Catalytic decomposition of tar from product gas of a dual fluidised bed biomass steam gasification process

Abstract

Die Vergasung von Biomasse für die Erzeugung von Wärme und Strom (Kraft-Wärme-Kopplung) stellt eine attraktive Technologie dar, deren wirtschaftlicher Durchbruch trotz ausgiebiger Forschungs- und Entwicklungsarbeit im vergangenen Jahrzehnt derzeit nicht in Sicht ist.<br />Ein bis jetzt nicht vollständig gelöstes Problem ist der Teergehalt im Produktgas, wodurch es in kälteren Anlagenteilen zu Verstopfungen kommen kann. Die katalytische Heißgasreinigung erscheint aufgrund der möglichen, vollständigen Zerstörung der Teere, anstatt durch Abscheidung einen schwer beseitigbaren Abfallstrom zu generieren, vielversprechender als mögliche andere Gasreinigungsverfahren.<br />Das Ziel der vorliegenden Arbeit war katalytische Gasreinigung von Produktgas aus einem Zweizonenwirbelschicht-Biomasse-Dampfvergaser.<br />Verschiedene Betriebsparameter wurden untersucht und zusätzlich ist ein Literaturüberblick über Gasreinigungsverfahren mit besonderem Augenmerk auf Katalysatoren und deren Anwendungsmöglichkeiten dargestellt.<br />Um die Ziele zu erfüllen, wurden zwei verschiedene Herangehensweisen angewandt: einerseits die Entwicklung und Untersuchung eines katalytisch aktiven Bettmaterials sowie die Entwicklung eines Katalysators für nachgeschaltete Festbettreaktoren.<br />Ein mit Nickel angereicherter Olivin wurde als Bettmaterial in einer Versuchsanlage mit 100 kW Brennstoffleistung unter verschiedenen Prozessbedingungen getestet. Dieses Bettmaterial wurde an der Universität Strasburg entwickelt und charakterisiert. Verschiedene Mischungen von Olivin und Ni-Olivin wurden bei verschiedenen Temperaturen (750 bis 900 °C) und verschiedenen Dampf-Brennstoffverhältnissen (0,3 bis 0,9) eingesetzt. Der Katalysator zeigte eine hohe Aktivität in Richtung Teerumsatz und gasförmige Kohlenwasserstoffe, im Besonderen für Methan. In Einsatzzeiten bis zu 50 Stunden konnte keine Deaktivierung des Katalysator beobachtet werden.<br />Um dem zweiten Ansatz zu entsprechen, wurden die Aktivitäten verschiedener Katalysatoren in einem Labormaßstabsreaktor unter synthetischen Gasmischungen, angereichert mit ausgewählten Modellsubstanzen für Teere, getestet. Am besten für den Abbau der Teere geeignet zeigten sich kommerziell erhältliche Steam-reforming Katalysatoren für höhere Kohlenwasserstoffe (im Besonderen: Naphthas).<br />Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde ein Wabenkatalysator mit Nickel als aktiver Komponente hergestellt. Dieser Katalysator wurde anschließend in einer Versuchsanlage im Labormaßstab im Teilstrom an der 8 MW Brennstoffleistung Biomasse Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in Güssing, Österreich untersucht. Bei dieser Anlage handelt es sich um einen Zweizonenwirbelschicht- Dampfvergaser. Bei Temperaturen über 850 °C und Raumgeschwindigkeiten von ungefähr 1200 h-1 konnte ein beinahe vollständiger Abbau der Teere und eine erhebliche Reduktion des Ammoniakgehaltes erzielt werden.<br />Abschließend werden die beiden Applikationen einer ökonomischen Bewertung unterzogen und die Ergebnisse mit den Daten für die bestehende, konventionelle Gasreinigung der Demonstrationsanlage in Güssing, Österreich verglichen.<br />Das erarbeitete Wissen kann für die Weiterentwicklung der katalytischen Gasreinigung für Vergasungsprozesse verwendet werden.<br />

Gasification of biomass is an attractive technology for combined heat and power production. Although a great deal of research and development work has been carried out during the past decade the commercial breakthrough for this technology is still far away. One problem that has not been completely solved so far is the tar content in the product gas, which can cause plugging in the colder parts of the plant. Among the possible gas cleaning methods, catalytic hot gas cleaning is rather promising because of the complete destruction of the tars instead of creating a waste stream which is difficult to dispose.<br />The aim of this work was to study catalytic gas cleaning of producer gas from a dual fluidised bed steam gasifier. The effects of different operation conditions were studied and within this work, a literature survey on gas cleaning especially of several catalysts and applications is given.<br />To achieve the objectives two different approaches were applied which are firstly development and testing of a catalytic active bed material and secondly deployment of a secondary fixed bed catalyst.<br />A nickel-enriched olivine, developed and characterised at the University of Strasbourg, was used as bed material in a 100 kW Fuel input pilot plant and tested under different procedural conditions. Additionally, different mixtures of olivine and Ni-olivine were used at different temperatures (750 to 900 °C) and different steam-to-fuel ratios (0.3 to 0.9). The catalyst showed high activity in reforming of tars and gaseous hydrocarbons in particular methane. No noticeable deactivation of the catalyst could be observed over operation times up to 50 h.<br />To deal with the other approach the activities of different catalysts were measured in laboratory scale reactors fed by synthetic gas mixtures and tar model compounds. Commercial steam-reforming catalysts for heavy hydrocarbons (particularly naphthas) proved best as tar decomposing catalysts. Based on these results a nickel-based monolith type of catalyst was produced and afterwards tested in a laboratory scale reactor fed by slip streams taken from the dual fluidised bed steam gasifier installed at the 8 MW Fuel input biomass CHP (combined heat and power) plant in Güssing, Austria. Almost complete tar and considerable ammonia decomposition could be achieved over this catalyst at temperatures above 850 °C and space velocities of about 1200 h-1.<br />Finally, the investigated catalytic applications are assessed economically and compared with the existing conventional gas cleaning at demonstration plant in Güssing, Austria.<br />The knowledge obtained in this work can be used as basis for the further development of catalytic hot gas cleaning for gasification processes.