Optimierung eines 2 MW Doppelfeuer-Festbettvergasers inklusive Gasreinigung auf der Basis der Ergebnisse eines 125 kW Technikumsvergasers

Abstract

Durch die gestiegenen Treibhausgasemissionen sowie den steigenden Ölpreis sind als alternative Energiequelle die erneuerbaren Energien immer mehr in den Focus des öffentlichen Interesses gerückt.<br />Dabei ist die Vergasung von Biomasse mit anschließender Strom- und Wärmeerzeugung eine vielversprechende Technologie. In diesen Bereich fällt auch die Festbettvergasung, die in dieser Arbeit ausführlich behandelt wird.<br />Eine KWK Anlage, die auf dem Doppelfeuer-Festbettvergasungs-Prinzip basiert, wurde im Jahr 2003 im Wiener Neustädter Stadtteil "Civitas Nova" realisiert. In dieser Anlage wird gesiebtes und getrocknetes Waldhackgut als Brennstoff verwendet und in einem Vergaser ein niedrig kaloriges Gas von ca. 6 MJ/Nm3tr produziert. Das generierte Produktgas wird in einem Heißgaszyklon, einem RME (Rapsmethylester)/H2O-Quenchsystem, sowie in einer nachfolgenden E-Filter Einheit gereinigt, und in einem Gasmotor in Strom und Wärme umgewandelt. Das BHKW hat bei Volllast eine Brennstoffwärmeleistung von 2 MWBWL und eine elektrische und thermische Leistung von 550 kWel und 720 kWth. Weiters wurde für den 2 MWBWL Doppelfeuer-Festbettvergaser als "Scale up" und Optimierungstool eine 125 kWBWL Pilotanlage für Forschungszwecke an der Technischen Universität Wien geplant, aufgebaut und betrieben. Es wurden an dieser Anlage verschiedene Versuchsparameter (z.B. Hackguttyp, Last, Luftmengenverhältnis (LV)) variiert und deren Auswirkungen (z.B.<br />Teer und Partikelgehalt, Gaszusammensetzung, pH-Wert des Produktgaskondensates, usw.) untersucht. Diese Ergebnisse wurden anschließend zur Optimierung der 2 MWBWL Demonstrationsanlage herangezogen.<br />Aufgrund des stetig ansteigenden Druckverlusts über der Hackgutschüttung des Vergasers, die vermehrten Verstopfungen in den Wäscherkreisläufen durch Partikel und Teerablagerungen sowie der nicht vollständig geschlossenen Wasserkreisläufe, die eine Anhäufung von erheblichen Mengen an Teer-Wasser-Chargen verursachen, wurde das ursprüngliche Anlagenkonzept überarbeitet und zwei Hauptänderungen an der Anlage in Wr. Neustadt durchgeführt. Dabei wurden der Drehrost sowie das Wasser-Quenchsystem neu konzipiert und wie oben beschrieben umgebaut.<br />Die Ergebnisse vor und nach dem Quenchumbau an der 2 MWBWL Anlage wurden verglichen und somit die Ursachen eines problematischen Anlagenbetriebs erörtert. Die beiden Anlagen (125 kWBWL und 2 MWBWL) zeigen die Ergebnisse und Schwierigkeiten beim Betreiben eines Doppelfeuer-Festbettvergasers und deren Gaskonditionierung. Um diesen Typ von Biomassevergasung in nächster Zukunft ökonomisch zu realisieren und somit einen nahezu störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, müssen noch einige weitere Optimierungen durchgeführt werden. Weiters wäre ein Größe von < 2 MWBWL zu empfehlen, um die Teerproblematik besser in den Griff zu bekommen. Das im Rahmen dieser Arbeit erarbeitete Wissen kann als Basis für die weitere Entwicklung des Prinzips der Festbettvergasung herangezogen werden.

Due to the rising greenhouse gas emissions and the increasing oil price renewable energy sources have come more and more into the public focus. Biomass gasification is a promising technology to produce heat and power from a renewable energy source. Fixed bed gasification also deals with this subject and will be discussed in this work.<br />A twin-fire fixed bed gasifier based CHP plant was realized in the Wiener Neustädter district "Civitas Nova" in 2003. Within this plant wood chips are used as fuel, which are dried and sieved before being gasified to a low calorific gas of about 6 MJ/Nm3dry. Before the gas is fed into a gas engine it has to be purified. A cyclone and a RME (rapemethylester)/H2O quench system followed by a wet electrostatic precipitator (ESP) are used for gas cleaning. The CHP plant has a fuel power of 2 MWth and an electric and thermic output of 550 kWel and 720 kWth for full load.<br />As a scale up and optimization tool for the 2 MWth plant a hot test rig with a capacity of 125 kWth was built for scientific purposes at the Vienna University of Technology. At this plant different parameters (e.g. type of wood chips, power, air distribution, etc.) have been varied to investigate the effects (e.g. tar and particle content, gas composition, pH-value of condensate etc.). Furthermore, the results of the hot test rig are discussed and compared with the results of the 2 MWth demonstration plant.<br />Due to the rising pressure drop over the wood chips bulk, the increasing blockage through the particle and tar deposition in the water circle system which turned out to be not completely closed and therefore causes a big amount of accumulations of tar water-charges, the origin concept had to be revised. As a consequence of these problems two main changes have been executed at the plant in Wr. Neustadt. Thereby, the rotary grate and the water quench system have been redesigned and rebuilt following the description above. The results obtained before and after the changes in the quench system have been compared and the reasons of a problematic operation are discussed in this work. Both plants (125 kWth and 2 MWth) show the results and difficulties of the twin-fire fixed bed operation and the gas cleaning system. For an economic usage and an undisturbed operation of this type of biomass gasification plants some more optimisation work has to be done in the near future. Additionally, the range of power performance should be less than 2 MWth. due to the tar problematic.<br />The knowledge obtained in this work can be used as basis for the further development of the fixed bed gasification plant.