Experimental design for the evaluation of advanced CO2 gasification feedstocks

Abstract

Die Biomassevergasung ist eine Technologie zur Erzeugung brennbarer Gase aus Biomasse.Wenn die Biomasse auf erneuerbare Weise gewonnen wird, können die Produkte kohlenstoffneutral sein. Der feste Brennstoff kann aus einer Vielzahl von Quellen stammen, was die Zusammensetzung des Produktgases verändert. Die Suche nach Möglichkeiten zur Verbesserung der Biomasse-Einsatzstoffe für die Vergasung würde die Gesamteffizienz des Prozesses erhöhen.Feuchtigkeitsgehalt, Heizwert, elementare Zusammensetzung und Aschegehalt der Biomasse beeinflussen den Vergasungsprozess. Bei der Vorbehandlung der Biomasse können diese Eigenschaften verändert werden. Ziel dieser Arbeit ist es, eine experimentelle Methodik zu entwickeln,mit der die Unterschiede zwischen zwei Rohstoffen bei der Vergasung mit CO2 untersucht werden können. Hydrothermal karbonisierte (HTC) Orangenschalenpellets wurden von TNO geliefert, um zu testen, ob eine HTC-Vorbehandlung die Vergasung von CO2 gegenüber HTC unbehandelten Pellets begünstigt.Diese Arbeit zielt darauf ab, eine Vergleichsmethode in zwei Abschnitten zu entwickeln.Im ersten Abschnitt wird ein Pellet-Einsatzmaterial aus rohen Orangenschalen hergestellt und analysiert. Die erzeugten Pellets werden mit hydrothermal karbonisierten (HTC)-vorbehandelten Pellets verglichen. Bei der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) handelt es sich umeine Vorbehandlung mit Wasser, hoher Temperatur und hohem Druck, die die chemische Zusammensetzung der Biomasse verändert. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Standardverfahren für die Herstellung von Pellets im Labormaßstab zu entwickeln, um einen Vergleich zwischen zwei Rohstoffen zu ermöglichen. Die rohen Orangenschalenpellets weisen eine gute mechanische Stabilität, eine hohe Verformungstemperatur und einen Brennwert von 14,9 MJ/kg auf. Die HTC-behandelten Pellets haben einen Brennwert von 22,1 MJ/kg bei einer ähnlichen Verformungstemperatur und mechanischen Stabilität. Die HTC-Pellets hatten einen Feuchtigkeitsgehalt von einem Drittel der rohen Orangenschalenpellets.Im zweiten Abschnitt wird ein robuster Versuchsaufbau für den Vergleich von zwei Rohstoffen bei der Vergasung mit CO2 beschrieben. Die Inbetriebnahme eines neuen chemischen Reaktors, der für eine Vielzahl von thermochemischen Biomassereaktionen geeignet ist, wird begleitet. Zur Ergänzung des Reaktors wurde ein flexibles Gasanalysesystem aufgebaut. Das Messsystem kann das Messgas konditionieren und die Komponenten CO, CO2, H2, CH4, O2,SO2, und NO2 messen. In dieser Arbeit ist kein Vergasungsexperiment enthalten, es wird eine Versuchsmatrix vorgeschlagen, die dazu verwendet werden kann zwei Einsatzstoffe für eine Vielzahl von Prozessparametern zu vergleichen. Bei den variierten Parametern handelt es sich um die Art des Brennstoffs, die Vergasungstemperatur, die Brennstoffzufuhrrate und das Vergasungsmittel.

Biomass CO2-gasification is a technology producing combustible gases out of biomass. If the biomass is sourced in a renewable way, the products can be carbon neutral. The solid fuel cancome from a variety of sources, which changes the composition of the product gas. Finding ways to improve biomass feedstock characteristics to suit gasification demands could improve the overall efficiency of the process. Biomass moisture content, heating value, elemental composition,and ash content influence the gasification process. In the biomass pretreatment, these characteristics can be changed. This work aims to develop an experimental methodology to test for their difference of two feedstocks in CO2 gasification. Hydrothermal carbonized (HTC) orange peel pellets are supplied by TNO to test whether a HTC pretreatment benefits the CO2 gasification over not HTC-treated pellets.This thesis aims to achieve a comparison methodology in two sections. In the first section,a pellet feedstock out of raw orange peels is created and analysed. Hydrothermal carbonization is a pretreatment involving water, high temperature, and high pressures, changing the chemical make-up of the biomass. The pellets created are compared to HTC pretreated pellets. To compare a raw feedstock, this thesis aims at providing a standard procedure to create pellets ata bench scale. The raw orange peel pellets exhibit good mechanical stability, a high deformation temperature, and a higher heating value of 14.9 MJ/kg. The HTC treated pellets have a higher heating value at 22.1 MJ/kg at a similar deformation temperature and mechanical stability.The HTC pellets have a moisture content of a third of the raw orange peel pellets.In the second section, a robust experimental setup for the comparison of two feedstocks in CO2 gasification is described. The startup of a new chemical reactor, suitable for a variety of biomass thermochemistry reactions, is accompanied. To supplement the reactor, a flexible gas analysis system was constructed. The measurement system can condition the measurement gas and measure the components CO, CO2, H2, CH4, O2, SO2, and NO2. Although no gasification experiment was included in this work it proposes an experimental matrix which can be used to compare two feedstocks under a variety of process parameters. The parameters varied are the fuel type, gasification temperature, fuel feed rate and gasification agent.