Heißgasreinigung von Produktgas aus der Biomasse-Dampfvergasung : Erprobung der Teerreduktion durch katalytisch aktive Filterkerzen und einen Reformer unter realen Bedingungen

Abstract

Die Dampfvergasung von Biomasse ist eine interessante Technologie, die effektiv die Erzeugung von Strom und Wärme sowie von Synthesegas zur Gewinnung von flüssigen und gasförmigen Energieträgern ermöglicht. Die Produktgasreinigung stellt einen notwendigen Bestandteil jeder Vergasungsanlage vor der Verwendung des Gases in nachgeschalteten Gasmotoren oder Synthesereaktoren dar. Bei der bestehenden Produktgasreinigung der Demonstrationsanlage in Güssing aber auch bei anderen Biomasse-Dampfvergasungsanlagen wird das Gas nach der Abkühlung über die Precoatfilter entstaubt und anschließend mit Hilfe eines Lösungsmittelwäschers von Teer und Wasser befreit. Im Gegensatz dazu behandelt diese Arbeit zwei Wege der Heißgasreinigung direkt im oder gleich nach dem Vergasungsreaktor. Zum einen wurden Versuche durchgeführt, bei denen mit Hilfe von katalytisch aktiven Keramikfilterkerzen das Produktgas bereits im Freeboard des Vergasungsreaktors von Staub und Teer befreit werden sollte. Die getesteten Filterkerzen bestanden aus SiC- oder Al2O3- Keramiken und einem integrierten Katalysator. Mit einer Filterkerze konnte eine durchgehende Filtration mit regelmäßiger Abreinigung von über 26 Stunden erreicht werden. Dabei wurden die festen Verunreinigungen wie Staub und Flugkoks praktisch vollständig entfernt und der Gehalt an GC/MS-Teeren bzw. an gravimetrischen Teeren um 94 % bzw. 97 % reduziert. Auch wenn die Stabilität der eingesetzten Filterkerzen für einen Dauerbetrieb noch deutlich verbessert werden muss, zeigten diese Versuche, dass es möglich ist, das Produktgas noch im Vergaser von Staub und Teer zu befreien. Zum anderen wurden Versuche zur katalytischen Teerspaltung mit Hilfe eines an den Vergasungsreaktor angeschlossenen Reformers durchgeführt. Im Rahmen von mehreren Versuchsserien wurde der Betrieb des Reformers mit nicht-katalytisch aktiven und mit katalytisch aktiven Keramikwaben erprobt. Es wurde weiters der Einfluss der Gaseintrittstemperatur (variiert durch Teilverbrennung mit Luft) auf die Teerkonversion untersucht. Neben der Veränderung der Teerkonversion mit zunehmender Betriebsdauer der Katalysatoren wurde auch der Einfluss des Produktgasvolumenstromes untersucht. So konnten bei Temperaturen von etwa 790 °C im Betrieb ohne Teilverbrennung Teerreduktionen von bis zu 86 % und im Betrieb mit Teilverbrennung von bis zu 95 % erzielt werden. Die Versuche zeigten, dass es durchaus möglich ist einen Reformer mit staubbeladenem Produktgas direkt aus dem Vergaser zu betreiben und so, mit dem im Produktgas befindlichen Wasserdampf, kondensierbare Kohlenwasserstoffe katalytisch zu reformieren.

Steam gasification of biomass is an interesting technology that effectively enables the generation of electricity and heat as well as synthesis gas for the production of liquid and gaseous fuels. Product gas cleaning is a necessary part of any gasification plant prior the use of the gas in downstream gas engines or synthesis reactors. Within the existing product gas cleaning units at the demonstration plant in Güssing as well as at other biomass steam gasification plants the gas is dusted through the precoat filter after cooling and then tars and water are removed by using a scrubber. In contrast this thesis discusses two ways of hot gas cleaning directly in or immediately after the gasification reactor. On the one hand, attempts have been carried out, in which tars and dust should be removed from the product gas by using catalytically active ceramic filter candles, which were placed in the freeboard of the gasification reactor. The tested filter candles were made of SiC or Al2O3 ceramics, which were equipped with a catalyst. With one of the filter candles, a continuous filtration with regular back-pulsing could be achieved for about 26 hours. Solid impurities such as dust and fly char were practically complete removed and the contents of GC/MS tars and gravimetric tars were reduced by 94 % respectively by 97 %. Although the stability of the used filter candles for continuous operation needs to be significantly improved, these experiments showed that it is possible to separate the product gas from dust and tars already in the gasification reactor. On the other hand tests for catalytic tar decomposition were carried out by using a reformer connected downstream to the gasification reactor. Within several series of experiments the reformer was operated with non-catalytically active as well as with catalytically active ceramic honeycombs. The influence of the gas inlet temperature (varied by partial combustion with air) on the tar conversion was further investigated. In addition to the changes of tar conversion with increasing operating time of the catalysts, the influence of the product gas flow rate was examined. During operation without partial combustion at temperatures of about 790 °C tar reduction of up to 86 % and during partial combustion of up to 95 % could be achieved. The experiments showed that it is possible to operate a reformer with dust-laden product gas directly from the gasifier and so, condensable hydrocarbons can be catalytically reformed by the steam contained already in the product gas.