Wirbelschicht-Gaserzeuger für biogene Roh- und Reststoffe und kleine/mittlere Leistungen

Abstract

Die vorliegende Diplomarbeit hat das Ziel, eine Grundlage für die Entscheidungsfindung zu liefern, ob Wirbelschichtgaserzeugungsanlagen im kleinen und mittleren Leistungsbereich eine technisch und ökonomisch sinnvolle Alternative zu Gleichstrom-Festbettgaserzeugern darstellen. Um diese Frage zu beantworten, werden im ersten Schritt relevante Paper zu blasenbildenden Wirbelschichten untersucht, um den Stand der Technik in dem Leistungsbereich zu ermitteln. Aus den gewonnenen Erkenntnissen der Literaturrecherche wird eine Gesamtanlage zur Wirbelschichtgaserzeugung aus biogenen Roh- und Reststoffen und Nutzung in einem Gasmotor konzipiert. Um die konzipierte Wirbelschichtanlage mit Gleichstrom-Festbett-Gaserzeugern zu vergleichen, wurde eine bestehende Anlage als Vergleichsanlage herangezogen. Diese Vergleichsanlage umfasst einen Verbund von 14 parallel betriebenen Festbett-Gaserzeugungsanlagen die zusammengenommen eine Brennstoffleistung von 2,8 MWBrst erreichen. Auf Grundlage dieser Brennstoffleistung folgt eine strömungsmechanische Auslegung des blasenbildenden Wirbelschichtreaktors. Im nächsten Schritt wird die konzipierte Gesamtanlage, bestehend aus Brennstofftrocknung, Gaserzeugung, Gasreinigung und Nutzung des Produktgases in einem Gasmotor, in IPSEpro simuliert. Die Ergebnisse aus der Simulation zeigen, dass der elektrische Wirkungsgrad aufgrund von zusätzlichen prozessbedingten Verbrauchern bei der Wirbelschichtanlage niedriger ausfällt, der thermische Wirkungsgrad dafür etwas höher. Daraus ergibt sich ein ähnlicher Gesamtwirkungsgrad der Wirbelschichtanlage (76,9 %) verglichen zur Vergleichsanlage (75,8 %).Die Ergebnisse der strömungsmechanischen Auslegung sowie der Simulation dienen als Grundlage für eine techno-ökonomische Evaluierung der Wirbelschichtgaserzeugungsanlage mit der gewählten Vergleichsanlage. Die Ergebnisse der techno-ökonomischen Evaluierung zeigen, dass die Wirbelschichtgaserzeugungsanlage ökonomisch betrieben werden kann. Im Vergleich zur Vergleichsanlage schneidet die Wirbelschichtanlage, unter den gewählten Anlagenparametern, allerdings ökonomisch schlechter ab. Faktoren, die das wirtschaftliche Abschneiden wesentlich beeinflussen sind unter anderem Personalkosten und Brennstoffkosten. In diesen steckt auch das Potential, die Wirbelschichttechnologie in diesem Leistungsbereich wettbewerbsfähiger zu machen – geringere Personalkosten durch weniger benötigtes Personal und geringere Brennstoffkosten durch den Einsatz von günstigerem Brennstoff. Weiterer Forschungsbedarf besteht also, um die konzipierte Anlage weiterzuentwickeln, und um die vorhandenen Potentiale der Wirbelschichttechnologie in diesem Leistungsbereich genauer zu untersuchen.

The aim of this thesis is to provide a basis for decision-making on whether fluidized bed gasification plants in the small and medium power range represent a technically and economically viable alternative to concurrent fixed bed gasifiers.To answer this question, the first step is to investigate relevant papers on bubbling fluidized bed gasifiers to determine the state of the art in this power range. Based on the findings of the literature research, a complete plant for fluidized bed gasifiers from biogenic raw and residual materials and utilization in a gas engine is designed. In order to compare the designed fluidized bed plant with concurrent fixed bed gasifiers, an existing plant was used as a comparison plant. This comparative plant comprises a network of 14 fixed-bed gasifiers operating in parallel, which together achieve a fuel capacity of 2.8 MWBrst. Based on this power, a fluid mechanical design of the bubbling fluidized bed reactor follows. In the next step, the designed overall plant, from fuel drying and gasification to gas cleaning and utilization of the product gas in a gas engine, is simulated in IPSEpro. The results from the simulation show that the electrical efficiency is lower for the fluidized bed system due to additional process-related consumers, while the thermal efficiency is somewhat higher. This results in a similar overall efficiency of the fluidized bed system (76.9 %) compared to the reference system (75.8 %).The results of the fluid mechanical design and the simulation serve as a basis for a techno-economic evaluation of the fluidized bed gas generation plant with the selected comparison plant. The results of the techno-economic evaluation show that the fluidized bed gasifier plant can be operated economically. Compared to the reference plant, however, the fluidized bed plant performs worse economically under the selected plant parameters. Factors that have a significant influence on the economic performance include personnel costs and fuel costs. These factors also have the potential to make the fluidized bed technology more competitive in this performance range - lower personnel costs due to less personnel required and lower fuel costs due to the use of cheaper fuel. Further research is therefore needed to further develop the designed plant and to investigate the existing potential of fluidized bed technology in this power range in more detail.