Optimierung eines Produktgaswäschers bei der Biomassedampfvergasung im Zweibettwirbelschichtverfahren

Abstract

Bei der Zweibettwirbelschichtvergasung (DFB) von Biomasse mit Dampf wird Wärme, Strom und wasserstoffreiches Produktgas erzeugt. Als unerwünschtes Nebenprodukt fällt Teer an, der die Anlage schädigen kann. Er muss entfernt werden. Im Biomasseheizkraftwerk Oberwart wird dazu Biodiesel (RME) in einem Wäscher eingesetzt. Das anfallende RME-Wasser-Gemisch muss sich klar trennen, um die wässrige Phase, das Kondensat, zur Fluidisierung verdampfen zu können. In der vorliegenden Arbeit wird eine Biodiesel-in-Wasser Emulsion charakterisiert. Darüber hinaus wird der Einfluss von Stör- und Hilfsstoffen, Alter und Sorte des Biodiesels diskutiert. Trennverfahren für Emulsionen werden verglichen. Mit Hilfe eines einfachen Modells, das aus Versuchen an realem Produktgas erstellt wurde, wird ein optimierter Betrieb des Wäschers in Oberwart vorgeschlagen. In Trennversuchen zeigte sich, dass 1,0 g L−1 Ammoniumcarbonat in der wässrigen Phase die Emulsionsbildung fördert, während 0,1 g L−1 Phenol oder 1,0 g L−1 Antioxidationsmittel (BHT) nicht stören. 200 ppm des Tensids SPAN 65 in RME verhinderten jedoch das Emulgieren in Ammoniumcarbonatlösung. Als Waschflüssigkeiten wurden Shellsol D100, Heizöl EL, und verschiedene Biodiesel aus Rapsöl, Palmöl, Sonnenblumenöl, Sojaöl und Altspeiseöl untersucht. Kommerziell erhältliche Biodiesel aus Rapsöl oder Palmöl trennten sich am schnellsten von der wässrigen Phase. Die Trennung von Emulsionen mittels Zentrifuge, Füllkörpern, Packungen und Koaleszer wurde untersucht. Ein Koaleszer wäre die am leichtesten umsetzbare Möglichkeit, sofern die Standzeit des Vorfilters ausreichend ist. Ein einfaches Modell zur Bestimmung des Abscheidegrads wurde mittels mehrtägiger Anreicherungsversuche mit realem Produktgas entwickelt. Es wurde an Teermessungen aus Oberwart für Naphthalin, 1H-Inden und Styrol validiert. Es liefert für Naphthalin und 1H-Inden, sowie mit einem größeren Fehler für Styrol, gute Übereinstimmungen. Schließlich wird eine optimierte Zudosierung von frischem RME vorgeschlagen. Dadurch ließen sich rund 35 % der RME-Kosten pro Jahr einsparen. Würde zusätzlich Tensid zum Verhindern von Emulsionen eingesetzt, könnte immer noch ein Drittel der RME-Kosten pro Jahr eingespart werden.

Dual fluidised bed steam gasification of biomass is used to generate heat, electricity and a product gas that is rich in hydrogen. Tar is an undesired by-product of gasification as it may damage the facility. In order to remove tar, the combined heat and power plant of Oberwart uses a biodiesel (RME) scrubber. The mixture of RME and condensate obtained in the scrubber must separate quickly and clearly in order to reuse the condensate for the generation of steam. In this work, a biodiesel-in-water emulsion is characterised. There is a discussion of how impurities and additives as well as various kinds of biodiesel feedstock and their respective age may influence separation performance of the emulsion. Separation processes for emulsions are compared to each other. A simple model derived from experiments with real product gas is the basis of a proposal for an optimised RME consumption of the scrubber at Oberwart. Separation experiments revealed that an aqueous solution of 1.0 g L−1 ammonium carbonate enhanced the emulsification of biodiesel, whereas 0.1 g L−1 phenol or 1.0 g L−1 antioxidant (BHT) did not slow down the separation of biodiesel and aqueous phase. Applying 200 ppm of surfactant SPAN 65 suppressed the emulsification of RME in a solution of 1.0 g L−1 ammonium carbonate. The separation behaviour of Shellsol D100, domestic heating oil and various biodiesels (from rapeseed oil, palm oil, sunflower oil, soybean oil and used cooking oil), was compared. RME and PME commercially available showed the best results. Moreover, the suitability of centrifuges, packings or coalescers for separating biodiesel-in-water emulsions was evaluated. If the lifetime of its prefilter is sufficient, a coalescer may be the easiest option. A simple model describing the efficiency of tar removal was the result of long-term accumulation experiments with real product gas. It was validated against tar measurements from Oberwart, showing a high degree of agreement for naphthalene, 1H-indene and, to a lesser degree, for styrene. An optimum scheme of dosing fresh RME to the scrubber at Oberwart (as proposed) might lead to a cut of RME cost by 35 %. Even if a surfactant were used in addition, savings would still amount to a third of RME cost.