Datenaufbereitung und Visualisierung der Inbetriebnahme einer 1MW Vergasungsanlage

Abstract

Der Klimawandel ist bereits jetzt merklich spürbar. Einen möglichen Beitrag zur Bekämpfung des Klimawandels könnte die Biomassevergasung sein. Dabei wird Biomasse mit Wasserdampf oder Luft vergast. Das dabei entstehende Gas besteht hauptsächlich aus H2, CO, CO2 und CH4.Dieses Produkt- oder Synthesegas kann beispielsweise verwendet werden um Kohlenwasserstoffe mittels der Fischer-Tropsch Synthese herzustellen. Zur Vergasung von Biomasse gibt es verschiedenste Reaktortechnologien. Eine dieser Technologien ist der Zweibettwirbelschichtvergaser.An der Technischen Universität Wien wurde eine erweiterte Variante von diesem Vergasungsreaktor entwickelt. Aufgrund der Erfahrung wurde eine größere 1MW Versuchsanlage in der Simmeringer Haide gebaut.Während der Inbetriebnahme wurde kontinuierlich die Gaszusammensetzung des Produkt- und Abgases mit einem MRU-Messgerät gemessen. Ebenso wurden lokal Gas- und Teerproben gezogen,welche anschließend im Labor analysiert wurden. Zum Aufarbeiten, Auswerten und Visualisieren der gemessenen Daten wurde ein Matlab-Skript geschrieben. Mit dem Skript kann ein Zeitbereich, welcher von Interesse ist, ausgewählt werden. Wenn in diesem Zeitbereich kleinere Bereiche sind, welche nicht betrachtet werden sollen, können diese ausgewählt werden. In den danach erzeugten Plots werden diese kleineren Bereiche rot-transparent markiert. Neben den Plots werden auch Mittelwerte und die entsprechenden Standardabweichungen der ausgewählten Bereiche gebildet. Mittelwerte werden von der Temperatur im Vergasungsreaktor,Verbrennungsreaktor, der Gaszusammensetzung im Produkt- und Abgas und dem Druck im Vergasungsreaktor gebildet. Diese Werte können für die anschließenden IPSEpro-Simulationen verwendet werden.Während der Inbetriebnahme der Anlage gab es einige Probleme. Dazu gehörte das MRU Messgerät bei welchem die Dichtung gequollen ist und somit undicht und defekt wurde. Ebenso kalibrierte sich das Gerät während des Betriebs, wodurch die Messwerte in diesen Bereichen falsch waren. Solche nicht gewünschten Bereiche konnten bei der anschließenden Auswertung mit dem Matlab-Skript entfernt werden. Es wurden insgesamt 12 verschiedene Zeitbereiche betrachtet und ausgewertet. Zu Beobachten in diesen Zeitbereichen war, dass die Temperatur im oberen Vergasungsreaktor einen hohen Einfluss auf die Gaszusammensetzung des Produktgases hat. Bei eher tiefen Temperaturen, etwa 850 C, sind höhere Wasserstoffkonzentrationen von bis zu 38% im Produktgas zu messen, was sich mit dem Gleichgewicht der Wassergas-Shift-Reaktion erklären lässt. Daraus könnte geschlossen werden, dass die Reaktion gleichgewichts limitiert ist. Es war jedoch zu beobachten, dass bei höheren Temperaturen von bis zu950 C, ebenfalls höhere Wasserstoffkonzentrationen von etwa 34% im Produktgas zu messen sind. Erklärt werden kann dies aufgrund der Spaltung der im Produktgas enthaltenen Teere.Neben der Temperatur wurde ebenfalls noch überprüft, wie und ob die Brennstoffqualität einen Einfluss auf die Produktgaszusammensetzung hat. Zwischen den hoch- und minderwertigen Brennstoffen wurde kein Unterschied festgestellt. Durch die Zugabe von Kalk konnte der H2-Gehalt im Produktgas erhöht werden. Neben der Temperatur hat auch der Druck im Vergasungsreaktor einen Einfluss auf die Gaszusammensetzung des Produktgases. Zu erkennen war, dass bei höheren Drücken die CH4-Konzentration höher ist als bei niedrigeren. Es wurde ebenfalls die Abgaszusammensetzung ausgewertet. Dabei ist aufgefallen, dass die Temperatur des Verbrennungsreaktors einen Einfluss auf die Abgaszusammensetzung hat, je höher dieTemperatur, desto weniger NO2 wird im Abgas gemessen. Als weitere Versuche auf der Anlage wird vorgeschlagen alternative Brennstoffe zu vergasen. Dazu gehören Kunststoffabfälle, aber auch Klärschlamm. Ebenso wäre der Betrieb mit nachgeschalteter Fischer-Tropsch Anlage interessant.Die Temperatur für eine optimale Gaszusammensetzung für diese Reaktion liegt bei855 C. Neben neuer Versuche sollten ebenfalls die vorhin beschriebenen Probleme behoben werden, vor allem bei der MRU Gasmessung.

Climate change is already noticeable. Biomass gasification could make a possible contributionto combating climate change. In this process, biomass is gasified with water vapor or air. The resulting gas consists mainly of H2, CO, CO2 and CH4. This product or synthesis gas can be used, for example, to generate electricity in a gas engine, or to produce hydrocarbons by Fischer-Tropsch synthesis. A wide variety of reactor technologies are available for the gasification of biomass. One of these technologies is the dual-bed fluidized bed gasifier. An extended version of this gasification reactor was developed at the TUW. Based on the experience, alarger 1MW demonstration plant was built in Simmeringer Haide. During commissioning the gas composition of the product and flue gas was continously measured with an MRU gas analyzer.Gas and tar samples were also taken locally and subsequently analyzed in the laboratory.A Matlab script was written to process, evaluate and visualize the measured data. With the script a time range, which is of interest, can be selected. If there are smaller areas in this time range, which should not be considered, these can also be selected. In the plots generated afterwards, these smaller areas are marked red-transparent. In addition to the plots, mean values,and the corresponding standard deviations of the selected areas are also calculated. Mean values are formed from the temperature in the gasification reactor, combustion reactor, gascomposition in the product and exhaust gas, and pressure in the gasification reactor. The sevalues can be used for the subsequent IPSEpro simulations.During the commissioning of the plant, there were some problems. These included the MRUgas analyzer in which the gasket swelled, causing it to leak and become defective. Also, the instrument calibrated itself during operation, causing the readings in these areas to be incorrect.Such unwanted areas could be removed during the subsequent evaluation with the Matlab script.A total of 12 different time ranges were considered and evaluated. It was observed in these time ranges that the temperature in the upper gasification reactor has a high influence on the gas composition of the product gas. At rather low temperatures, about 850 C, higher hydrogen concentrations of up to 38% are measured in the product gas, which can be explained by the equilibrium of the water gas shift reaction. From this it could be concluded that thereaction is equilibrium limited. However, it was observed that at higher temperatures of up to 950 C, also higher hydrogen concentrations of about 34% are measured in the product gas.This can be explained on the basis of the splitting of the tars contained in the product gas. In addition to the temperature, it was also checked how and whether the fuel quality has an influence on the product gas composition. No difference was found between the high-grade and low-grade fuels. The influence of the addition of limestone was also checked, and it was found that the addition of limestone increased the H2 content in the product gas. In addition to temperature, the pressure in the gasification reactor also has an effect on the gas composition of the product gas. It could be seen that at higher pressures the CH4 concentration is higher than at lower pressures. The exhaust gas composition was also evaluated. It was noticed that the temperature of the combustion reactor has an influence on the exhaust gas composition,the higher the temperature the less NO2 is measured in the exhaust gas.As further experiments on the plant it is proposed to gasify alternative fuels. These include plastic waste but also sewage sludge. Also the operation with downstream Fischer-Tropschplant would be interesting. The Temperature for optimal gas composition would be 855 C. In addition to new experiments, the problems described above should also be solved, especially in the MRU gas measurement.