Determination of the chemical activity of components on ash layered bed materials

Abstract

With the increasing energy consumption of a growing population, more and more efficient and sustainable efforts are demanded to cover the global energy demand. In particular, the man-induced global warming of the climate poses a rising challenge to humankind. Thus, technologies that rely on the utilization of biomass are gaining importance. The gasification of biomass plays a central role alongside to combustion. The gasification of biomass offers a product with a variety of applications such as the synthesis of chemical compounds and, fuels as well as the generation of thermal and electric power. Nevertheless, the formation of tars in the context of biomass gasification is a serious drawback resulting in their costly removal from the product gas and the equipment. Further, the ash melting behavior poses serious challenges to biomass gasification, whose solution cannot yet be fully clarified. The worst-case scenario of the ash melting behavior involves the risk of an ultimate failure followed by the shut-down of the gasification operation. The properties of the applied bed material within the gasifier have a major influence on the process. Bed materials accumulate ash layers which demonstrate increasing catalytically active properties during the gasification as the operating time progresses. These subsequently improve the product gas quality. Both potential bed materials, olivine and, K-feldspar were applied during a gasification/combustion process with woody biomasses and chicken manure. Layered and nonlayered fresh bed materials were analyzed with the focus on their chemical composition, structure and activity. Notably, the investigation of the surface with Raman and FTIR spectroscopy suggests calcium oxide with particularly dominant occurrences. Further measurements under a controlled atmosphere of temperatures up to 500 C were used to obtain further information on chemical activity in the context of the water-gas-shift reaction. Similarly, isolated metal oxides of the accumulated ash layer were investigated for activesites. Some model led compounds revealed an activity. This,subsequently,indicates an activity of the examined bed materials.

Mit dem stetig steigenden Energiebedarf einer wachsenden Bevölkerung sind immer effizientere und nachhaltige Maßnahmen zur Energiegewinnung gefragt. Besonders in Hinblick auf die Herausforderung, eine durch fossile Brennstoffe induzierte globale Erwärmung des Klimas zu begrenzen, gewinnen jene Technologien an Bedeutung, die auf der Umsetzung von Biomasse basieren. Dabei nimmt die Vergasung von Biomasse neben der Verbrennung ebenfalls eine bedeutende Rolle ein. Die Vergasung von Biomasse bietet ein Produkt mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise kommt das Produktgas bei der Synthese von Chemikalien und Treibstoffen sowie bei der Erzeugung von thermischer und elektrischer Energie zum Einsatz. Nachteilig auf die Qualität des ProduktgaseswirkensichimRahmenderBiomassevergasungentstehendeTeerediekostenintensiv kompensiert werden muss. Weiters birgt das Ascheschmelzverhalten eine ernst zu nehmende Herausforderung der Biomassevergasung, deren Lösung noch nicht vollständig geklärt ist und im schlimmsten Fall zum Erliegen des Vergasungsbetriebes führen kann. Von zentraler Bedeutung bei einem Vergasungsprozess sind die Eigenschaften des eingesetzten Bettmaterials. Diese akkumulieren mit fortschreitendem Verlauf der Einsatzzeit Aschekomponenten, die sich in weiterer Folge zu Ascheschichten auf der Oberfläche der Partikel ausbilden, welche katalytisch aktive Eigenschaften in der Vergasung aufweisen. Diese begünstigen in weiterer Folge die Produktgasqualität. Die beiden potentiellen Bettmaterialien Olivin als auch K-Feldspat wurden ungenutzt sowie nach ihrer Anwendung als Bettmaterial mit holzartiger Biomasse und Hühnermist mit spektroskopischen Analysemethoden auf ihre chemische Zusammensetzung, Struktur und Aktivität untersucht. Insbesondere die Untersuchung der Oberfläche mit Hilfe der Raman- und FT-IR Spektroskopie lässt auf Calziumoxid mit besonders dominanten Vorkommen schließen. Weitere Messungen unter einer kontrollierten Atmosphäre bei Temperaturenbiszu500CwurdeneingesetztmitdemZielweitereInformationenchemischer Aktivität im Rahmen der Wasser-Gas-Shift Reaktion zu erlangen. Ebenso wurden einzelne Metalloxide der akkumulierten Ascheschicht auf aktive Zentren untersucht. Teilweise konnte eine Aktivität dieser festgestellt werden. Dies weist in weiterer Folge auf eine Aktivität der untersuchten Bettmaterialien hin.