Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung

Die Zweibettwirbelschicht-Gaserzeugung (engl. dual fluidized bed (DFB) gasification) ist eine Technologie zur thermochemischen Umwandlung von biogenen Brennstoffen in ein stickstofffreies Produktgas. Durch die spezielle Prozessführung wird einerseits die Verdünnung des Produktgases mit Stickstoff vermieden und andererseits ein kontinuierlicher Prozess der endothermen Gaserzeugung ermöglicht. Das erzeugte Produktgas besteht hauptsächlich aus Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Methan.[1]

Grundprinzip der Zweibettwirbelschicht Gaserzeugung

GrundprinzipBearbeiten

Der Brennstoff (Biomasse) wird in den sogenannten Vergasungsreaktor eingebracht. Bei 800 bis 900 °C wird der Brennstoff mittels Wasserdampf in ein Gas überführt. Ein geringer Anteil verbleibt als fester Biomassekoks zurück. Der Reaktor selbst wird als Wirbelschicht betrieben. Das im Wirbelschichtreaktor eingesetzte Bettmaterial gewährleistet einen ausgezeichneten Wärmeübergang und eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Reaktor.

Da die Umsetzung des Brennstoffs mit Wasserdampf in Summe endotherm ist, also Energie benötigt, wird das Bettmaterial zusammen mit dem Biomassekoks kontinuierlich in den Verbrennungsreaktor ausgetragen. Dort wird der Biomassekoks verbrannt und heizt somit das Bettmaterial auf. Dieses wird danach wieder in den Vergasungsreaktor transportiert, wo die Wärme zur Aufrechterhaltung der Gaserzeugungsreaktionen wieder abgegeben wird. Somit kann mit dem Bettmaterial als Wärmeträger ein kontinuierlicher Prozess gewährleistet werden, der die räumliche Trennung von Gaserzeugung und Verbrennung realisiert.

Industrielle AnlagenBearbeiten

Die Zweibettwirbelschicht Gaserzeugung wurde seit 1998 intensiv von Hermann Hofbauer an der TU Wien erforscht (z. B.[2][3][4][5]). Basierend auf diesem Prinzip wurden industrielle Anlagen mit verschiedenen Leistungsgrößen realisiert. Güssing/Österreich (8 MW)[6], Oberwart/Österreich (8,6 MW) und Senden/Deutschland (15 MW) wurden zur Strom und Wärmeproduktion realisiert. In Göteborg/Schweden (33 MW) konnte erstmals die Produktion von synthetischem Erdgas (SNG) im industriellen Maßstab demonstriert werden.[1] Für alle industriellen Anlagen charakteristisch ist die Ausführung des Vergasungsreaktors als blasenbildende Wirbelschicht und die Ausführung des Verbrennungsreaktors als schnelle (transportierende) Wirbelschicht. Als Bettmaterial wird typischerweise Olivin eingesetzt.

VerfahrensvariantenBearbeiten

Sorptionsunterstützte Gaserzeugung (engl. Sorption Enhanced Reforming)Bearbeiten

Bei der Verwendung von Kalkstein als Bettmaterial und das Absenken der Gaserzeugungstemperatur auf ca. 650 °C (bei gleichzeitiger Beibehaltung der hohen Temperaturen im Verbrennungsreaktor) ist die Erzeugung eines wasserstoffreichen Produktgases (ca. 70 vol.-% Wasserstoff) möglich: Durch den großen Temperaturunterschied zwischen Vergasungsreaktor und Verbrennungsreaktor kann der Kalkstein im Vergasungsreaktor direkt Kohlenstoffdioxid aufnehmen und im Verbrennungsreaktor wieder abgeben. Durch die Verschiebung des chemischen Gleichgewichts entstehen so hohe Wasserstoffgehalte im Produktgas.[7][8]

Gaserzeugung mit KohlenstoffdioxidBearbeiten

Eine weitere Möglichkeit die Produktgaszusammensetzung zu beeinflussen ist die Verwendung von Kohlenstoffdioxid als Vergasungsmedium (anstatt Wasserdampf). Die Erzeugung eines kohlenstoffmonoxidreichen Produktgases ist die Folge.[9][10]

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. a b Johannes Christian Schmid, Florian Benedikt, Josef Fuchs, Anna Magdalena Mauerhofer, Stefan Müller, Hermann Hofbauer: Syngas for biorefineries from thermochemical gasification of lignocellulosic fuels and residues—5 years’ experience with an advanced dual fluidized bed gasifier design. In: Biomass Conversion and Biorefinery. 16. August 2019, ISSN 2190-6815, doi:10.1007/s13399-019-00486-2 (springer.com [abgerufen am 14. September 2020]).
  2. H. Hofbauer, R. Rauch: Stoichiometric Water Consumption of Steam Gasification by the FICFB-Gasification Process. In: Progress in Thermochemical Biomass Conversion. John Wiley & Sons, Ltd, 2008, ISBN 978-0-470-69495-4, S. 199–208, doi:10.1002/9780470694954.ch14 (wiley.com [abgerufen am 14. September 2020]).
  3. Johannes C. Schmid, Stefan Müller, Hermann Hofbauer: First scientific results with the novel dual fluidized bed gasification test facility at TU Wien. In: Proceedings of the 24th European biomass conference and exhibition. Amsterdam, The Netherlands.
  4. S. Müller, J. Fuchs, J.C. Schmid, F. Benedikt, H. Hofbauer: Experimental development of sorption enhanced reforming by the use of an advanced gasification test plant. In: International Journal of Hydrogen Energy. Band 42, Nr. 50, Dezember 2017, S. 29694–29707, doi:10.1016/j.ijhydene.2017.10.119 (elsevier.com [abgerufen am 14. September 2020]).
  5. Florian Benedikt, Matthias Kuba, Johannes Christian Schmid, Stefan Müller, Hermann Hofbauer: Assessment of correlations between tar and product gas composition in dual fluidized bed steam gasification for online tar prediction. In: Applied Energy. Band 238, 15. März 2019, ISSN 0306-2619, S. 1138–1149, doi:10.1016/j.apenergy.2019.01.181 (sciencedirect.com [abgerufen am 14. September 2020]).
  6. Hermann Hofbauer, Reinhard Rauch, Klaus Bosch, Reinhard Koch, Christian Aichernig: Biomass CHP Plant Güssing – A Success Story. In: Expert meeting on pyrolysis and gasification of biomass and waste. Strassbourg 2002 (aon.at [PDF]).
  7. Josef Fuchs, Johannes C. Schmid, Stefan Müller, Hermann Hofbauer: Dual fluidized bed gasification of biomass with selective carbon dioxide removal and limestone as bed material: A review. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Band 107, 1. Juni 2019, ISSN 1364-0321, S. 212–231, doi:10.1016/j.rser.2019.03.013 (sciencedirect.com [abgerufen am 14. September 2020]).
  8. J. Fuchs, J. C. Schmid, S. Müller, A. M. Mauerhofer, F. Benedikt, H. Hofbauer: The impact of gasification temperature on the process characteristics of sorption enhanced reforming of biomass. In: Biomass Conversion and Biorefinery. 31. Mai 2019, ISSN 2190-6815, doi:10.1007/s13399-019-00439-9 (springer.com [abgerufen am 14. September 2020]).
  9. A.M. Mauerhofer, J. Fuchs, S. Müller, F. Benedikt, J.C. Schmid, H. Hofbauer: CO2 gasification in a dual fluidized bed reactor system: Impact on the product gas composition. In: Fuel. Band 253, Oktober 2019, S. 1605–1616, doi:10.1016/j.fuel.2019.04.168 (elsevier.com [abgerufen am 14. September 2020]).
  10. Anna Magdalena Mauerhofer, Stefan Müller, Florian Benedikt, Josef Fuchs, Alexander Bartik, Hermann Hofbauer: CO2 gasification of biogenic fuels in a dual fluidized bed reactor system. In: Biomass Conversion and Biorefinery. 12. September 2019, ISSN 2190-6815, doi:10.1007/s13399-019-00493-3 (springer.com [abgerufen am 14. September 2020]).