Surface morphology and catalyst characterization of bed material in dual fluidized bed biomass gasification

Abstract

Die Dampf-Vergasung von Biomasse liefert ein vergleichbar hochkalorisches Gas aus regenerativen Energiequellen. Das erzeugte Produktgas kann sowohl zur Stromund Wärmeerzeugung als auch für die Herstellung wertvoller Treibstoffe und Chemikalien verwendet werden. Indessen stellt die Vergasung insbesondere von nicht-holzbasierter Biomasse den Prozess vor Herausforderungen. Teere im Produktgas sind besonders problematisch zumal diese in Wärmetauscherrohren kondensieren und ein Blockieren der Leitungen verursachen können. Die Gasreinigung stellt einen signifikanten Teil der Betriebskosten dar, da eingesetzte biogene Waschflüussigkeit nicht regeneriert werden kann und im Prozess verbrannt wird. Die Bettmaterialkörner, die in einem Wirbelschichtreaktor für Wärmeübertragung und Durchmischung verantwortlich sind, bauen während dem Betrieb Ascheschichten auf. Diese gebildeten Ascheschichten sind vorteilhaft für die Produktgasqualtität, die Teeranteile verringern und erwünschte Wasserstoffkonzentrationen erhöhen. Die Zusammensetzung dieser Ascheschicht ist abhängig von dem eingesetzten Brennstoff und ihre Dicke korreliert mit der Verweilzeit im Reaktor. Olivin und Feldspat Bettmaterialien wurden vor und nach einem Umsatz, mit Brennstoffmischungen aus Rinde und Hühnermist, im Wirbelschichtreaktor untersucht. Die Oberfläche der Körner wurde per BET Methode vermessen und zeigt eine vergrößerte Oberlfäche der Körner mit Ascheschicht. Die elementare Zusammensetzung wurde sowohl mittels oberflächensensitiven als auch partikeldurchdringenden Verfahren analysiert wobei Hinweise auf hohe Calciumkonzentrationen in der Ascheschicht gefunden wurden. Weitere eingesetzte Methoden liefern Informationen über die chemische Natur der vorkommenden Elemente, dabei deuten die Ergebnisse darauf hin, dass Calciumoxid als häufigste Verbindung in der Ascheschicht vorliegt. Beobachtete Adsorptionen von Molekülen an der Oberfläche einer Modellsubstanz und einem benutzten Bettmaterial offenbaren erste Hinweise auf die aktiven Zentren auf der Ascheschicht und den Mechanismus der Wasser-Gas-Shift Reaktion.

Gasification of biomass provides a gas with comparably high calorific value out of renewable energy sources. The product gas can be used to produceelectricity, heat or can be further processed into industrial chemicals. However, a variety of challenges are faced in particular by gasification of non-wood biomass. Most notably, undesired tars in the product gas may cause clogging and fouling of the heat exchanger pipes are currently washed out by solvent scrubbers. The employed biogenic scrubber liquid is burnt after utilization and thus increases signi cantly operative costs. Bed material grains in uidized bed reactors are responsible for heat transfer and dispersion of incoming fuel. These were found to collect ash, forming layers during gasi cation. The formed ash layer then improves the product gas quality in terms of lower tar contents and higher concentrations of desired hydrogen gas. The ash layer composition depends on the employed fuel and its thickness primarily on the reactor residence time of the grains. Olivine and Feldspar bed materials were studied before and after gasi cation processes with logging residues and chicken manure. The surface area of the grains assessed with the BET method was found to be increased after gasi cation. The elemental composition was measured by both bulk and surface sensitive methods indicating high calcium contents in the ash layer. Employed phase analysis measurements further oer indications about the chemical nature and suggest calcium oxide prevails as one of the main components in the ash layer. The adsorption of probe molecules on pure calcium oxide and ash layered Olivine disclose insights on the nature of catalytically active sites on the ash layer surface, providing first conclusions on the mechanism of the Water-Gas-Shift reaction.