Experimental Investigation in Autothermal Chemical Looping Gasification

In light of the current climate change efforts to reduce the emission of greenhous gases (GHGs) to the atmosphere are required. The sustainable utilization of biomass as carbon carrier and energy carrier opens up the possibility of carbon neutral or even carbon negative technologies. One technology where biomass can be utilized for the generation of a nitrogen free, high calorific syngas where no energy intensive air separation unit (ASU) is required is the chemical looping gasification (CLG) which has lately seen increased research interest. CLG has been demonstrated to work continuously within externally heated lab-scale reactors. In order to be economically viable commercial application of the process requires autothermal operation, which has not yet been demonstrated. Moreover, no process control concept applicable to large-scale reactors exists. In this work, the CLG technology is upscaled to the 1 MWₜₕ range and investigated under autothermal conditions. Equilibrium process simulations are used to develop a suitable process control concept for autothermal operation based on sub-stoichiometric air reactor (AR) operation. Based on heat and mass balance for an existing pilot plant modifications were designed and implemented retrofitting the pilot plant for CLG. Experiments carried out with industrial wood pellets (IWP), pine forest residue (PFR), and wheat straw pellets (WSP) as biomass feedstocks and ilmenite as oxygen carrier (OC) bed material are described in this work. A cold gas efficiency of around 50 % was achieved in the non-optimized pilot plant, indicating that higher values can be reached in a commercial unit when minimizing heat losses. The carbon conversion was above 90 %, and this value is expected to increase to almost 100 % when raising the temperature, residence time, and cyclone efficiency in a commercial unit. The syngas has a very high quality with low methane concentrations in the range of 7 vol.-% to 10 vol.-% and gravimetric tar content below 1 g/Nm³ measured via tar protocol. A new method for the determination of the solid circulation in a dual fluidized bed system utilizing solid samples from coupling elements to calculate the solids flux has been devised and was tested during the experiments showing a solid circulation of 1.2 kg s⁻¹ MW⁻¹ to 4.3 kg s⁻¹ MW⁻¹ with measurement uncertainty smaller than 20 %.

In Anbetracht des derzeitigen Klimawandels sind Anstrengungen zur Verringerung der Emission von Treibhausgasen in die Atmosphäre erforderlich. Die nachhaltige Nutzung von Biomasse als Kohlenstoff- und Energieträger eröffnet die Möglichkeit von kohlenstoffneutralen oder sogar kohlenstoffnegativen Technologien. Eine Technologie, bei der Biomasse zur Erzeugung eines stickstofffreien, hochkalorischen Synthesegases genutzt werden kann, für das keine energieintensive Luftzerlegunsanlage erforderlich ist, ist die Chemical Looping Vergasung (CLG), die in letzter Zeit verstärktes Forschungsinteresse erfahren hat. Es wurde nachgewiesen, dass CLG in extern beheizten Reaktoren im Labormaßstab kontinuierlich funktioniert. Für eine kommerzielle, wirtschaftlich rentable Anwendung des Verfahrens ist jedoch ein autothermer Betrieb erforderlich, der noch nicht nachgewiesen wurde. Darüber hinaus gibt es kein Prozesssteuerungskonzept, das sich auf großtechnische Reaktoren anwenden lässt. In dieser Arbeit wird die CLG-Technologie auf den 1 MWₜₕ-Maßstab hochskaliert und unter autothermen Bedingungen untersucht. Mit Hilfe von Gleichgewichtsprozesssimulationen wird ein geeignetes Prozesssteuerungskonzept für den autothermen Betrieb auf der Grundlage eines substöchiometrischen Betriebs entwickelt. Auf der Grundlage von Wärme- und Massenbilanzen für eine bestehende Pilotanlage wurden Modifikationen entworfen und umgesetzt, um die Pilotanlage für CLG umzurüsten. In dieser Arbeit werden Experimente beschrieben, die mit Industrieholzpellets, Kiefernforstrückständen und Weizenstroh-Pellets als Biomasse-Einsatzstoff und Ilmenit als Sauerstoffträger durchgeführt wurden. In der nicht optimierten Pilotanlage wurde ein Kaltgaswirkungsgrad von etwa 50 % erreicht, was darauf hinweist, dass in einer kommerziellen Anlage höhere Werte erreicht werden können, wenn die Wärmeverluste minimiert werden. Die Kohlenstoffumwandlung lag bei über 90%, und es wird erwartet, dass dieser Wert auf fast 100 % ansteigt, wenn die Temperatur, die Verweilzeit und die Zykloneffizienz in einer kommerziellen Anlage erhöht werden. Das Synthesegas hat eine sehr hohe Qualität mit geringen Methankonzentrationen im Bereich von 7 vol.-% bis 10 vol.-% und einem gravimetrischen Teergehalt unter 1 g/Nm³, gemessen mittels Teerprotokoll. Eine neue Methode zur Bestimmung der Feststoffzirkulation in einem dualen Wirbelschichtsystem unter Verwendung von Feststoffproben aus Kopplungselementen zur Berechnung des Feststoffflusses wurde entwickelt und während der Experimente getestet. Die Feststoffzirkulation wurde mit 1.2 kg s⁻¹ MW⁻¹ bis 4.3 kg s⁻¹ MW⁻¹ mit einer Messunsicherheit von weniger als 20 % bestimmt.