Cold flow modelling of char concentration in the recirculated bed material stream of a dual fluidized bed steam gasification system

The dual fluidized bed (DFB) steam gasification technology of biomass was developed at Vienna University of Technology and is well-established for transforming biomass into a product gas which can be used for further applications. The DFB steam gasification reactor consists of a gasification chamber (bubbling bed, fluidized with steam) and a combustion chamber (turbulent bed, fluidized with air). Biomass is fed into the gasification chamber and gets in contact with the bed material, typically Olivine, at about 840°C. The released volatiles leave the gasification reactor as product gas. A part of the solid residue, called char, flows with the bed material via a chute to the combustion chamber where it is burnt with air. The bed material is heated up, separated from the flue gas stream in a cyclone and flows back to the gasification reactor via a loop seal where it provides the heat for devolatilization and drying of the biomass. The movement of the char is crucial since a sufficient amount has to flow to the combustion chamber and burn to provide enough energy for bed material heat-up. Up to now little is known about the char concentration in the bed material recirculation stream (or short recirculation stream) and its influencing variables. Therefore, a cold flow model, operated with ambient air, was constructed to study the influence of various parameters on the char concentration in the recirculation stream. Bronze is used as bed material since is matches closest to the scaling criteria. The char is also scaled; polyethylene is used as model char. The cold flow model, see Figure 1 for the flowsheet, consists of a “gasification chamber” which corresponds to the gasification chamber in the hot plant and is as well operated as a bubbling bed. Via a chute the recirculation stream moves to a rotary valve which enables to set a fixed recirculation rate and make it independent from the following pneumatic conveying. Then, gas and solids are separated in a cyclone and the recirculation stream finally flows back to the gasification chamber. After the loop seal samples are taken for investigation of the model char concentration in the recirculation stream. In the present study the influence of fluidization rate in the gasification chamber, bed material recirculation rate and model char mass in the system on the char concentration in the recirculation stream are investigated. It was found that the model char particles show a flotsam behavior. Higher fluidization rates increase the model char concentration in the recirculation stream because of better mixing, whereas the bed material recirculation rate has only little influence. Doubling and tripling the overall char mass in the system did not lead to a doubling or tripling model char concentration in the recirculation stream. The present observations are helping to better understand the ongoing phenomena inside of the dual fluidized bed gasification reactor and provide knowledge to further optimize it. Please click Additional Files below to see the full abstract

The impact of inorganic matter on the performance of dual fluidized bed biomass steam gasification plants

Zsfassung in dt. SpracheDie energetische Nutzung von Biomasse in Dampfvergasungsanlagen nach dem Prinzip der Zweibettwirbelschicht ist eine zukunftsweisende Technologie zur Produktion von Strom, Wärme und synthetischen Treibstoffen. Das schwierige Marktumfeld macht eine Optimierung dieser Anlagen bezüglich elektrischem Wirkungsgrad und Verfügbarkeit notwendig.Die Verfügbarkeit von Anlagen, die Biomasse thermisch nutzen, ist oft durch aschebasierte Vorgänge begrenzt, beispielsweise Anbackungen an Wärmetauschern, Verschlackungen und Bettmaterialagglomeration. Die relativ neu entwickelten Biomasse-Dampf Vergasungsanlagen nach dem Prinzip der Zweibettwirbelschicht sind mit ähnlichen Problemen konfrontiert, wobei die anorganischen Materialien im System auch eng mit der katalytischen Aktivität des Bettmaterials verbunden sind. Diese Dissertation befasst sich mit dem Einfluss von anorganischen Bestandteilen auf den Betrieb und die Optimierung einer Biomasse-Dampf Vergasungsanlage nach dem Prinzip der Zweibettwirbelschicht. An dem Blockheizkraftwerk Güssing (Österreich) wurden Analysen der anorganischen Materialien durchgeführt. Begleitet wurden diese durch Massenbilanzen anorganischer Komponenten bei unterschiedlicher Kreislaufführung der Asche. Untersuchungen des Bettmaterials aus der industriellen Anlage in Güssing zeigten eine Modifikation des Bettmaterials während des Betriebs. Der Einfluss dieser Modifikation im Vergleich zu frischem Olivin wurde durch Versuche an einer Pilotanlage untersucht. Zusätzlich wurde an der 100 kW Pilotanlage untersucht, wie sich eine Absenkung der Vergasungstemperatur von 870°C auf 750°C mit gebrauchtem Bettmaterial auswirkt. Die Erkenntnisse aus den Versuchen an der Pilotanlage und die Schlussfolgerungen aus den Analysen der anorganischen Bestandteile wurden zur Optimierung der Vergasungsanlage in Güssing angewendet. Die wichtigen Optimierungsschritte kann man mit der Reduktion der Vergasungstemperatur, einer Vereinfachung der Aschekreisläufe und einem Fokus auf die Regelung in der Brennkammer zusammenfassen. Die Optimierung wurde durch eine Massen- und Energiebilanz und durch die Evaluierung der Betriebszeit beurteilt. Die Analysen des Bettmaterials ergaben die Bildung zweier kalziumreicher Schichten an den Bettmaterialpartikeln. Die innere Schicht ist homogen und besteht hauptsächlich aus Kalzium- und Siliziumverbindungen während die äußere Schicht eine ähnliche Zusammensetzung wie die Flugasche aufweist. Die Bilanzen über anorganische Komponenten haben gezeigt, dass es zu einer Anreicherung von Kalium im System kommt. Der Vergleich von frischem und gebrauchtem Bettmaterial in der Pilotanlage zeigte eine Steigerung des Wasserstoff- und Kohlendioxidgehalts im Produktgas mit gebrauchtem Bettmaterial, während Kohlenmonoxid in geringerer Konzentration messbar ist. Die exotherme Wassergas-shift-Reaktion wird begünstigt, was zu einem geringeren Energiebedarf der Vergasung führt. Der Teergehalt im Produktgas wird durch den Einsatz des gebrauchten Bettmaterials um 80% reduziert (mittels Gaschromatographie bestimmte Teere) und die Vielfalt der Teerkomponenten wird reduziert. Die Absenkung der Vergasungstemperatur bis 750°C reduziert den Wasserstoff- und Kohlenmonoxidgehalt im Produktgas, bei einer Erhöhung des Gehalts an Kohlendioxid und Methan.Die Konzentration von Teeren im Produktgas nimmt zwischen 870°C und 800°C leicht zu und steigt signifikant zwischen 800°C und 750°C. Die Erkenntnisse der Versuche in der Pilotanlage und die Schlussfolgerungen aus den Untersuchungen der Asche, des Bettmaterials und der Anbackungen wurden zur Optimierung der Vergasungsanlage Güssing erfolgreich angewendet und brachten einen Anstieg des elektrischen Wirkungsgrades von 21 auf 23,8% bei rund 30% Brennstoffwassergehalt. Die Verfügbarkeit der Anlage konnte von einem Durchschnittswert von rund 6600 Betriebsstunden pro Jahr bis 2011 auf 7440 Betriebsstunden im Jahr 2012 gesteigert werden. Maßgeblich dafür war eine Reduktion der Stillstände, die durch aschebedingte Anbackungen hervorgerufen wurde.The utilization of biomass for the substitution of fossil fuels to reduce greenhouse gas emissions in biomass steam gasification plants is a promising technology for the production of electricity, heat, and fuels for transportation. The currently difficult market for the utilization of biomass makes optimization of these plants necessary, in terms of increasing both plant electrical efficiency and availability.Plant availability is often linked to operational problems which are caused by inorganic matters of the fuel. Ash components of biomass fuels can cause fouling, slagging, and bed material agglomeration during thermal utilization in fluidized bed combustion as well as gasification plants. Recently developed biomass gasification plants face similar ash-related problems, but inorganic matter is also linked to their catalytic activity to reduce the tar concentration in the product gas.This thesis deals with the influence of inorganic matter on the operation and optimization of a dual fluidized bed gasification plant.Analyses of inorganic matter at the biomass steam gasification plant in Güssing, Austria were carried out. Mass balances of inorganic matter are presented, evaluating different loop configuration of solid material flows. Investigations in the bed material from the plant in Güssing, Austria showed a modification of the bed material due to the interaction of the bed material (olivine) with biomass ash components and additives.In this thesis the influence of bed material modification on the gasification properties of used olivine from the plant in Güssing is compared with the case of fresh olivine. The test runs were carried out under similar conditions in a pilot plant at the Vienna University of Technology. Additionally, a variation of the gasification temperature from 870 °C to 750 °C was carried out in a 100 kW pilot plant.The findings of the pilot plant test runs and investigations in inorganic matter were applied at the plant in Güssing to optimize the plant in terms of efficiency and availability. The main optimization steps included a reduction in gasification temperature, a simplification of ash loops and a focus on the controlling of the combustion reactor.The optimization was evaluated in terms of mass and energy balances, and plant availability.Analyses of the used bed material show the existence of two calcium-rich layers around the bed material particles. The inner layer is homogeneous, comprised mainly of calcium and silicate, while the outer layer has a similar composition to the fly ash of the plant. Inorganic balances showed an accumulation of potassium in the system during operation of the plant. Pilot plant test runs comparing fresh and used olivine from the Güssing plant showed an increase in hydrogen and carbon dioxide in the product gas in case of the used bed material while the content of carbon monoxide in the product gas decreased. The exothermal water-gas shift reaction is enhanced by the used bed material, resulting in a lower energy demand for the gasification. Tar content was decreased by around 80% for tars detected by gas chromatography - mass spectrometry (GCMS) and the composition of the tar showed less components during the test run with used bed material. A reduction of the gasification temperature down to 750 °C reduces the concentration of hydrogen and carbon monoxide in the product gas and increases the concentration of carbon dioxide and methane. The volumetric concentration of tars in the product gas increases only slightly from 850 °C to 800 °C and nearly doubles when decreasing the gasification temperature to 750 °C. Applying the findings of the pilot plant test runs and the conclusions of investigations of inorganic matter on the gasification plant in Güssing brought a success in terms of electrical efficiency and plant availability. The electrical efficiency of the plant increased from 21 to 23.8%, with a fuel water content around 30% due to the optimization work. Plant availability was increased from an average of 6600 operating hours per year to 7440 hours in 2012 due to a reduction in fouling tendency