Solid fuels are converted into a nitrogen-free product gas through the dual fluidized bed steam gasification process. The product gas can be applied to generate heat, electricity, secondary liquid or gaseous energy carriers and valuable chemicals to substitute fossil based technologies in an eco-friendly and sustainable way. Dual fluidized bed steam gasification was demonstrated for the gasification of woody biomass at industrial scale between 8-32 MWth fuel power. However, some of these plants suffered from difficult economic conditions if high-value woody biomass was used as solid fuel. During the last years, a main research topic has been the utilization of low-cost residual and waste-derived fuels in combination with the use of limestone as bed material. One the one hand, limestone serves as natural mineral catalyst enhancing the product gas quality on the other hand limestone has low attrition resistance. Therefore, a fuel flexible advanced 100 kWth pilot plant equipped with smooth particle separation was developed and commissioned at TU Wien in 2014.Gasification test runs with the advanced pilot plant were conducted (i) to investigate the influence of limestone as bed material and (ii) to examine the influence of various fuels on product gas quality, flue gas impurities, and performance indicating key figures. The operation with limestone in comparison to conventional bed materials led to a clear improvement of product gas quality. Despite lower attrition resistance operation with limestone did not lead to profuse continuous replacement of the bed material during pilot plant operation. A broad range of biogenic, municipal and industrial waste-derived fuels was successfully converted into product gas. Measured product gas compositions, tar contents, and other impurities are compared for utilization at selected product gas applications. SO2 and NOx impurities in the flue gas from the combustion reactor were compared to respective emission directives and in most cases were lower than the limit values.Although, various fuels with limestone as bed material were tested successfully at the pilot plant, further investigations need to be done to prove or disprove operation stability at long-term test runs. This is applicable for some challenging fuels and the use of the catalytically active but low attrition resistant limestone as bed material. For this reason, a scale-up to a 1 MWth demonstration plant is suggested to further study long-term behavior of the process for selected promising fuels. Data calculated by means of process simulation are presented as basis for a basic engineering of a 1 MWth fuel flexible plant.
en
Im Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasungs-Prozess werden feste Brennstoffe in ein stickstofffreies Produktgas überführt. Das Produktgas wird eingesetzt, um Wärme, Strom, sekundäre flüssige oder gasförmige Energieträger und wertvolle Chemikalien zu erzeugen. Dabei werden fossile Routen zur Herstellung dieser Güter auf umweltfreundliche und nachhaltige Weise ersetzt. Die Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasung wurde mit Holz als Brennstoff bereits mit Brennstoffwärmeleistungen zwischen 8 und 32 MWth realisiert. Jedoch stellen hohe Brennstoffpreise für Holz die Anlagenbetreiber vor wirtschaftliche Herausforderungen. In den letzten Jahren war der Einsatz von preiswerten Rest- und Abfallbrennstoffen ein Forschungsschwerpunkt. Außerdem wurde der Einsatz von Kalkstein als Bettmaterial mit niedriger Abriebsfestigkeit als natürlicher mineralischer Katalysator zur Verbesserung der Produktgasqualität untersucht. Deshalb wurde ein fortschrittliches brennstoffflexibles Reaktordesign entwickelt und mit einer Pilotanlage mit 100 kWth Brennstoffwärmeleistung mit schonenden Partikelabscheidern 2014 an der TU Wien in Betrieb genommen. Um den Einfluss (i) von Kalkstein als Bettmaterial und (ii) von verschiedenen Brennstoffen auf Produktgasqualität, Abgasverunreinigungen und Leistungskennziffern zu untersuchen, wurden Vergasungsversuche mit der fortschrittlichen Pilotanlage durchgeführt. Die Produktgasqualität konnte durch den Betrieb mit Kalkstein im Vergleich zu konventionellen Bettmaterialien eindeutig verbessert werden. Während des Betriebs der Pilotanlage war trotz der niedrigeren Abriebsfestigkeit kein ständiger Austausch mit frischem Kalkstein notwendig. Ein breites Spektrum an biogenen, kommunalen und industriellen Rest- und Abfallstoffen wurde erfolgreich in Produktgas umgewandelt. Gemessene Produktgaszusammensetzungen, Teergehalte und andere Verunreinigungen wurden für ausgewählte Produktgasanwendungen verglichen. SO2 und NOx Verunreinigungen im Abgas des Verbrennungsreaktors wurden mit jeweils gültigen Emissionsrichtlinien verglichen und unterschritten die Grenzwerte in den meisten Fällen.Obwohl verschiedene Brennstoffe bei der Verwendung von Kalkstein als Bettmaterial zu einem erfolgreichen Einsatz in der Pilotanlage geführt haben, sind weitere Untersuchungen notwendig, um Einflüsse auf das Langzeitverhalten zu untersuchen. Dies trifft auf manche herausfordernde Brennstoffe und die Verwendung des weichen Kalksteins zu. Daher wird ein Scale-up zu einer 1 MWth Demonstrationsanlage vorgeschlagen, um das Verhalten in diesem Maßstab zu untersuchen. Durch Prozesssimulation wurden Daten generiert, die als Grundlage für ein Basic-Engineering dieser Demonstrationsanlage herangezogen werden können.
de
Additional information:
Zusammenfassung in deutscher Sprache Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Kumulative Dissertation aus sieben Artikeln
