First fuel tests at a novel 100 kWth dual fluidized bed steam gasification pilot plant

Abstract

Die Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasungstechnologie stellt eine vielversprechende Technologie dar, um Strom, Wärme und Treibstoffe aus biogenen Brennstoffen zu erzeugen. Die konventionelle Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasungsversuchanlage, die an der TU Wien errichtet wurde, zeigte eine Anzahl an Mängel. Dabei handelt es sich um eine begrenzte Brennstoffexibilität, einen geringen Kohlenstoffumsatz, einen geringen Wasserumsatz, einer begrenzten Teerreduktion im Produktgas, geringen Kaltgaswirkungsgrade, sowie eines trägen Verhaltens bei Brennstoffastwechsel. Um eine Verbesserung der Performance in diesen Bereichen zu realisieren wurde eine neuartige Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasungsversuchsanlage ausgelegt, konstruiert und im Technikum der TU Wien gebaut. Um die neue Versuchsanlage zu bewerten wurden Versuche mit unterschiedlichen Brennstoffen und Bettmaterialien bei variablen Versuchsparametern durchgeführt. Unterstützend zur Versuchsauswertung wurde das Simulationstool IPSEpro herangezogen um Messwerte zu evaluieren und relevante Kennzahlen zu berechnen. Im Versuchsteil werden Variationen des Brennstoffes (Holzpellets, Zuckerrohrbagassepellets und Oliventresterpellets), des Dampf/Brennstoffverhältnis, der Vergasungstemperatur, der Brennstoffleistung und des Bettmaterials (frisches Olivin und eine Mischung aus frischem Olivin und Kalkstein) untersucht. Zusätzlich wurde die neuartige Gegenstromkolonne des Vergasungsreaktors im Zuge eines Versuches mit Holzpellets auf Teerabbauprozesse untersucht. Um das Potential der neuen Versuchsanlage abschätzen zu können wurden die Ergebnisse vergleichbarer Versuchsläufe beider Versuchsanlagen miteinander verglichen und im Detail diskutiert. Im Zuge dieser Dissertation konnte gezeigt werden, dass die neue Versuchsanlage alle untersuchten Brennstoffe erfolgreich vergasen konnte. Sogar Oliventrester als problematischer Brennstoff konnte geringe GC-MS Teerwerte, im Bereich von Holzpellets, erreichen. Beim Vergleich beider Versuchsanlagen wurden keine relevanten Unterschiede in der Produktgaszusammensetzung, wie auch im Teergehalt des Produktgases gemessen. Ein deutlich höherer Wasserumsatz, Kohlenstoffumsatz, wie auch Kaltgaswirkungsgrad konnte bei der neuen Versuchsanlage erreicht werden. Ähnliche Kaltgaswirkungsgrade im Bereich von 61% konnten erreicht werden, obwohl die neue Versuchsanlage signifikant höhere Wärmeverluste aufweist. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Gegenstromkolonne des neuen Vergasungsreaktors den Gehalt spezieller Teerkomponenten, sogar bei geringen Vergasungstemperaturen, erfolgreich reduzieren konnte. Speziell heterozyklische und leichte aromatische Verbindungen mit funktionellen Gruppen (wie z.B. Sauerstoff oder Methan) zeigten signifikante Reduktionen. Schwere polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAH) konnten hingegen kaum gespalten werden und zeigten daher nur minimale Reduktionen.

The dual fluidized bed (DFB) steam gasification technology presents a promising technology to produce electricity, heat, and fuels out of biogenic feedstock materials. The state of the art of DFB steam gasification, as implemented in a pilot plant at the TU Wien, showed a number of shortcomings. These include an in-exibility in gasifying different feedstock materials, limited carbon and water conversion, limited tar reduction in the product gas, limited cold gas efficiencies, and slow fuel power changes. In this thesis, we describe a novel pilot plant that was designed and assembled at the TU Wien to address these shortcomings. To evaluate the novel pilot plant, we conduct ex-periments with different feedstock and bed materials at various operating parameters. To interpret the measurements and produce key figures, we use the simulation tool IPSEpro. The evaluation section discusses experiments conducted for this thesis using variations of feedstock materials (wood pellets, sugarcane bagasse pellets, and exhausted olive pomace pellets), gasification temperature, steam to fuel ratio, fuel power, and bed material (fresh olivine as well as a mixture of fresh olivine and limestone). Additionally, we examine the performance of tar reforming and tar cracking processes along the counter-current column of the novel gasification reactor. To estimate the improvements of the novel pilot plant, we provide a detailed discussion of a comparative experiment conducted on the novel and classical DFB plant. One of the main contributions of this thesis is that the novel DFB pilot plant is able to gasify all evaluated feedstock materials successfully. This includes problematic feedstock materials, such as exhausted olive pomace that results in GC-MS tar contents comparable to those of wood pellets. When comparing the two DFB pilot plants, we measure similar product gas compositions and tar contents while reaching significantly higher water conversion rates, carbon conversion rates as well as cold gas efficiencies on the novel plant. Furthermore, we measure similar overall cold gas efficiencies (up to 61%), despite signi-cantly higher heat losses at the novel DFB pilot plant in-uencing the overall cold gas efficiency negatively. Another contribution of the thesis is that we show that the counter-current column of the novel gasification reactor reforms tar species successfully at even low gasification temperatures. Mainly heterocyclic and light aromatics with functional groups (such as oxygen or methane) show significant reductions along the column. We examine heavy PAHs and show that they are very stable and show only slight reductions.