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Chemical-Looping Gasification Process of Torrefied Woodchips based on Experimental and Numerical Studies

Nguyen, Minh Nhut (2021):
Chemical-Looping Gasification Process of Torrefied Woodchips based on Experimental and Numerical Studies. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00019766,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Chemical-Looping Gasification Process of Torrefied Woodchips based on Experimental and Numerical Studies
Language: English
Abstract:

Over the last 100 years, the average temperatures on the Earth’s surface, water, and atmosphere have risen by 0.75 °C. The temperature increase is mainly caused by human activities such as the burning of fossil fuels releasing a large amount of carbon dioxide into the air, which in turn results in an environmental concern over the world. Currently, the mitigation of carbon dioxide emissions is one of the greatest global challenges. Additionally, the energy demand worldwide has increased in the last few decades because of rapid industrialization and the ensuing improved standard of living. Biomass is abundant in the world and represents one of the most auspicious renewable energy resources to replace fossil fuels. Demand for a renewable source of hydrogen in the world leads to growing research activities in the field of biomass conversion processes. Chemical looping gasification is a novel technology to produce efficiently and sustainably valuable products such as heat, power, and hydrogen-enriched gas from biomass combined with carbon capture. This thesis demonstrates the feasibility of chemical looping gasification of biomass in a pilot-scale bubbling fluidized bed reactor. In a first step, torrefied woodchips as biomass fuel were characterized before further investigations. Non-isothermal experiments were carried out in a thermogravimetric analysis instrument to determine the kinetics of gasification of torrefied woodchips char under steam and CO₂ atmospheres. According to the experimental results, two kinetic models combined with four conversion models were implemented to determine the best fitting kinetic model for biomass char gasification. Johnson model combined with Langmuir-Hinshelwood kinetic model is the best agreement to the experimental data with more than 90 % of the coefficient of determination, R², among the combinations. Afterward, an experimental study of biomass gasification was performed in a pilot-scale bubbling fluidized bed reactor to assess the feasibility of biomass gasification under various operating conditions. It was found that hydrogen fraction in the product gas can reach 49 vol.%, while carbon conversion efficiency achieves around 77 % at high gasification temperature and steam-to-biomass ratio. Furthermore, the results showed that the presence of oxygen in the gasifier could cause a significant decrease in hydrogen production due to oxidation reaction, but the carbon conversion efficiency increases significantly, reaching approximately 90 %. Based on the figure obtained from the study of biomass gasification, an experimental investigation of chemical looping gasification of biomass was conducted to analyze the influences of operating parameters on the process performance. It was observed that the maximum fraction of hydrogen and the carbon conversion efficiency obtained from the experimental results are approximately 43 vol.% and 90 % for both oxygen carriers, respectively. The two iron-based oxygen carriers show good performance in the study, their reactivity with different gaseous fuels decreases in the following order: H₂ > CO > CH₄. Iron-based oxygen carriers perform their capability of hydrogen-enriched gas production from chemical looping gasification of biomass along with a reduction of CO₂ emissions. The evaluation of this study can provide good knowledge of the phenomena of the chemical looping gasification process and the behavior of ilmenite and iron ore during the gasification process. Finally, a comprehensive process simulation model was developed in the Aspen Plus flowsheet environment based on the experimental data to simulate biomass gasification in a bubbling fluidized bed reactor. Hydrodynamics and kinetics were implemented simultaneously in external FORTRAN codes. It was found that the model predictions are in good agreement with the experimental investigations with the mean errors ranging between 0.027 and 0.289. The validated model can simulate biomass gasification in a bubbling fluidized bed reactor and provide a good basis for large-scale applications.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In den letzten 100 Jahren stieg die durchschnittliche Temperatur von der Erdoberfläche, deren Gewässer und Atmosphäre um 0,75 °C. Diese Erwärmung wurde vor allem durch menschliche Tätigkeiten wie z.B. durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt, wodurch große Mengen an Kohlendioxid in die Atmosphäre gelangten, was wiederum zu weltweiten Umweltbedenken führte. Derzeit ist die Verringerung des Kohlendioxidausstoßes eine der größten globalen Herausforderungen. Außerdem wuchs der globale Energiebedarf über die letzten Jahrzehnte aufgrund einer raschen Industrialisierung und dem daraus resultierenden, gesteigerten Lebensstandard. Biomasse ist weltweit reichlich vorhanden und stellt eine der vielversprechendsten erneuerbaren Energiequellen dar, um fossile Brennstoffe zu ersetzen. Die weltweite Nachfrage nach nachhaltigen Wasserstoffquellen führt zu wachsenden Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Umwandlungsverfahren von Biomasse. Die Chemical Looping Vergasung ist eine neue Technologie zur nachhaltigen und effizienten Herstellung wertvoller Erzeugnisse wie Wärme, Energie und wasserstoffreiches Gas aus Biomasse verbunden mit einer CO₂ Abscheidung. Diese Dissertation demonstriert die Machbarkeit der Chemical Looping Vergasung von Biomasse im Pilot-Maßstab in einer stationären Wirbelschicht. Im ersten Schritt wurden torrefizierte Holzschnitzel als Biomassebrennstoff für weitere Untersuchungen analysiert. Es wurden nicht isotherme, thermogravimetrische Analysen durchgeführt, um die kinetischen Parameter der Vergasung von Koks aus torrefizierten Holzschnitzel in einer Dampf und CO₂ Atmosphäre zu bestimmen. Gemäß den Versuchsergebnissen wurden zwei kinetische Modelle mit vier Umwandlungsmodelle implementiert, um das geeignetste kinetische Modell für die Koks Vergasung von Biomasse zu bestimmen. Das Johnson-Modell kombiniert mit dem Langmuir-Hinshelwood Kinetikmodell liefert die beste Übereinstimmung mit den experimentellen Daten, mit mehr als 90 % Übereinstimmung aller R²-Koeffizienten. Hiernach wurde eine experimentelle Untersuchung von Biomassevergasung in einer stationären Wirbelschicht im Pilotmaßstab durchgeführt, um die Machbarkeit einer Biomassevergasung unter verschiedenen Einsatzbedingungen zu beurteilen. Es wurde herausgefunden, dass bei hoher Vergasungstemperatur und hohem Dampf-zu-Biomasse Verhältnis der Wasserstoffgehalt im Produktgas bis auf 49 vol.% ansteigen kann, während der Kohlenstoffumwandlungsgrad etwa 77% erreicht. Desweiteren zeigen die Ergebnisse, dass die Anwesenheit von Sauerstoff bei der Vergasung durch Oxidationsreaktionen eine deutliche Verringerung der Wasserstoff Produktion verursachen kann, jedoch die Kohlenstoffumwandlungsrate signifikant steigt und ca. 90% erreicht. Ausgehend von den Erfahrungen der Biomassevergasung, wurde eine experimentelle Untersuchung der Chemical Looping Vergasung von Biomasse durchgeführt, um den Einfluss verschiedener Betriebsparameter auf die Prozessverhalten zu analysieren. Bei den experimentellen Untersuchungen wurde beobachtet, dass der maximale Anteil von Wasserstoff im Produktgas und die Kohlenstoffumwandlungsrate bei beiden Sauerstoffträgern jeweils ungefähr 43 vol.% bzw. 90 % betrugen. In der Studie zeigten beide eisenbasierten Sauerstoffträger gute Ergebnisse, wobei ihre Reaktivität mit verschiedenen gasförmigen Brennstoffen in der folgenden Reihenfolge abnahm: H₂ > CO > CH₄. Die eisenbasierten Sauerstoffträger erfüllen ihre Aufgabe der wasserstoffangereicherten Gaserzeugung während der Chemical Looping Vergasung von Biomasse zusammen mit einer Reduzierung der CO₂-Emissionen. Die Auswertung dieser Studie liefert somit gute Kenntnisse über die Phänomene des Chemical-Looping-Vergasungsprozesses und das Verhalten von Ilmenit und Eisenerz während des Vergasungsprozesses. Schließlich wurde anhand der Versuchsergebnisse in der Software Aspen Plus ein umfassendes Modell zur Simulation der Biomasse-Vergasung in einer stationären Wirbelschicht entwickelt. Das Modell beinhaltet Hydrodynamik und Kinetik, welche gleichzeitig in einem externen FORTRAN-Code implementiert sind. Es zeigte sich, dass die Modellvorhersagen und die experimentellen Untersuchungen eine gute Übereinstimmung haben, mit einem mittleren Fehlern zwischen 0,027 und 0,289. Das validierte Modell kann die Biomassevergasung in einer stationären Wirbelschicht demnach gut simulieren und bildet daher ein gutes Fundament für Anwendungen im Großmaßstab.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvi, 150 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institut für Energiesysteme und Energietechnik (EST)
Date Deposited: 28 Oct 2021 12:17
Last Modified: 28 Oct 2021 12:17
DOI: 10.26083/tuprints-00019766
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-197667
Referees: Epple, Prof. Dr. Bernd ; Richter, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 13 October 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19766
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