Influence of biomass ash on oxygen carrier materials in chemical looping combustion

Abstract

In den letzten Jahrzehnten ist die Nachfrage nach der Entwicklung alternativer Technologien, die fossile Brennstoffe durch erneuerbare Energiequellen ersetzen, schnell gestiegen, um die Auswirkungen der steigenden CO2-Konzentration auf die Umwelt zu minimieren. Die Nutzung fester Biomasse, die als CO2 -neutrale Energiequelle angesehen werden kann, ist eine vielversprechende Lösung, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und CO2-Emissionen zu verringern. Vor diesem Hintergrund haben die Forschung und die Entwicklungsstrategien der Biomassenutzung in Pyrolyse-, Vergasungs- und Verbrennungsanwendungen an Bedeutung gewonnen. Die Chemical Looping Combustion (CLC), abgeleitet von der dualen Wirbelschicht (DFB)-Technologie, die die Vergasung und die Verbrennung in zwei Reaktoren trennt, ist eine attraktive Methode, um negative CO2-Emissionen zu erreichen. Bei dieser Technik wird das entstehende CO2 inhärent abgetrennt, was durch Technologien zur Kohlenstoffabscheidung und -speicherung (CCS) eine entscheidende Rolle spielt. Im Gegensatz zu CLC ist das Ziel des DFB-Systems die Erzeugung von Wärme, Strom oder Kraftstoffen für den Transport und synthetische Chemikalien. Für beide Anwendungen können verschiedene Metalloxide wie Olivin, Quarz, K-Feldspat und Ilmenit als Bettmaterial verwendet werden, das zwischen den Reaktoren zirkuliert und als Wärmeträger und Katalysator dient und für hohe Brennstoffumsätze sorgt. Dennoch wurde das CLC-Konzept noch nicht skaliert. Eine 1 MW CLC-Pilotanlage wurde in Simmering, Wien aufgebaut, aber noch nicht in Betrieb genommen. Während dieser Diplomarbeit hatte ich Gelegenheit, an dieser Anlage zu arbeiten, und lernte Aspekte der CLC-Technologie kennen.Die CLC-Technologie wird primär für gasförmige Brennstoffe entwickelt und für feste Brennstoffe weiter angepasst. Daher ist die CLC von Biomasse ein neues Forschungsfeld, das eine attraktive Option darstellt, um die negativen CO2-Emissionen zu gewährleisten. Außerdem kann die Menge an Asche im Festbrennstoff die Brennstoffumwandlung und direkt die Prozesseffizienz beeinflussen. Die Studien zur Wechselwirkung zwischen Biomasseasche und Sauerstoffträger sind jedoch sehr begrenzt. Mit anderen Worten, es gibt wenig Wissen über den Einfluss von Biomasseasche auf den CLC-Prozess. Daher wurde dieses Phänomen in dieser Arbeit durch thermogravimetrische Analyse (TGA) für die CLC von Rindenpellets mit Ilmenit als Sauerstoffträger untersucht. Abschließend wurde der Einfluss von Asche auf die CLC-Prozesseffizienz diskutiert und ein Ausblick auf mögliche zukünftige Verbesserungen von CLC-Technologien gegeben.

Over the last decades, the demand for the development of alternative technologies substituting fossil fuels with renewable energy sources has increased rapidly to minimize the effects of rising CO2 concentration on the environment. The utilization of solid biomass, which can be considered as a CO2 -neutral energy resource, is a promising solution to decrease the dependency on fossil fuels and CO2 emissions. Regarding this fact, the research and the development strategies of biomass usage in pyrolysis, gasification, and combustion applications have gained importance. The chemical looping combustion (CLC), derived from the dual fluidized bed (DFB) technology separating the gasification and the combustion into two reactors, is an attractive method aiming to reach negative CO2 emissions. In this technique, the resulting CO2 is separated inherently, which plays a vital role by carbon capture and storage (CCS) technologies. In contrast to CLC, the target of the DFB system is to generate heat, electricity, or fuels for transportation and synthetic chemicals. For both applications, various metal oxides such as olivine, quartz, K-Feldspar, and Ilmenite can be used as bed material, which circulates between the reactors and serve as a heat carrier and catalyst, ensuring high fuel conversions. Nevertheless, the CLC concept has not been scaled-up yet. A 1 MW pilot CLC plant has been built up in Simmering, Vienna, but has not been started-up yet. During this thesis, I had to chance to work on this plant and gained familiar aspects of CLC technology.The CLC technology is primarily developed for gaseous fuels and further adapted for solid fuels. Therefore, the CLC of biomass is a new research field, which is an attractive option, ensuring the negative CO2 emissions. Additionally, the amount of ash in solid fuel may affect the fuel conversion and directly the process efficiency. However, the studies on the interaction between biomass ash and oxygen carrier are very limited. In other words, there is little knowledge about the influence of biomass ash on the CLC process. Therefore, this phenomenon has been investigated in this thesis through thermogravimetric analysis (TGA) for the CLC of bark pellets with ilmenite as an oxygen carrier. Finally, the influence of ash on CLC process efficiency has been discussed, and an outlook of the possible future improvements on CLC technologies has been given.