Untersuchungen zur thermochemischen Vergasung von biogenen Rohstoffen mit niedrigem Ascheschmelzpunkt im Schwebefestbett-Vergaser

Abstract

Reststoffe aus Land- und Forstwirtschaft haben ein hohes stoffliches und grundsätzlich auch wirtschaftliches Potential, um als Sekundärrohstoffe in der Energiewirtschaft genutzt zu werden. Durch den häufig hohen Kaliumgehalt und den daraus resultierenden niedrigen Ascheschmelzpunkt ist der Einsatz in thermo-chemischen Verfahren mit den derzeitigen technischen Möglichkeiten aber nur bedingt möglich bzw. werden wirtschaftliche Vorteile im Beschaffungspreis durch höhere Kosten für Aufbereitung bzw. technische Maßnahmen an der Verwertungsanlage wieder relativiert. Kaliumhaltige Rohstoffe weisen aber in der thermochemischen Vergasung katalytische Eigenschaften auf, vor allem bei der Boudouard-Reaktion. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird durch Kalium erhöht bzw. wird das Reaktionsgleichgewicht auch bei niedrigeren Temperauren in Richtung CO verschoben. Die thermochemische Vergasung im Schwebefestbettreaktor bietet ein gewisses Potential zur Nutzung dieser katalytischen Eigenschaften des Kaliums indem durch technische Maßnahmen die Maximaltemperatur im Reaktor gesenkt wird und so der Temperaturbereich, in dem es zu Verschlackungen kommen kann, umgangen wird. Die Untersuchungen in der vorliegenden Arbeit beschäftigen sich einerseits mit einer Quantifizierung des katalytischen Effekts unterschiedlicher potentieller Rohstoffe und deren Kaliumgehalte, als auch mit der Auswirkung selbiger bei der Vergasung im Schwebefestbettreaktor mit Hilfe des eigens erstellten Simulationstools SBR-Sim 3.0. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit der Boudouard-Reaktion bis zu einem gewissen Ausmaß positive Effekte auf die Produktgasqualität im SBR-Verfahren zu erwarten sind. Die untersuchten Maßnahmen zur Senkung der Maximaltemperatur im Reaktor sind im Modell allesamt geeignet, jedoch mit unterschiedlichem Potential und mit unterschiedlichen Einbußen in der Produktgasqualität. Für die weiteren Entwicklungsarbeiten kann eine Kombination aus den untersuchten Maßnahmen empfohlen werden. Das Simulationstool SBR-Sim 3.0 kann dabei unterstützend wirken, wobei für die weiteren Entwicklungsschritte ein Modellabgleich mit realen Versuchsdaten unerlässlich ist. Die nächsten Schritte werden daher sein die Technikumsanlage mit entsprechenden Einbauten zu versehen, um die in dieser Arbeit dargestellten Versuche zur Senkung der Reaktionstemperatur nachstellen und die so generierten Versuchsdaten mit den Modelldaten abzugleichen und gegebenenfalls das Modell weiterzuentwickeln. Eine Niedertemperaturvergasung mittels Schwebefestbettvergasung scheint aus technischer Sicht möglich, letzten Endes wird es aber eine wirtschaftliche Entscheidung sein, die für jeden Rohstoff separat zu treffen ist.

Residues from agriculture and forestry show due to low costs a high potential in their use as an alternative feedstock for thermochemical power plants. Nevertheless, those feedstocks often show a high content of potassium salts, which are responsible for lowering the ash melting point. Therefore, an energetic utilization in state-of-the-art gasification units is limited by technical or economic reasons. On the other hand, potassium salts show catalytic effects on the Boudouard-reaction, one of the main reactions in thermochemical gasification. Therefore the reaction rate is enhanced at least at lower temperatures. The thermochemical gasification by means of the floating fixed bed gasification system shows a potential to use this catalytic effect. Due to the staged process setup, a control of the gasification temperature could be realized. With the lowering of the maximum temperature in the reactor, sintering and melting effects can be avoided. Beside literature review, the investigations in the presented work aim to quantify the catalytic effects of the potassium content of different feedstocks by means of laboratory analyses and the consequences on the product gas quality by modelling the floating fixed bed reduction reactor in the ASPEN-Plus®-based simulation tool SBR-Sim 3.0, which was developed in the context of this work. The laboratory results show that potassium salts will raise the reaction rate of the Boudouard-reaction; the amount depends on the temperature, on the type of potassium salt as well as on the amount of silicon in the feedstock. By changing the kinetic data of the Boudouard-reaction in the simulation model, the influence of the enhanced reaction rate on the product gas quality and the temperature profile was quantified. The main result is that an increase of the reaction rate up to a factor of 2 will influence the product gas quality positively due to an increase in the CO content and the carbon conversion rate. But on the other hand, the enforced endothermal Boudouard reaction cools the process and the product gas quality is lowered due to a higher output of CO2 at decreased temperatures. Furthermore, three possible measures for lowering the maximum temperature in the reactor have been simulated: splitting the gasification air in several injection nozzles, substitution of a part of the gasification air with exhaust gas of the gas engine and water injection in the air inlet. In general, all investigated methods are suitable to lower the temperature but with losses in product gas quality and cold gas efficiency. A combination of the measures is recommended to minimize the losses. Further developments will concentrate on the modification of the pilot plant by installing additional air injection nozzles and air/exhaust gas mixing devices to examine the simulated tests. The simulation data can be transferred to the pilot plant only under consideration that the geometric distribution of an air injection into the floating fixed bed shows completely different behavior than in the model. Additional measures to avoid hot spots have to be developed. With the generated test data, the simulation model has to be evaluated and, if necessary, re-fitted.