Potenziale der Wirbelschichtdampfvergasung fester Biomasse : Modellierung und Simulation auf Basis der Betriebserfahrungen am Biomassekraftwerk Güssing

Abstract

Die Wirbelschichtdampfvergasung fester Biomasse erlaubt die Bereitstellung eines hochwertigen Produktgases, das effizient in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Bei der Kühlung der heißen Gasströme fällt zudem Wärme auf hohem Temperaturniveau an.<br />Aufbauend auf vorangegangene Arbeiten wird eine umfassende Modellbibliothek erstellt, die eine Abbildung vergasungsbasierter Anlagenkonzepte in der stationären, gleichungsorientierten Simulationssoftware IPSEpro ermöglicht. Zur Verifikation der Modelle dienen die Messdaten und Betriebserfahrungen an einer kommerziellen KWK-Anlage mit einer Brennstoffwärmeleistung von 8 MW.<br />Ausgehend von einem aus Messungen bestimmten Referenzbetriebsfall wird das Anlagenverhalten bei der Variation ausgewählter Betriebsgrößen untersucht. Mit Hilfe der Simulation kann das Potenzial der existierenden Anlage bei optimierten Betriebsparametern ermittelt werden. Sowohl ausgehend vom Referenzbetrieb als auch ausgehend vom optimierten Betrieb wird das Teillastverhalten der Anlage untersucht. Es zeigt sich ein signifikanter Einfluss des Brennstoffwassergehaltes auf die thermische und fluiddynamische Belastung der Reaktoren. Die möglichen Betriebszustände werden in Form von Kennfeldern dargestellt.<br />Eine Analyse der Exergieströme durch die Anlage zeigt Optimierungspotenziale vor Allem in den Bereichen Gasnutzung im Gasmotor und Kühlung der heißen Gasströme. Aufbauend auf die derzeitige Anlagenschaltung werden erweiterte Anlagenkonzepte diskutiert. Für eine verbesserte Nutzung der Exergie der heißen Gasströme, die an unterschiedlichen Stellen im Prozess auftreten, bietet sich wegen des geringeren apparativen Aufwandes im Vergleich zu Dampfkraftprozessen ein kompakter Organic Rankine Cycle (ORC) an. Als alternatives Konzept zur Produktgasnutzung wird ein Hybridsystem aus oxidkeramischer Brennstoffzelle und Gasturbinenprozess untersucht.<br />Es wird gezeigt, dass auf der Wirbelschichtdampfvergasung basierende KWK-Anlagen bereits im Leistungsbereich von rund 10 MW Brennstoffwärmeleistung hohe elektrische Wirkungsgrade bei gleichzeitig hoher Gesamtbrennstoffausnutzung erreichen können.<br />

Fluidised bed steam gasification of solid biomass yields a high quality producer gas, which can be used for efficient electricity generation. Simultaneously, high-level heat is released from the cooling of the hot gas streams.<br />Based on the results of previous work, a comprehensive model library has been developed to perform steady-state simulation of gasification-based processes in the equation-oriented software IPSEpro. The models are validated with measured data from a commercial plant with a thermal fuel power of 8 MW.<br />Starting from a measured reference case, the behaviour of the plant is studied during variations of selected parameters. The simulation predicts the efficiency of the existing power plant in optimised operation. The part load behaviour is investigated and rating diagrams for both the reference case and for optimised parameters are calculated.<br />The fuel water content significantly influences the plant performance.<br />An exergy analysis of the optimised process indicates weak points in the plant concept. Especially the gas utilisation step and the cooling of the hot gas streams are subjects of possible improvement. Extended plant configurations based on the realised gas generation and gas conditioning concept are discussed. Heat recovery cycles can reduce the high exergy loss in the gas coolers. Instead of steam cycle concepts, which are too complex for small scale application, a compact organic Rankine cycle (ORC) can be used for heat utilisation. As an alternative to the gas engine for gas utilisation, a gas turbine hybrid cycle with a solid oxide fuel cell as topping cycle is also investigated.<br />The present work shows that CHP-concepts based on fluidised bed steam gasification can reach high electric efficiencies and high overall fuel utilisation rates even at small plant capacities of about 10 MW fuel power.