Design, construction and startup of an advanced 100 kW dual fluidized bed system for thermal gasification

Abstract

Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit ist eine Dokumentation über die Planung, Errichtung und Inbetriebnahme einer neuen Versuchsanlage mit Zweibett-Wirbelschicht- Dampfvergasung. Die Zweibett-Wirbelschicht-Dampfvergasung erlaubt eine effiziente thermo-chemische Umwandlung von fester Biomasse in Produktgas, welches zu End bzw.Nutzenergieträger weiter verarbeitet werden kann. Damit stellt sie eine potenzielle Technologie dar, welche die Einbindung von nachwachsenden Brennstoffen in die heutige Energiedienstleistungsgesellschaft ermöglicht. Im Detail handelt es sich um eine allotherme Vergasung mit Wasserdampf als Vergasungsmittel. Im Unterschied zu anderen Vergasungstechnologien ist das erzeugte Produktgas bei der allothermen Vergasung mit Dampf frei von Stickstoff und besitzt einen hohen Heizwert. Bei dieser Vergasungstechnologie wird in der einen Wirbelschicht mit Wasserdampf vergast, und die zweite wird als Verbrennungswirbelschicht betrieben. Die benötigte Wärme für die in Summe endotherme Vergasungsreaktion wird in der Verbrennungswirbelschicht erzeugt und mittels eines umlaufenden Bettmaterials der Vergasungswirbelschicht zugeführt. Systeme mit Zweibett-Wirbelschicht sind bereits kommerzialisiert und seit über einem Jahrzehnt in Betrieb. Mögliches Verbesserungspotenzial liegt in der Produktgasqualität und in der Brennstoffflexibilität. Bei der wissenschaftlichen Versuchsanlage handelt es sich um einen 100 kWth Zweibett-Wirbelschicht Vergaser, realisiert am Institut für Verfahrenstechnik der Technischen Universität Wien. Die neu vorgestellte 100 kWth Zweibett- Wirbelschicht Versuchsanlage demonstriert neuartige Entwicklungen, welche sowohl die Produktgasqualität verbessern als auch die Brennstoffflexibilität erhöhen sollen. Zudem wurde der Einsatz verschiedener Bettmaterialen bedacht, was die Forschung an neuen Umwandlungsprozessen entscheidend verbessert. Die nachfolgende Arbeit beschreibt die Entwicklungsschritte, die durchgeführte technische Umsetzung sowie erste Schritte der Inbetriebnahme. Beginnend mit dem theoretischen Hintergrund folgt eine Darstellung der bisherigen Ergebnisse und der limitierenden Faktoren. Aufbauend auf Kaltmodell-Untersuchungen wurde ein neuartiges Reaktordesign entwickelt, konstruiert und aufgebaut. Das Prinzip des neuen Systems wird vorgestellt und Reaktorteile werden im Detail dargestellt und deren Auslegung erläutert. Im Zuge des Aufbaus mussten realisierbare technische Lösung erarbeitet und umgesetzt werden. Die beschriebene umfassende Messtechnik ermöglicht einen sehr guten Einblick in die Prozessabläufe und trägt zu einem verbesserten Prozessverständnis in Zukunft bei. Erste Kaltversuche zeigen gute Ergebnisse was das Betriebsverhalten betrifft und erlauben erste Aussagen über eine verbesserte Gas-Feststoffinteraktion. In naher Zukunft sind Heißversuche mit verschiedenen Festbrennstoffen geplant.

Subject of the present work is a documentation of engineering, construction and commissioning of a new dual fluidized bed test facility. The Dual-Fluid gasification technology allows an efficient thermo-chemical conversion of solid biomass into product gas, which can be further processed to gaseous and liquid fuels. Being able to convert solid renewable feedstock, the Dual-Fluid gasification technology has the potential to integrate renewable feedstock like biomass into today-s energy serviced society. In detail, the new test plant operates as an allothermic gasification system with steam as gasfication agent. In contrast to other technologies, the product gas of an allothermic gasification system is free of nitrogen and has a high heating value. The dual fluid gasification system consists of two fluidized beds, whereas one is fluidized with steam, the gasification reactor, and the other is fluidized with air, the combustion reactor. The heat required for the endothermic gasification reaction is generated in the combustion reactor and transported to the gasification reactor by the hot circulating bed material. Systems with dual fluid technology have been in operation for several years and are commercialized. The potential for improvement lies within the product gas quality and fuel flexibility. The new test plant is a 100 kWth dual fluidized bed gasifier realized at the Institute of Chemical Engineering at the Vienna University of Technology. Novel developments which aim at improving the product gas quality and the fuel flexibility are presented. In addition, the use of different bed materials was considered, which will allow research on new conversion processes. The following thesis describes the development steps performed, as well as construction and initial start-up procedures. After the introduction and the theoretical background, recent results of current gasification research are presented and the new concept is illustrated. On the basis of cold flow model investigations a novel reactor concept was developed, designed and built. The principle of the new system is presented and reactor parts are illustrated in detail. The installation of the reactor parts is shown in detail and the design is explained. During the construction a viable technical solution was developed and implemented. The extensive measurement technology allows a very good insight and will contribute to an improved understanding of the process in the future. First cold experiments show good results concerning the performance and allow a first statement about the improved gas-solid interaction. In the near future hot test runs are planned with various solid feedstock.