CO2 Utilization by Biomass Gasification: Experimental Investigations, Measurement Innovation, and Process Design for Carbon Recycling in Ironmaking

Abstract

Biomassevergasung mit CO2 bietet einen vielversprechenden Pfad, um aus Biomasse und CO2 ein CO-reiches Produktgas mit erneuerbarem Kohlenstoff und Energie bereitzustellen. Damit dies als tragfähige CO2-Nutzungsstrategie gelten kann, müssen zentrale Herausforderungen bewältigt werden: Prozessoptimierung, Validierung der CO2-Umwandlung und industrielle Integration. Diese Arbeit adressiert diese drei Fragen durch gezielte Experimente, neue Messmethoden und Prozesssimulationen.Erstens untersucht die Arbeit, wie die CO2-Umwandlung in Wirbelschicht-Biomassevergasern erhöht werden kann. Hohe Betriebstemperatur (≥850 °C) wird als entscheidender Faktor identifiziert, da sowohl die Gleichgewichtskonzentration von CO als auch die Kinetik der Boudouard-Reaktion (C + CO2 ⇌ 2CO) begünstigt werden. Für hohe CO2-Umwandlung müssen ausreichende Verfügbarkeit von Festkohlenstoff und Gas-Feststoff-Kontaktzeiten sichergestellt werden. Unter optimierten Bedingungen wird eine CO2-Umwandlung von 93 % bei der Vergasung von Holzkohle erreicht.Zweitens validiert die Arbeit die Umwandlung von zugeführtem CO2 im Reaktor durch eine neue Messmethode auf Basis von Kohlenstoffisotopen. Vorhergehende Untersuchungen schätzten die CO2 Umwandlung ohne zwischen Kohlenstoff aus Biomasse und CO2 zu differenzieren. Die neue Methode ermöglicht es durch Analyse der unterschiedlichen δ13C-Signaturen von Biomasse und zugeführtem CO2 nachzuverfolgen, welcher Anteil des zugeführten CO2 im Prozess umgesetzt wird. Dies validiert Biomassevergasung mit CO2 als CO2-Nutzungsstrategie und fördert Prozessverständnis. Drittens bewertet die Arbeit durch Prozesssimulation die Integration der CO2-Biomassevergasung in einen Eisenherstellungsprozess. Der Vergaser stellt Reduktionsgas für die Eisenherstellung bereit und recyclet dabei prozessbedingt emittiertes CO2 – ein kompaktes CCU-System. Techno-ökonomische und Lebenszyklusbewertungen zeigen hierbei Vorteile gegenüber erdgasbasierten Verfahren: Netto-negative Emission von −83 kgCO2e/tCDRI bei levelisierten Kosten von 350 €/tCDRI stehen Emissionen von 892 kgCO2e/tCDRI und Kosten von 416 €/tCDRI im konventionellen MIDREX-Prozess gegenüber.Zwei ergänzende Themen erweitern das Forschungsfeld. Erstens wird ein zweistufiger Prozess aus Torrefizierung und CO2-Vergasung zur Herstellung hochporöser Biokohle mit spezifischer Oberfläche bis zu 800 m2/g untersucht. Zweitens wird ein 2.3 THz Quantenkaskadenlaser zur spektroskopischen Quantifizierung von H2O in heißem, teerhaltigen Produktgas vorgestellt, was zur Überwindung bestehender Messtechnikhürden beiträgt. Zusammenfassend stärkt diese Arbeit die wissenschaftlich-technische Basis der CO2-Biomassevergasung. Sie liefert neue Messwerkzeuge, Strategien zur Leistungssteigerung und Belege für die industrielle Anwendbarkeit. Dies positioniert die Technologie als glaubwürdigen Pfad zur Bereitstellung erneuerbaren Kohlenstoffs und zur industriellen CO2-Nutzung.

Biomass CO2 gasification offers a promising thermochemical route to convert biomass and CO2 into a CO-rich product gas, providing renewable carbon and energy. However, key challenges must be addressed for this process to be considered a robust CO2 utilization strategy: process optimization, validating CO2 conversion, and industrial integration. This thesis tackles these three central questions through targeted experiments, novel measurement methods, and process simulations:First, the thesis explores how CO2 conversion can be increased in fluidized bed biomass gasifiers. High-temperature operation (≥850 °C) is identified as a key driver, enhancing both the CO concentration in equilibrium and the kinetics of the Boudouard reaction (C + CO2 ⇌ 2CO). Experiments reveal that CO2 conversion can also be limited by solid carbon availability and gas-solid contact time. A CO2 conversion of 93 % is achieved when gasifying wood char under optimized conditions in a lab-scale fluidized bed gasifier.Second, this thesis validates the conversion of feedstock CO2 by introducing a novel assessment strategy based on carbon isotope analysis. Previous investigations used estimation methods for CO2 conversion that could not differentiate carbonaceous product gas components by the origin of their carbon: biomass or CO2. This method allows for accurate calculation of how much externally supplied CO2 is converted during the process by leveraging the distinct δ13C signatures of biomass and external CO2 sources. These findings validate CO2 gasification as a technology for CO2 conversion and help process understanding. Third, the thesis evaluates the integration of biomass CO2 gasification into an ironmaking process by process simulations. A plant design is proposed where the gasifier supplies reducing gas for ironmaking while utilizing process-emitted CO2, forming a compact CCU-loop. Techno-economic and life cycle assessments show this approach to be both cost-effective and environmentally superior to natural gas-based alternatives, achieving net-negative emissions of −83 kgCO2e/tCDRI at a levelized cost of 350 €/tCDRI – compared to 892 kgCO2e/tCDRI and 416 €/tCDRI for a conventional MIDREX process.Two supporting research avenues further advance the biomass gasification field. First, a two-step process of biomass pretreatment by torrefaction followed by biomass CO2 gasification is used to produce biochar with up to 800 m2/g surface area at similar temperatures as those for high CO2 conversion. Second, a spectroscopy-based method using a 2.3 THz quantum cascade laser is introduced for online H2O quantification in the hot, tar-laden product gas, addressing key measurement challenges. In summary, this thesis enhances the scientific and technical foundations of CO2-assisted biomass gasification. It provides new tools for measurement, strategies for performance improvement, and evidence of real-world viability, positioning the technology as a credible pathway for renewable carbon production and industrial carbon utilization.