Verhalten und Kontrolle von Schlacken des bioliq®-Vergasers

Mielke, Konrad; Müller, Michael; Kneer, Reinhold

doi:40777

Verhalten und Kontrolle von Schlacken des bioliq®-Vergasers = Behaviour and control of slags from the bioliq®-gasifier

Mielke, Konrad

2021

VerantwortlichkeitsangabeKonrad Mielke

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2021

Umfang1 Online-Ressource (162, xxxv Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt = Energy & environment ; 548

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Druckausgabe: 2021. - Onlineausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Müller, Michael (Thesis advisor) ; Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-02-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-10399
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/835254/files/835254.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Energietechnik (FZ Jülich) (413410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
entrained-flow gasification (frei) ; oxide melt (frei) ; slag (frei) ; viscosity (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Hochdruckflugstromvergasung biogener Ressourcen ist ein nachhaltiges und CO2-neutrales Verfahren um Bio-Treibstoffe und organische Basisprodukte herzustellen. Im bioliq®-Prozess wird aus Stroh und Holzverschnitt ein intermediärer Brennstoff über eine Pyrolyse hergestellt, der dann für die Flugstromvergasung genutzt wird. Dieser Brennstoff besteht aus einer flüssigen, teerreichen Phase und festem Strohkoks. Während der Vergasung wird der BioSyncrude® in ein teerfreies und methanarmes Synthesegas umgewandelt, aus dem der Biotreibstoff als Endprodukt synthetisiert wird. Bei den hohen Vergasungstemperaturen >1200 °C schmelzen die Aschebestandteile in der Festphase des BioSyncrude® auf und fließen die Reaktorwand des Flugstromvergasers herab. Dabei dient die entstehende Schlackeschicht als Korrosionsschutz für die Reaktorwand. Niedrige Viskositäten können zur Unterbrechung der Schlackeschicht und damit zur Korrosion des Wandmaterials führen, während Schlacken mit hohen Viskositäten den Schlackeausfluss des Vergasers verstopfen. Die Charakterisierung des Schlackefließverhaltens an der Reaktorwand und die Einstellung des optimalen Viskositätsbereiches durch die Aschezusammensetzung des Brennstoffes ist deshalb das zentrale Ziel dieser Arbeit. Dies kann einerseits durch die Viskositätsbestimmung der Schlacke aus dem Reaktorausfluss geschehen, aus der dann auf die Viskosität im Vergaser rückgeschlossen werden kann. Dabei werden gemessene Viskositäten mit im Modell berechneten verglichen und so das Viskositätsmodell evaluiert. Anderseits kann die Viskosität aus der chemischen Zusammensetzung der Schlacke an der Reaktorwand berechnet werden. Diese wird durch ein thermochemisches Modell aus der Brennstoffzusammensetzung simuliert. Dabei wird besonders auf die Fraktionierung der Alkalien Na und K vor der Schlackebildung durch die Vergasungsbedingungen eingegangen. Die berechneten Werte werden mit experimentell ermittelten verglichen, um die Modellparameter anzupassen und zu evaluieren. Der Vorteil dieser Methode ist die Prognose des potenziellen Schlackefließverhaltens an der Reaktorwand, welches präventiv durch Additivierung gesteuert werden kann. Für den ökonomischen Betrieb des Vergasers werden niedrige Viskositäten angestrebt, um u.a. die Betriebstemperatur und Wärmeverluste zu reduzieren. Zur Verringerung der Viskosität eignen sich Na-reiche Additive besser als K-reiche Additive. Zum einen ist ihre Wirkung bei gleichem Massezusatz höher, zum anderen sind sie unter Vergaserbedingungen weniger flüchtig und können so effektiver in die Schlacke an der Wand eingebaut werden. Zu starke Zugabe von Na führt aber zur Korrosion der Reaktorwände und zu signifikanten Mengen an gelöstem Na im Quenchwasser des Vergasers und im Produktgas. Die in dieser Arbeit entwickelten Modelle erlauben eine Abschätzung des Fließverhaltens der Schlacke im Vergaser und können den Einfluss potenzieller Additive beschreiben. Weiterhin ermöglichen sie Rückschlüsse auf das komplexe Reaktionsverhalten einzelner Aschekomponeten in der Schlacke.

Pressurized entrained-flow gasification of biogenic resources is a sustainable and CO2-neutral process to produce biofuels and further carbonaceous products. The bioliq®-process integrates the gasification in a process chain to convert straw and wood residuals into high-quality biofuels. The feedstock is initially converted via fast pyrolysis into a slurry consisting of a tar rich, liquid phase and a char, which is called BioSyncrude®. Afterwards, the bioslurry is converted into an almost tar-free, low-methane containing syngas in a pressurized entrained flow gasifier at temperatures above 1200 °C. The syngas is finally used as basic reactant for the production of biofuels. Due to the high temperatures in the entrained-flow gasification the ash from the char melts, flows down the inner wall of the gasifier and is thus continuously removed. Furthermore, the formed slag layer protects the reactor wall against corrosion. Therefore, the characterization of the flow behaviour and the adjustment of the optimal viscosity range by influencing the slurry composition are the main objectives in this thesis. One possibility is to determine the viscosity of the slag from the outflow of the gasifier and deduce the viscosity at the inner reactor wall. The measured and the modelled viscosity values are compared and thus, the viscosity model is evaluated. A second possibility is to simulate the chemical composition of the slag at the inner reactor wall. A thermochemical model uses the composition of the slurry to calculate this slag composition according to gasifier conditions. The focus is on the release of Na and K due to the gasifier conditions before the slag is formed. The modelled viscosities are compared with experimental values to fit and evaluate the model parameters. The advantage of this method is to predict the flow behaviour at the inner reactor wall, which can be preventively adjusted by fluxing. For the economic operation of the gasifier, low viscous slags are preferred to reduce also the operation temperature and minimize the heat loss. Na- and K-rich additives are suitable fluxes, at which the viscosity is more reduced by Na, because it is less volatile at gasifier conditions. Hence, a higher amount of Na is incorporated in the slag network. However, adding too much Na will cause corrosion of the reactor wall and also significant amount of Na in the quench water. The models developed in this work allow for prediction the flow behaviour of the slags at the inner reactor wall. Furthermore, the potential influence of flux can be simulated and the complex reaction behaviour of the ash components can be described. Thus, the relation between the chemical slag composition and its viscosity can be shown in this thesis.

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