entwickelte - Wirbelschicht-Dampfvergasung fester Biomasse könnte das Rückgrat der Bioenergie in Österreich bzw.<br />Europa durch regionale, autonome Strom- und Wärmeerzeugung in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen kleineren und mittleren Maßstabes stärken.<br />Das Biomassekraftwerk Oberwart ist bereits die zweite Anlage, neben dem Biomassekraftwerk Güssing, die auf der Technologie der Zwei-Bett-Wirbelschichtvergasung fester Biomasse aufgebaut ist. Im Rahmen dieser Arbeit werden, bezogen auf das Biomassekraftwerk Oberwart, die konzeptionellen Unterschiede bzw. Änderungen zum Biomassekraftwerk Güssing aufgezeigt, experimentelle Untersuchungen sowie Auslegungsrechnungen auf Basis der Prozesssimulation in IPSEpro hierzu präsentiert, sowie die der Anlagensimulation zugrunde liegende Modellierung erweitert bzw. an die Verhältnisse und Bedingungen beim Biomassekraftwerk Oberwart entsprechend angepasst. Die am Biomassekraftwerk Oberwart durchgeführten Analysen und Messungen werden präsentiert und diskutiert, die wichtigsten Schlussfolgerungen für einen erfolgreichen kontinuierlichen Betrieb des Kraftwerks aus den Erkenntnissen der durchgeführten Analysen abgeleitet. Die Inbetriebsetzungsperiode des Biomassekraftwerks ist der Übersicht halber in verständlicher und leicht nachvollziehbarer Tabellendarstellung zusammengefasst. Anschließend wird der gesamte Anlagenbetrieb mithilfe der Simulation abgebildet, der Referenzbetrieb des Kraftwerks analysiert und mit dem Auslegungs-Nennlastfall der Anlage verglichen. Es stellt sich heraus, dass die am Biomassekraftwerk Oberwart durchgeführten Änderungen konzeptioneller, konstruktiver und regelungstechnischer Art zu einem relativ problemlosen Betrieb sowie zu einer hochautomatisierten Prozesssteuerung geführt haben. Den erhofften Durchbruch jedoch, was die industriell erforderliche anlagenspezifische Einfachheit in der Prozess- bzw. Betriebsführung und die Ausfallssicherheit sowie die damit verbundene hohe Verfügbarkeit der Anlage anbelangt, haben sie bislang nicht gebracht. Das erzielbare Produktgas entspricht, von der Zusammensetzung her, demjenigen aus Güssing. Der Kaltgaswirkunsgrad der Vergasungseinheit (Gasausbeute aus Brennstoff) ist mit knapp 73 % erwartungsgemäß hoch. Die integrierte Brennstofftrocknung hat dabei zu einer wesentlichen Steigerung (etwa 6.4 %) der Brennstoffwärmeleistung geführt, während das - gegenüber dem Biomassekraftwerk Güssing - vergrößerte Reaktionsvolumen des Vergasungsreaktors seinen Teil zu einer hohen Gasausbeute aus dem Brennstoff beigetragen hat. Beide Maßnahmen zusammen sind maßgeblich dafür, dass der Wirkungsgrad der Gaserzeugung (Kaltgaswirkungsgrad) beim Biomassekraftwerk Oberwart gegenüber demjenigen des Biomassekraftwerks Güssing (ca. 65 %) um etwa 8 % angehoben werden konnte. Die Beladung des Produktgases mit Staub, Flugkoks und Teer entspricht ebenfalls den Erwartungswerten und bereitet - wie angenommen - den beiden Gasmotoren keine Schwierigkeiten bei der Umsetzung der im Produktgas chemisch gebundenen Energie in elektrische Energie. Die erhofften Verbesserungen im Rauchgasweg, nämlich eine deutliche Verringerung der Verschmutzungsneigung der Rauchgaskühler, konnten durch die Ausführung des ersten Rauchgaskühlers als Strahlungszugapparat erzielt werden. Der Feststoffkreislauf bzw. der Feststoffchemismus müssen jedoch noch weiter untersucht und näher beleuchtet werden. In diesem Sinne wäre auch eine Evaluierung der Eignung bestimmter alternativer, katalytisch hochwirksamer Bettmaterialien (auf Basis von Kalziumsilikatverbindungen) für den DFB-Prozess dringend durchzuführen. Die derzeit noch nicht vollständig ausgenutzte Wärmeenergie aus dem KWK-Prozess birgt noch Optimierungspotential am Biomassekraftwerk Oberwart.

In order to achieve an environmentally friendly and sustainable energy supply, the following tasks can contribute significantly: to limit the use of coal and crude oil-based energy-carriers because of their limited resources and incontrovertibly negative influence on global climate change due to CO2 emissions, to restrict the use of nuclear power due to intrinsic costs and specific risks concerning disposal and/or storage of nuclear waste and inherent security risks in order to make way for a wide expansion of Renewable Energy. In Europe, the energy supply through bioenergy has reached a respectable value thanks to the widespread use of renewable bioenergy sources in countries like Sweden, Finland and Austria. In spite of this, the goal within the European Bioenergy supply has to be a strengthened and successful implementation and integration of present and future bioenergy needs into national and international agricultural and industrial policy. The specific Dual Fluidized Bed (DFB) Gasification technology, which was developed at the Technical University of Vienna back in 1997, could provide a strong basis for regional and autonomous supply of heat and electricity by means of the before mentioned Combined Heat and Power (CHP) technology based on solid biomass. The CHP plant in Oberwart, Burgenland/Austria is, next to the CHP plant in Güssing/Austria, the second successfully realized installation of the biomass based Dual Fluidized Bed Gasification technology. Within the scope of this work, the conceptual differences in comparison to the Biomass Gasification plant in Güssing and adaptations for the new CHP plant in Oberwart are defined. Based on the changes and on the advanced concept, experimental investigations are carried out and evaluated. Calculations concerning the actual plant performance and plant efficiencies are carried out using the process simulation software IPSEpro, the respected results being presented and discussed in this thesis. Within the process simulation, the modelling of some apparatuses of the CHP plant is revised and extended according to the changed conditions at the Biomass Gasification plant "Oberwart". The commissioning and start-up operation of the Biomass Gasification plant "Oberwart" is described in easily readable tables. Derived from the measurements, conducted in parallel, and the analysis of the start-up operation, conclusions for a stable and continuous operation of the Biomass Gasification plant are presented. Finally, computational calculations with IPSEpro concerning the operation of the whole plant including biomass drying, heat decoupling and electricity generation are performed. The validated results, which describe the characteristic operating point, that has been evaluated and selected as the reference case, are presented and compared to the values based on the simulated nominal operation of the plant within the present work. The conducted conceptual and constructional changes as well as the advanced process control mechanism have led to a trouble-free operation and to a high degree of process automation. However, the respective changes have failed to establish the following, industrially needed operating conditions: high simplicity in process- and plant control, simple and effective control mechanisms for the operator as well as a high system stability and sufficient plant reliability.<br />The product gas is nearly of the same composition as the product gas at the Biomass Gasification plant "Güssing". Due to the integrated biomass dryer, the thermal fuel power of the used biomass can be increased by approximately 6.4 % (based on the plant's thermal fuel power). Also, the increased reactor volume of the gasification unit leads to an enhanced gas production. Those two main conceptual improvements, compared to the "Güssing" plant, lead to the increase of roughly 9 % in chemical efficiency compared to the value of 65 % achieved at the "Güssing" plant. The chemical efficiency of the gasification unit in Oberwart reaches values as high as expected, naimly 74 %. Dust, char and tar concentrations in the raw as well as in the clean product gas are well within the expected limits and cause no problems in the inlet port and combustion chamber of the used gas engines. Due to the constructional design of the first flue gas cooler, that has been realized as a radiative boiler pass, the fouling tendency of the first apparatus placed in the flue gas section has been reduced significantly. However, the solid particle cycle as well as the chemism behind the structural changes of the particulate matter in the DFB system needs to be investigated further in order to improve plant performance and reliability. At present, the heat from the combined heat and power process is not fully utilised and therefore the thermal exploitation needs to be optimised to improve the overall efficiency of the Biomass Gasification plant "Oberwart".