Challenges of small-scale biomass gasification combined heat and power plants and optimisation of a downdraft gasifier on a newly built test rig by implementation of staged air supply

Abstract

Reducing greenhouse gas emissions is crucial to reduce global warming, and small-scale biomass gasification combined heat and power plants, using fixed bed gasifiers and internal combustion engines, can play a role in doing so. This thesis is based on the findings within the GLOCK Research Lab for renewable, low-emission energy and mobility systems between TU Wien and Glock from 2020 to 2023 and is structured in two parts. One is the preliminary investigation, which shall give a deeper understanding of the challenges of such plants today and in the future. The other is the experimental investigation, comprising of building a new fixed bed gasification test rig at TU Wien, having at its core a prototype of a new downdraft gasifier generation of Glock ecotech, and fulfilling extensive testing and optimisation of the gasifier performance.Preliminary investigations have shown that such plants are a valuable renewable energy technology in rural municipalities with extensive biomass potential. Under this premise, these plants can compete with other renewable energy source technologies in terms of energy costs and CO2e emissions. Most manufacturers use downdraft gasifiers due to their potentially low tar contents in combination with woody biomass as feedstock. Alternative feedstocks, such as non-woody biomass residuals from agriculture, are not used to date due to technical challenges. The generation of biochar out of the residual char from gasifiers is gaining more and more interest but is often hampered due to contamination with high amounts of polycyclic aromatic hydrocarbons. An interesting concept for downdraft gasifiers is staged air supply gasification, where the gasification agent air is introduced at several levels instead of one. However, this concept is not used by manufacturers investigated within this thesis up to now.For the experimental investigations, a test rig was built, and wood chips were used for all the test runs. The evaluation and validation of the experiments have been supported by mass and energy balances using the plant simulation software IPSEpro. The first test runs were conducted with the initial gasifier setup in classic downdraft operation at different air flows and rating of the gasifier performance by means of key performance indicators. Based on the rating, staged-air supply gasification at different air ratios has been implemented to reduce the tar content, increase the carbon conversion and investigate its effects on polycyclic aromatic hydrocarbons in the residual char. Test runs with two-stage air supply with primary air and secondary air into the pyrolysis zone, as well as primary air and tertiary air beneath the grate, have been conducted. Secondary air was able to reduce the tar content and, additionally, showed a major increase in operational stability by reducing the pressure drop across the gasifier bed. Tertiary air likewise reduced the tar content and increased the carbon conversion efficiency. Furthermore, a remarkable reduction in polycyclic aromatic hydrocarbons of the residual char led to the generation of high-quality biochar. Out of the rating of the two-stage air supply test runs, a three-stage air supply test run with primary, secondary and tertiary air was conducted. Three-stage air supply gasification was able to maintain and combine the positive effects of two-stage air supply gasification.

Die Reduktion von Treibhausgasen ist essentiell um den Klimawandel zu reduzieren. Gaserzeugung aus Biomasse zur Kraft-Wärme-Kopplung im kleinen Leistungsbereich, mittels Festbettgaserzeuger und Gasmotor, kann hierbei eine Rolle spielen. Diese Arbeit beruht auf den Ergebnissen des „GLOCK Research Lab für nachhaltige, emissionsarme, Energie- und Mobilitätssysteme“ zwischen der TU Wien und Glock zwischen 2020–2023 und ist in zwei Teile strukturiert. Einer vorbereitenden Untersuchung, welche ein tiefergehendes Verständnis betreffend die Herausforderungen dieser Anlagen heute und in Zukunft liefern soll. Sowie einem experimentellen Teil, bei dem ein Festbettgaserzeuger-Teststand an der TU Wien errichtet wurde, welcher im Kern aus einem Prototyp eines neuen Gleichstromgaserzeugers von Glock ecotech besteht und an welchem umfangreiche Untersuchungen und Optimierungen der Gaserzeugerperformance durchgeführt wurden. Die vorbereitenden Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Anlagen eine nützliche erneuerbare Energietechnologie, zum Einsatz in ländlichen Gemeinden mit hohem Biomassepotential, darstellen. Unter dieser Voraussetzung, können solche Anlagen mit anderen erneuerbaren Technologien in Sachen Energiekosten und CO2e Emissionen mithalten. Die meisten Hersteller nutzen Gleichstromgaserzeuger aufgrund der potentiell geringen Teerwerte in Kombination mit Holz als Brennstoff. Alternative Brennstoffe, wie nichtholzartige Biomasse aus Reststoffen der Landwirtschaft, werden aufgrund von technischen Schwierigkeiten derzeit nicht eingesetzt. Die Erzeugung von Biokohle aus dem Restkoks der Gaserzeugung gewinnt immer stärker an Bedeutung, wird jedoch oft durch sehr hohe Gehälter an polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen behindert. Ein interessantes Konzept der Festbettgaserzeugung ist die Gaserzeugung mittels gestufter Luftzuführung, welche derzeit jedoch von den in dieser Arbeit untersuchten Herstellern nicht kommerziell eingesetzt wird. Für die experimentellen Untersuchungen, wurde ein Teststand aufgebaut und die Versuche mit Holzhackschnitzel durchgeführt. Die Auswertung und Validierung der Versuche wurde durch Massen-und Energiebilanzen mithilfe der Simulationssoftware IPSEpro unterstützt. Die ersten Versuche wurden am Gleichstromgaserzeuger mit einer Luftstufe und unterschiedlichen Luftmengen durchgeführt und die Performance des Gaserzeugers anhand von Performance Indikatoren bewertet. Basierend auf der Bewertung, wurde die mehrstufige Luftzuführung umgesetzt um die Teerwerte zu senken, die Kohlenstoffumsätze zu erhöhen und den Einfluss auf die Kohlenwasserstoffe im Restkoks zu untersuchen. Versuche im zweistufigen Betrieb, mit Sekundärluft in die Pyrolysezone bzw. Tertiärluft unterhalb des Rostes, wurden durchgeführt. Sekundärluft ergab eine Reduktion der Teere, sowie eine erhebliche Verbesserung der Betriebsstabilität des Gaserzeugers, aufgrund einer Reduktion der Druckverluste. Tertiärluft reduzierte die Teere weiter, erhöhte den Kohlenstoffumsatz und vermag Biokohle höchster Qualität zu erzeugen. In einem dreistufigen Versuch mit Primär-, Sekundär-, und Tertiärluft, konnten die Verbesserungen der zweistufigen Versuche erhalten und kombiniert werden.