Experimental investigations on a pressurized bubbling fluidized bed biomass gasification research unit

Abstract

In Zeiten des Umdenkens in Hinblick auf die Problematik des Klimawandel und der Nutzung fossiler Brennstoffe gerieten alternative Energien in den letzten Jahren immer mehr in den Fokus des öffentlichen Interesses. Nicht zuletzt aufgrund der damit verbundenen internationalen Diskussionen wurde die Forschung in der Suche und Nutzung erneuerbarer Energiequellen, sowie die damit einhergehende Entwicklung neuer Technologien forciert. Biomasse stellte sich dabei als ein erneuerbarer Energieträger mit hohem Potential heraus. Gerade im Bereich der Biomassevergasung gibt es eine Vielzahl an möglichen Anwendungen, wie beispielsweise Kraft-Wärme-Kopplung, die Herstellung synthetischer Flüssigtreibstoffe aber auch die Herstellung reinen Wasserstoffs. Basierend auf komplexesten Technologien haben viele der Anwendungen hohe Ansprüche an das Produktgas. Ein hochreines, komprimiertes Gas bei hohen Temperaturen ist meist die Grundvoraussetzung für diese Anwendungen. Daher hat die TU Wien gemeinsam mit dem Austrian Bioenergy Center eine druckaufgeladene Versuchsanlage konstruiert, um einerseits den druckaufgeladenen Vergasungsprozess an sich, sowie mögliche Unterschiede zum atmosphärischen Prozess zu untersuchen, andererseits aber auch um verschiedene Brennstoffe, Bettmaterialien und Vergasungsmedien zu testen und das Potential dieses Prozesses in Hinblick auf mögliche Anwendungen abzuschätzen. Im Zuge dieser Arbeit wurde die an der TU Wien realisierte Versuchsanlage großteils neu ausgelegt und umgebaut um einen kontinuierlichen Anlagenbetrieb zu ermöglichen. Des Weiteren wurden der Vergasungsbetrieb und das Verhalten der Anlage in Betrieb bei unterschiedlichen Drücken untersucht. Zu diesem Zweck wurde, von einem Standardbetriebspunkt ausgehend, eine Parametervariation durchgeführt, im Zuge derer der Einfluss der Vergasungstemperatur, des Betriebsdrucks, die Wahl des Vergasungsmediums, sowie die Auswirkungen des Luft/Brennstoff - Verhältnisses und die Wahl des verwendeten Bettmaterials auf die Produktgaszusammensetzung untersucht wurden. In diesem Zusammenhang wurden auch die Teer-, NH3- und H2S- Konzentrationen im Produktgas bei verschiedenen Bedingungen bestimmt. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse stellen die Grundlage für die Weiterentwicklung des Prozesses sowie die Konstruktion größerer Versuchsanlagen dar und sollen eine Basis für das Scale up zu Demonstrationsanlagen bilden.<br />

Due to increased consciousness of global warming and limited fossil fuels, there is a main research focus on finding and using alternative resources and developing required technologies. Efficient and sustainable utilization of renewable energy sources contributes to the preservation of natural resources and reduces the need for long-distance transport of energy. Especially biomass seems to be a renewable energy source with a high potential. There are several foreseeable applications for biomass gasification, like Combined Heat and Power (CHP) production, the production of synthetic liquid fuels or even pure hydrogen. Based on superior technology many of these applications have high demands. A pressurized gas at high temperatures with low impurities often is a basic requirement for them. Therefore, the Vienna University of Technology, in cooperation with the Austrian Bioenergy Centre, operates a pressurized gasification pilot plant in order to investigate the pressurized gasification process, to compare its specifications with an atmospheric gasification process and to test different fuels, bed materials, gasification agents as well as applications and estimate its potential. Within the scope of this work the test facility realized at the Vienna University of Technology has been redesigned and reconstructed in order to allow steady-state operation. Besides this upgrade the investigation of the gasification process as well as the operating behavior of the plant at different pressures has been the second main part of this work. Hence, starting from a reference case, the behavior of the plant has been studied during variations of selected parameters. Within this parameter variation the influence of the gasification temperature, the choice of gasification agent, the operating pressure, the equivalent ratio as well as the type of bed material which is used in the process on the producer gas has been investigated. Furthermore, the tar, NH3 and H2S contents have been determined at several different conditions.<br />The cognitions of this work should give fundamentals for further developments of the pilot plant and provide a basis for scale up to demonstration plants.