G-volution II – Zweibettwirbelschicht Biomasse-Dampfvergaser der zweiten Generation (II)

Die effiziente Nutzung von Biomasse als Energieträger verringert den Ausstoß von klimawirksamen Gasen, trägt zu einer Verkürzung der Transportwege für Energie bei und verringert die Abhängigkeit von Energieimporten. Die wesentliche Herausforderung dabei ist, Nutzungsbereiche für Biomasse abseits der reinen Wärmenutzung zu erschließen. Hier hat die an der TU Wien entwickelte und in Güssing und Oberwart großtechnisch, im Leistungsbereich von 8 bzw. 10 MWth, erfolgreich demonstrierte Wirbelschicht Dampfvergasungstechnologie für holzartige Biomasse neue Maßstäbe gesetzt. Durch Umwandlung des Festbrennstoffes in ein hochwertiges Synthesegas steht eine Reihe von interessanten Verwertungsmöglichkeiten zur Verfügung. Von der einfachen Umwandlung zu Strom und Wärme in Gasmotoren oder Gasturbinen über die gekoppelte Erzeugung von erneuerbarem, synthetischem Erdgas oder Wasserstoff hin zur Bereitstellung hochwertiger flüssiger Kraftstoffe über die Fischer-Tropsch Synthese. Alle diese Verwertungslinien werden derzeit im Zuge von laufenden internationalen Projekten untersucht bzw. bereits in relevantem Maßstab demonstriert. Durch die gestiegene Nachfrage aus der Industrie nach Erdgasersatztechnologien sowie nach einer Erweiterung des Brennstoffspektrums im Bezug auf Korngrößenverteilung und Zusammensetzung (Klärschlamm, Hausmüll, Sägespäne, Rinde, Abfallholz, etc.) rückt aktuell das eigentliche Herzstück der Technologie, der Gaserzeuger, wieder ins Zentrum des Interesses. Im klassischen System Güssing ist der Gaserzeuger als stationäre (blasenbildede) Wirbelschicht ausgeführt. Dabei findet der für den Wärmeübergang und für die Teerabbaureaktionen wesentliche Gas-Feststoffkontakt im Wirbelbett statt während im darüber liegenden Freiraum die Feststoffkonzentration stark abgesenkt ist. Diese Aufteilung in Wirbelbett und Freiraum kann speziell bei sehr inhomogenen Brennstoffen zu Problemen führen, da feinkörnige Anteile in den Freiraum ausgetragen werden und nur unvollständig reagieren. Dies kann dann zu Teerablagerungen im Produktgasweg führen und die Verfügbarkeit einer Anlage kritisch einschränken. Untersuchungen an Zweibett-Wirbelschichtsystemen in verwandten Gebieten (Chemical Looping Prozesse) haben kürzlich gezeigt, dass eine Erhöhung der Fluidisierungsgeschwindigkeit in den Bereich der turbulenten bis schnellen Wirbelschicht hinein den spezifischen Gas-Feststoffkontakt wesentlich verbessern kann. Dabei wird das Bettmaterial (und damit auch der Brennstoff) vom Gasstrom teilweise nach oben transportiert und in einer Abscheideinrichtung wieder abgetrennt und in den unteren Apparateteil zurückgeführt. Die Änderung der Fluidisierungsbedingungen im Gaserzeuger lässt nun folgende Vorteile in Bezug auf den Brennstoffumsatz erwarten: (1) Der Freiraum verschwindet zu Gunsten einer wesentlich mit Feststoff beaufschlagten Zone in der vom Feststoff katalysierte Reaktionen ablaufen können. Feinkörnige Brennstoffanteile sind dadurch nicht mehr problematisch. (2) Das notwendige Reaktionsvolumen des Gaserzeugers kann reduziert werden und eine Maßstabsvergrößerung wird leichter möglich. (3) Der Feststoffabscheider am Austritt des Gaserzeugers sorgt für eine geringe Staubbeladung des Rohproduktgasstromes und hält katalytisch aktive Brennstoffaschepartikel im Gaserzeuger zurück. Eine prinzipielle Effizienzsteigerung der Gaserzeugung ist durch einen selektiven Sauerstofftransport durch das Bettmaterial bei Verwendung geeigneter natürlicher Sauerstoffträger wie z.B. Ilmenit (eisenhältiges Mineral) möglich. Hier wird zusätzlich eine starke Teerreduktionswirkung erwartet. Ziel von G-volution II ist, den beschriebenen, vielversprechenden Ansatz im Technikumsmaßstab zu untersuchen und damit die Grundlage für eine großtechnische Demonstration zu schaffen. Als Basis für das vorliegende Projekt dienen die vielversprechenden Ergebnisse des aktuell laufenden Projektes G-volution (Neue Energien 2020, FFG-Projektnummer: 821954) In einem ersten Arbeitspaket wird eine neue 100kW Technikumsanlage geplant welche dann im Zuge des zweiten Arbeitspaketes aufgebaut und in Arbeitspaket drei in Betrieb genommen wird. Anhand von umfangreichen Versuchsserien wird der Arbeitsbereich des neuen Gaserzeugerdesigns ermittelt und das einsetzbare Brennstoffspektrum (hinsichtlich Korngröße und Zusammensetzung) abgesteckt. Arbeitspaket 4 umfasst die begleitende Modellierung und Simulation, die einerseits eine akkurate Auswertung der experimentellen Ergebnisse erleichtert und andererseits als anhand von Messdaten validiertes Parametermodell für das Basic Engineering zukünftiger Anlagen zur Verfügung steht.