Process characteristics of sorption enhanced reforming in an advanced gasification system

Abstract

Der Umstieg von fossilen Kohlenstoffquellen auf erneuerbare Rohstoff- und Energieträger stellt eine beispiellose Herausforderung für die Menschheit dar. Zusätzlich verschärft der Klimawandel die Dringlichkeit dieser Defossilisierung. Eine Technologie, die einen wesentlichen Beitrag dazu leisten könnte ist die thermochemische Umwandlung von Biomasse mittels Wasserdampf in einer Zweibettwirbelschicht. Die ursprüngliche Idee der Technologie war die Strom und Wärmebereitstellung durch zwei unabhängig voneinander betriebenen Reaktoren, den dampfbetriebenen Vergasungsreaktor und den luftbetriebenen Verbrennungsreaktor. Die Wärmebereitstellung für den endothermen Vergasungsreaktor erfolgt hierbei mittels zirkulierendem Bettmaterial. Durch die Wahl des Bettmaterials kann der Prozess und die Kohlenstoffbilanz jedoch zusätzlich beeinflusst werden: Mittels Kalkstein ist es möglich CO2 direkt aus dem Produktgas des Vergasungsreaktors abzuscheiden und im Verbrennungsreaktor wieder abzugeben. Durch die Anregung der Wassergas-Shift Reaktion führt dieser Prozess der sorptions-unterstützten Vergasung (SER) zu einem Produktgas mit erhöhtem H2 Gehalt. Dieser Prozess hängt hauptsächlich von zwei Einflussfaktoren ab: Vergasungstemperatur und Bettmaterialzirkulationsrate. Diese Einflussfaktoren beeinflussen einerseits die Produktgaszusammensetzung und Kohlenstoffbilanz maßgeblich, andererseits auch Teergehalt und Bettmaterialabrieb. In der vorliegenden Arbeit wird eine ganzheitliche Charakterisierung des Prozesses in Abhängigkeit der Einflussfaktoren vorgenommen. Dazu werden Experimente mit einer 100 kWth Pilotanlage an der TU Wien durchgeführt und ausgewertet, bereits publizierte Literatur herangezogen und verschiedene neuartige Modelle des SER Prozesses entwickelt. Basierend auf diesen Ergebnissen können Schlussfolgerungen getroffen werden und Designänderungen vorgeschlagen werden: Das vorliegende Design der 100 kWth Pilotanlage wird durch die unvollständige Kalzinierung des Bettmaterials im Verbrennungsreaktor limitiert. Simple Designänderungen könnten zu einer Erhöhung des Kalzinierungsgrads über einen weiten Bereich der Einflussfaktoren führen.

One of the technologies, which could contribute significantly to reach climate neutrality is the dual fluidized bed steam gasification technology. Initially, the technology aimed for the production of a nitrogen-free product gas via a steam blown gasification reactor and an air blown combustion reactor to produce heat and power. The reactors are connected thermically by the circulation of the bed material, which acts as heat carrier. Beneficial effects can be achieved by using a bed material like limestone, which is able to selectively remove CO2 from the product gas of the gasification reactor and release the captured CO2 in the combustion reactor again. Consequently, the process offers the possibility of carbon capture and storage. This so-called sorption enhanced reforming process produces a H2-rich product gas (about 70 vol.-%db H2) due to the continuous removal of CO2 from the gasification reactor and the additional support of the water-gas shift reaction. The sorption enhanced reforming process is mainly depending on the operation conditions gasification temperature and bed material cycle rate. These factors influence the main product gas composition and overall carbon balance of the process on the one hand, but also the tar content and bed material attrition on the other hand. This work aims for a full characterization of the process in dependence of the influencing factors i) gasification temperature and ii) bed material cycle rate by the aid of the advanced 100 kWth pilot plant at TU Wien, but also data from specific literature and various modelling approaches. All developed models are compared to experimental data, therefore ensuring high relevance for further process optimization. Based on the modelling results conclusions are drawn and design recommendations are stated: For the current design of the advanced 100 kWth pilot plant the calcination step in the combustion reactor can be found as limiting process step. Simple design modifications could improve the CO2 sorption performance over a broad range of the influencing parameters.