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Title
Ash chemistry characterization after DFB steam gasification of waste feedstock mixtures using quartz, olivine & lime bed materials / by Thomas Karl Hannl
AuthorHannl, Thomas Karl
CensorHofbauer, Hermann ; Wagner, Katharina
PublishedWien, 2018
Description107 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institutional NoteTechnische Universität Wien, Diplomarbeit, 2018
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
LanguageEnglish
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)Brennstoff / Phosphorgehalt / thermische Konvesion / Wirbelschicht / Asche
Keywords (EN)Fuel / phophorus / thermacl conversion / fluidizied bed / ash
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-108365 Persistent Identifier (URN)
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Ash chemistry characterization after DFB steam gasification of waste feedstock mixtures using quartz, olivine & lime bed materials [17.73 mb]
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Abstract (German)

Im Bezug auf die Notwendigkeit fossile Brennstoffe als primäre Energiequelle zu ersetzen haben die Wirbelschichtverbrennung und -vergasung von biogenen und anthropogenen Abfallbrennstoffen das Potential eine wichtige Rolle zu spielen. Die Technologie ist fokussiert auf hohe thermische Leistungen (Verbrennung) und maximale Produktgasausbeute (Vergasung). Für das Bettmaterial in Wirbelschichtsystemen, welches hauptsächlich für den Wärmetransport und wegen katalytischer Effekte verwendet wird, wurden Interaktionsmechanismen mit der Asche des Brennstoffes festgestellt. Die entdeckten Phänomene reichen von vorteilhaften, weil katalytisch wirksamen, Schichtbildungen hin zu unvorteilhaften Agglomerations- und Defluidisierungsprozessen. Die Schichtbildungs- und Agglomerationsprozesse waren dabei im Wesentlichen von der Aschezusammensetzung und dem Bettmaterial abhängig. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung dieser Schichtbildungs- und Agglomerationsprozesse während der Zweitbett-Wirbelschichtvergasung mit Dampf. Außerdem wurde ein Wirbelschichtverbrennungsreaktor im Labormaßstab in Bezug auf die Anwendbarkeit als Teststand für die Analyse von Wechselwirkungen zwischen Bettmaterial und Asche untersucht. Die untersuchten Brennstoffe sind großteils dem anthropogenen Müll und Reststoffen aus der Agrarindustrie zuzuordnen. Das sind Hausmüllfraktion, Schredder-Leichtfraktion, Zuckerrohrbagasse, Olivenpressrückstände, Reisschalen und Haselnussschalen. Für den Blindlauf und das Anfahren im Reaktor wurde Weichholz verwendet. Für Brennstoffmischungen wurde deutsche Braunkohle verwendet. Für die Anwendbarkeitsstudie des Wirbelschichtverbrennungsreaktors im Labormaßstab wurde Nadelholzrinde als Brennstoff verwendet. Die verwendeten Bettmaterialien in der Zweitbett-Wirbelschichtvergasung umfassten zwei unterschiedlichen Typen von Kalk (KSW \& KS01), eine Grob- und eine Feinfraktion an Olivin, und Quarzsand. Die Mehrheit der Experimente verwendete Mischungen von Kalk mit entweder Quarz oder Olivin. Für die Anwendbarkeitsstudie des Wirbelschichtverbrennungsreaktors im Labormaßstab wurde Kaliumfeldspat verwendet. Der Reaktor erwies sich als nützliches Instrument für die Untersuchung von Schichtbildung und Agglomerationsprozessen. Zusätzlich müssen jedoch die Brennstoffzufuhr sowie die Abgasreinigung adaptiert werden. Analysen via SEM und EDS der verschiedenen Bettmaterialproben wurden durchgeführt. Die Analyse mittels Linienprofilen und Elementmappings detektierte Phänomene, welche bereits in der einschlägigen Literatur beschrieben wurden. Außerdem wurden Indikatoren für neue Phänomene entdeckt, welche durch angepasste Experimente genauer untersucht werden müssen. Schichtbildung und Agglomeration von Quarz und Olivin wurden analysiert und verglichen. Die Zusammensetzung der Schichten ebenso wie die Absenz von Alkalielementen in oberflächennahen Schichten am Olivin deckt sich mit der einschlägigen Literatur. Dominanz von Si, Ca, und K in Quarzpartikelschichten sowie Si, Ca, und Mg in Olivinpartikelschichten wurde gemessen und quantifiziert. Der Einfluss von chemischen Kreislaufprozessen auf Schichtbildung und Schichtstabilität wurde nur unzureichend detektiert. Agglomerationsmechanismen während der Zweibett-Wirbelschichtvergasung wurden für Quarz und Olivin nachgewiesen. Die Abhängigkeit der Agglomerationstendenz von der produzierten Aschefraktion konnte klar festgestellt werden. Agglomeration, welche von alkalireichen Aschefraktionen initiiert wurde, und daraus folgende Defluidisierung und Betriebsversagen wurden untersucht und Triebkräfte bestimmt. Die unterschiedlichen Interaktionsmechanismen zwischen Asche und Quarz einerseits und Asche und Olivin andererseits konnten detektiert werden. Für Kalkbettmaterial wurden weder Schichtbildungs- noch Agglomerationstendenzen quantitativ festgestellt. Die Analysenergebnisse in Verbindung mit der Aschezusammensetzung deutete jedoch darauf hin, dass das Ca-Potential für die Interaktion mit anderen Bettmaterialien durch Kalkabrieb erhöht wird.

Abstract (English)

Knowing about the replacement necessity of fossil fuels as primary energy resource, fluidized bed combustion and gasification of biomass and anthropogenic waste feedstock have the potential to play a major role for the pursuit of this aim. The technology focuses on high thermal energy outputs (combustion) and optimal product gas yields (gasification). The bed material in fluidized bed systems, mainly used for the purpose of heat transfer and catalytic activity, has been found to interact with feedstock-derived ash. The phenomena observed and documented in literature vary from beneficial, catalytically active layer formation to disadvantageous agglomeration and defluidization. The occurrences of layer formation and agglomeration phenomena have been demonstrated to be mainly dependent on the ash composition in conjunction with bed material type. The objective of this work was the characterization of these layer formation and agglomeration processes during dual fluidized bed (DFB) steam gasification. In addition a bench-scale fluidized bed combustion (FBC) system was evaluated regarding its application as test rig for the analysis of interaction between bed material and ash. The investigated feedstocks are mainly considered waste fraction of anthropogenic use and agrarian residuals. The used feedstocks are municipal waste fraction, shredder light fraction, sugar cane bagasse, exhausted olive pomace, rice husks, and hazelnut shells. German lignite was used as feedstock additive. For benchmark and run-up operation, softwood was used. For applicability evaluation of the bench-scale fluidized bed combustion system, coniferous bark was used as feedstock. The bed material types in the DFB steam gasification operation included two different types of lime, a coarse and a fine fraction of olivine, and quartz. For the majority of DFB experiments a mixture of lime with either quartz or olivine was used. For the applicability evaluation of the bench-scale FBC system K-feldspar was applied. It proved to be a valuable test rig for the investigation of layer formation and agglomeration processes. Nevertheless, the necessity for adjustments in the feeding system and flue gas cleaning was detected. SEM and EDS analysis of different samples extracted after the processes was conducted. By means of analytical tools such as line scans and element mappings, phenomena previously mentioned in corresponding literature were detected and indicators for new phenomena are obtained. Some of the newly discovered phenomena require adjusted and focussed research. Layer formation tendency of quartz and olivine (but not lime) could be detected and compared with previous research data. The composition of quartz and olivine layers as well as the absence of alkali elements in near-surface areas of olivine are in accordance with literature data. Dominance of Si, Ca, and K in quartz particle layers and Si, Ca, and Mg in olivine particle layers was measured and quantified. The influence of SER processes on layer formation and layer stability was insufficiently detected. Agglomeration mechanisms during DFB steam gasification for quartz and olivine (but not lime) particles have been detected. The dependence of agglomeration tendencies on the produced ash fraction was detected clearly. Operation failure due to alkali-rich ash fraction, which initiated agglomeration, was investigated and driving forces determined. The ash interaction mechanisms dependent on the type of bed material have been found to be different for quartz and olivine. Neither layer formation nor agglomeration tendency could be detected quantitatively for lime bed materials. Analysis results in conjunction with ash composition data indicates, that lime bed material attrition increases the potential of Ca to interact with other bed material types.

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