Development of a novel dual fluidized bed gasification system for increased fuel flexibility

Abstract

Es besteht ein erhöhtes Interesse der Industrie an Technologien um flüssige und gasförmige Kraftstoffe aus kostengünstigen Festbrennstoffen herzustellen. Deshalb stehen Vergasungstechnologien verstärkt im Mittelpunkt der Forschung und Entwicklung. Das Prinzip der Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasung ist, als thermo-chemischer Umwandlungsprozess fester Brennstoffe, bestens geeignet um ein heizwertreiches Produktgas herzustellen. Dieses stickstofffreie Produktgas kann nach entsprechenden Gasreinigungsschritten als Ausgangsstoff für Synthesen verwendet werden. Die Nutzung oben genannter Brennstoffe setzen jedoch spezifische Anforderungen an das Design geeigneter Wirbelschichtsysteme voraus. Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich deshalb mit den wissenschaftlichen Vorarbeiten und der Dokumentation von Versuchsergebnissen, die zur Planung und zum Bau einer neuartigen 100 kW Zweibett-Wirbelschicht-Versuchsanlage zur Dampfvergasung einer breiten Palette an festen Brennstoffen geführt haben. Der erste Teil der Doktorarbeit stellt verschiedene Versuchsergebnisse mit der Vorgängergeneration einer 100 kW Versuchsanlage vor. Diese Ergebnisse und zusätzlich angeführte Erkenntnisse aus der Literatur führen zu erstrebenswerten fluiddynamischen und thermochemischen Prozessbedingungen für die Vergasung in der Wirbelschicht. Der zweite Teil der Doktorarbeit präsentiert die Idee und das Funktionsprinzip des neuen innovativen Wirbelschichtsystems. Im dritten Teil der Doktorarbeit werden Ergebnisse aus Kaltmodellversuchen vorgestellt. Es ist damit möglich die fluiddynamische Eignung des neuartigen Reaktorkonzeptes zu belegen. Im letzten Teil der Doktorarbeit werden die Planung und der Anlagenbau zu einem neuen Zweibett-Wirbelschicht-Vergaser präsentiert. Es handelt sich dabei um eine wissenschaftliche Versuchsanlage mit 100 kW Brennstoffleistung.

There is an increased interest from industry in technologies to produce liquid and gaseous fuels by using solid low-cost feedstock. This has led to extensive research activities focused on gasification technologies. To convert various solid fuels into a valuable gas with high energy content, dual fluidized bed gasification technology is an outstanding possibility. The gained nitrogen-free product gas can be cleaned and utilized in specific synthesis steps. However, alternative solid fuels create challenging requirements for dual fluidized bed plants. The present thesis is the documentation of preliminary work into the engineering and construction of a novel 100 kW dual fluidized bed test facility, which is suitable for the gasification of a wide range of alternative fuels. Therefore, in the first part of this doctoral thesis experimental results with an old generation of a 100 kW dual fluidized bed gasifier are presented. The results and additional information from literature lead to meaningful fluid-dynamical and thermochemical statements, to enhance the steam gasification process in fluidized beds. The second part of this doctoral thesis presents an innovative idea for a novel dual fluidized bed reactor system. The third part of this doctoral thesis deals with the topic of cold-flow model investigations. It was possible to show the fluid dynamic feasibility of the new concept. In the last part of this doctoral thesis the engineering and construction of a novel dual fluidized bed steam gasifier with 100 kW fuel power is presented. The plant was built as a scientific test facility.