Experimentelle Untersuchungen zur Bestimmung von Verfahrensparametern bei der druckaufgeladenen Wirbelschichtvergasung von Biomasse

Abstract

In Zeiten des Klimawandels und der international geführten CO2-Diskussion erlebt Biomasse als Energieträger für den industriellen Bereich eine Renaissance. Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an einer mit Pellets betriebenen druckaufgeladenen Wirbelschichtvergasung durchgeführt. Die Fluidisierung erfolgte mit Luft und im Zuge erster Vorversuche wurde auch Dampf der Fluidisierungsluft beigemischt. Ziel der Untersuchungen war es, Verfahrensparameter der druckaufgeladenen Biomassevergasung zu ermitteln und das Verhalten des Systems zu erforschen.<br />Ausgehend von den auf Basis früherer Erfahrungen festgelegten Standardbedingungen von T=830 °C, p=3 bar und Lamda=0,3 erfolgte die Variation jeweils eines Parameters, um den dreidimensionalen Versuchsraum aufzubauen. Die Temperatur wurde von 810 bis 870 °C variiert, wobei eine H2- und CO-Zunahme bei gleichzeitiger CO2-Reduktion zu beobachten war. Die CH4-Konzentration blieb von der Temperatur weitgehend unbeeinflusst. Bei der Untersuchung der Druckabhängigkeit konnte im betrachteten Bereich von 1,5 bis 5,5 bar absolut (abs.) lediglich eine geringe Zunahme des CH4 verzeichnet werden. Die weiteren gemessenen Gaskonzentrationen wiesen eine zufällige Streuung auf. Die Variation von Lamda zwischen 0,2 bis 0,4 zeigte eindeutig, dass mit der Zunahme der Sauerstoffmenge mehr Brennstoff oxidiert wurde und die Synthesegasausbeute (CO und H2) abnahm.<br />Die Versuche unter Beimischung von Dampfanteilen zum Fluidisierungsmittel zeigten gegenüber vergleichbaren "Luftversuchen" eine Verschiebung der Gaszusammensetzung in Richtung H2 auf. Bei der Betrachtung der Brennwerte der erzeugten Gase war aber kein signifikanter Unterschied zu verzeichnen.<br />Bezüglich der qualitativen Versuchsbeobachtungen ist zu bemerken, dass der Vergasungsprozess aufgrund des Druckbetriebs eine große Vergasungsleistung hat. Für das Bettvolumen von 2 dm³ ist eine durchschnittliche Belastung von 30 kWtherm erheblich und somit nicht einfach zu handhaben. Im Bezug auf das Betriebsverhalten waren bei der Dampfbeimischung positive Effekte zu bemerken.<br />

In times of climate change and international CO2 discussion, the use of biomass for industrial applications becomes an interesting alternative to fossil energy sources. Throughout this diploma thesis, experiments were performed on a pressurized fluidized bed gasification reactor which was operated with wood pellets as fuel. Air was used as fluidization gas for the majority of the experiments, but in some of them steam was added to the fluidization agent to perform first preliminary tests of this kind. The aim of the investigations was to establish process parameters and to gain further experience with the system.<br />The starting point of the parameter variation was set to T=830 °C, p=3 bar and Lamda=0.3. The experimental design just varied one of them per run; therefore it was possible to create a three-dimensional room of gasification conditions. Temperature was varied between 810 and 870 °C.<br />An increased temperature directly correlated with higher amounts of H2, CO and less CO2 in the produced gas, but had no significant effect on the CH4 concentration. The gasification pressure was varied between 1.5 and 5.5 bar abs. These changes didn't show any impact on H2, CO, and CO2 concentrations, but a little increase of CH4 was registered. A variation of Lamda from 0.2 to 0.4 and the therefore involved increased oxygen amount had a negative effect on produced synthesis gas yield (CO and H2) because more of the fuel was oxidized, resulting in higher gasification temperatures.<br />In some experiments a mixture of air and steam in various concentrations was used for fluidization and gasification. The results of these experiments showed that the gas configuration differed from the test runs with air, but the calorific value remained approximately the same.<br />During all of the pressurized experiments, the gasification efficiency was high. A gasification output of 30 kWtherm for a fluidized bed of only 2 dm3 is remarkably high and not easy to handle. The air/steam mixture had positive effects on the operating behavior of the system.<br />