Titelaufnahme

Titel
Interactions between bed material and biomass ash in dual fluid bed gasification / von Matthias Kuba
VerfasserKuba, Matthias
Begutachter / BegutachterinHofbauer, Hermann
ErschienenWien, 2016
UmfangXIV, 128, I Blätter : Illustrationen, Diagramme
HochschulschriftTechnische Universität Wien, Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Biomasse / Vergasung / Asche / Interaktion mit Bettmaterial / katalytische Aktivität
Schlagwörter (EN)Bioss / Gasification / Ash / Interaction with bed material / catalytic activity
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-93258 Persistent Identifier (URN)
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Interactions between bed material and biomass ash in dual fluid bed gasification [10.03 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Dampfvergasung von Biomasse in einer Zweibettwirbelschicht ist eine vielversprechende Technologie hinsichtlich der Substitution von fossilen Energieträgern für die Produktion von Strom, Wärme, Treibstoffen und synthetischen Chemikalien. Das Prinzip der Technologie basiert auf der Trennung von Verbrennung und Vergasung in zwei separaten Reaktoren. Bettmaterial, derzeit Olivin, zirkuliert zwischen diesen beiden Reaktoren und dient sowohl als Wärmeträger als auch als Katalysator. Interaktionen zwischen der Biomasseasche und dem Bettmaterial führen zu Schichtbildung auf der Oberfläche der Bettpartikel und wurden bereits in der Vergangenheit beobachtet. Diese Bettmaterialschichten haben unterschiedliche Auswirkungen auf den Prozess. Einerseits führt diese Anreicherung von Aschekomponenten auf der Bettmaterialoberfläche zu Agglomeration, andererseits weisen die Ca-reichen Schichten eine hohe katalytische Aktivität hinsichtlich der Reduktion von Teeren im Zweibettwirbelschichtverfahren auf. Neben Olivin wurden bisher noch keine anderen geeigneten Bettmaterialien identifiziert. Alternative Bettmaterialien könnten zu einer Reduktion der Betriebskosten führen. Ein schwermetallfreies Bettmaterial könnte beispielsweise die Entsorgungskosten der Ascherückstände senken. Darüber hinaus könnten lokal verfügbare Materialien die Wirtschaftlichkeit dezentraler Anlagen verbessern. In dieser Arbeit wurden drei zentrale Aspekte der Interaktion zwischen Biomasseasche und Bettmaterial behandelt. Der erste Aspekt war der Einfluss der Bettmaterialschichten auf die Agglomeration und das Anbackungswachstum in industriellen Zweibettwirbelschichtanlagen. Bei dem zweiten Aspekt handelte es sich um die katalytische Aktivität der Bettmaterialschichten hinsichtlich der Reduktion von Teeren. Der dritte Aspekt war die Identifikation von Schichtwachstumsmechanismen unterschiedlicher Materialien. Es konnte gezeigt werden, dass Fremdstoffe, beispielsweise Quarz, welche über den Brennstoff in das Olivinbett gelangen, zu erhöhtem Anbackungswachstum führen. Darüber hinaus konnte eine Anreicherung unerwünschter Fremdstoffe im Verbrennungsreaktor festgestellt werden. Des Weiteren konnten vielversprechende Charakteristiken hinsichtlich der thermischen Stabilität der Bettmaterialschichten beim Einsatz von K-Feldspat beobachtet werden, welcher als mögliches alternatives Bettmaterial identifiziert wurde. Es konnte ebenfalls gezeigt werden, dass Ca-reiche Schichten eine zufriedenstellende katalytische Aktivität vorweisen, unabhängig von dem ursprünglichen Bettmaterial. Daher konnte bei Vorliegen einer Ca-reichen Schicht auch für nicht-katalytische Materialien wie Quarz eine zufriedenstellende katalytische Aktivität beobachtet werden. Die Dampfreformierung unterschiedlicher Teer-Modellsubstanzen sowie die Wassergas-Shift-Reaktion wurden untersucht. Alle Experimente zeigten, dass Ca-reiche Schichten eine hohe katalytische Aktivität besitzen. Reines Kalziumoxid, welches als Benchmark-Material verwendet wurde, besaß die höchste katalytische Aktivität. Ein Mechanismus für das Schichtwachstum für Olivin wurde vorgestellt und mit dem bereits bekannten Mechanismus des Schichtwachstums für Quarz verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass das Schichtwachstum für Olivin auf einem grundsätzlich unterschiedlichen Mechanismus basiert. Eine Feststoff-Feststoff-Reaktion führt zu einer Substitution von Mg2+ und Fe2+ Ionen in der Kristallstruktur mit Ca2+ aus der Biomasseasche. Die Einlagerung von Ca2+ in die Kristallstruktur von Olivin führt zu keiner erhöhten Agglomerationstendenz durch diese Interaktion mit Biomasseasche. Ein alternatives Bettmaterial sollte also einem ähnlichen Schichtwachstumsmechanismus folgen wie Olivin. K-Feldspat wies Ähnlichkeiten zu Olivin in dessen Schichtwachstum auf. Allerdings ist noch weitere Forschung notwendig, um diese ersten Beobachtungen fundiert belegen zu können. Abschließend werden zukünftige Forschungsbereiche, welche eng mit dem Thema der Interaktion zwischen Biomasseasche und Bettmaterial verwandt sind, vorgestellt und diskutiert.

Zusammenfassung (Englisch)

A promising way to substitute fossil fuels for production of not only electricity and heat, but also fuels for transportation and synthetic chemicals is steam gasification of biogenous feedstocks in a dual fluidized bed (DFB). The principle of this technology is the separation of combustion and gasification into two reactors. Bed material, nowadays, olivine, circulates between those reactors and acts both as heat carrier and catalyst. Interactions between biomass ash and bed material leading to layer formation on the surface of bed particles have been observed in the past. It was found that layer formation can have different consequences on the process. On the one hand, enrichment of ash components on the surface of bed particles can lead to agglomeration. On the other hand, Ca-rich layers showed a high catalytic activity towards tar reduction in DFB gasification. Beside olivine no other suitable bed material for DFB gasification has been identified so far. Alternative bed materials could lead to an economical improvement of the process due to various reasons, e.g. finding an heavy-metal free bed material would lead to a reduction of deposition costs of the biomass ash. Furthermore, when installing DFB gasifiers in other regions locally available materials could be used as bed materials which would improve the economics of the operation. In this work, three major aspects of the interaction between bed materials and biomass ash have been addressed. First, the influence of bed particle layers on possible alternative materials on the tendency toward agglomeration and deposit build-up in industrial-scale DFB gasification. Second, the catalytic activity of different layered bed particles regarding the reduction of undesirable tars. And third, the identification of mechanisms underlying layer formation on different bed particles. It was found that the admixing of foreign matter from biomass feedstock (e.g. quartz) into the olivine bed leads to increased deposit build-up due to enrichment of undesired compounds in the combustion reactor. Furthermore, promising characteristics regarding the thermal stability of its layer have been observed for K-feldspar, a possible candidate for an alternative bed material. In addition, it could be proven that once a Ca-rich layer has formed, even non-catalytic materials, such as e.g. quartz, develop a satisfying catalytic activity. Steam reforming of different tar model compounds has been performed as well as the water-gas-shift reaction. All experiments showed a similar trend proving the comparably high catalytic activity of the Ca-rich layer. Pure CaO, used as benchmark material for the highest catalytic activity reachable for layered particles, showed promising catalytic properties for DFB gasification. A layer formation mechanism for olivine was proposed and compared to the already known mechanism of layer formation on quartz. It was shown, that layer formation on olivine is based on a fundamentally different mechanism, where a solid-solid reaction leads to the substitution of Mg2+ and Fe2+ ions in the crystal structure of olivine with Ca2+ from the biomass ash. Due to this incorporation of Ca2+ into the crystal structure of olivine the bed materials keeps its low tendency toward agglomeration even during layer build-up. Thus, an alternative bed material should follow a similar layer formation mechanism than that of olivine. Such similarities were found for K-feldspar, however, more detailed research is yet needed to verify these fist observations. Finally, an outlook of future research fields regarding the interaction of biomass ash and bed material is given.