Hochdruck-Flugstromvergasung: Validierte Daten aus Experimenten im Pilotmaßstab für Optimierung und Scale-up

Die Hochdruck-Flugstromvergasung (HP EFG) zur Erzeugung von hochwertigem Synthesegas aus abfallbasierten Kohlenstoffquellen, Sauerstoff und Wasserdampf kann als Basistechnologie für den Übergang zu einer CO2-neutralen Kreislaufwirtschaft dienen. Am KIT wird im Rahmen des Carbon Cycle
Lab (CCLab) verfahrenstechnische Grundlagenforschung betrieben, die die Prozesskette von der Pyrolyse über die Flugstromvergasung bis hin zur Synthese von hochwertigen Produkten wie Basischemikalien, Kraftstoffen oder Wasserstoff abdeckt. Die umfangreiche messtechnische
Ausstattung des 5 MW Pilotvergasers (HP EFG) am KIT ermöglicht die detaillierte Untersuchung des Vergasungsprozesses für verschiedenste Einsatzstoffe während des Betriebs sowie die Validierung der Forschungsergebnisse und Simulationsmodelle für Prozessoptimierung und Scale-up.

Für Prozessbewertung, Optimierung und Scale-up sind validierte brennstoffspezifische Kennzahlen bzw. Zielparameter erforderlich. Am wichtigsten für die Prozesseffizienz ist eine möglichst niedrige Stöchiometrie (Luftzahl) und die daraus resultierende Temperatur des Synthesegases im Vergaser, die nach unten durch das Fließverhalten der Schlacke und die Reaktivität des Brennstoffs begrenzt wird. ... mehrBeides ist im Labor schwer unter realistischen Prozessbedingungen zu bestimmen; hohe Temperaturen, hoher Druck und reduzierende Atmosphäre limitieren aber auch die Messmöglichkeiten im Vergaser.

Daher wurde am KIT eine Bilanzierungsmethode für HP EFG-Experimente entwickelt, um brennstoffspezifische Schlüsselparameter ohne Messungen innerhalb der Reaktionszone und ohne Beeinträchtigung durch die Wasserquenche zu erhalten [1,2]. Die Elementbilanz liefert die Menge und
die vollständige Zusammensetzung des Synthesegases am Reaktoraustritt (vor Quenche), sowie die Kohlenstoffvergasungsrate CC und den CO2- Lösungsverlust in der Quenche. Die Energiebilanz liefert die Wärmefreisetzung über den segmentierten Kühlschirm und die resultierende Synthesegastemperatur am Reaktoraustritt. Aus diesen Bilanzierungsergebnissen können verschiedene zusätzliche Parameter wie Wärmeübergangskoeffizienten oder die Schichtdicken des Schlackefilms auf den einzelnen Kühlschirmsegmenten abgeleitet werden.

Die Berechnung der Synthesegastemperatur wird stark von der Genauigkeit der Brennstoffanalyse beeinflusst. Zusammen mit ASPEN-Gleichgewichtsberechnungen und Temperaturmessungen ermöglichen die Bilanzierungsergebnisse die Bewertung der Brennstoffanalyse und die Validierung der berechneten Synthesegastemperatur.

Die Variation der Stöchiometrie (Luftzahl) für 2 unterschiedliche Brennstoffe im HP-EFG Experiment und im Gleichgewichtsmodell zeigt den Einfluss von Brennstoffart und Temperatur, bzw. Stöchiometrie auf Umsatz und Ausbeute an Synthesegas (CO+H2), siehe Abb.1. Das Gleichgewichtsmodell liefert für
gleichen Input die maximal erreichbare Ausbeute bei vollständigem Umsatz und damit das Optimierungspotential.
Abb. 1: Ausbeute an Synthesegas (H2+CO) für Modellbrennstoff Glykol und eine Mischung aus Pyrolyseöl und –koks (Buchenholz) bei verschiedenen Luftzahlen und resultierenden Synthesegas-Temperaturen am Reaktoraustritt, Ergebnisse aus Experimenten und Gleichgewichtsmodell.

Referenzen:
[1] Santo, U., Böning, D., Eberhard, M., Schmid, H., Kolb, T. 2021. Entrained flow
gasification: experiments and balancing for design and scale-up. Deutscher Flammentag 2021,
http://dx.doi.org/10.5445/IR/1000139705

[2] Dammann, M., Santo, U., Böning, D., Knoch, H., Eberhard, M., Kolb, T. 2020. Entrained flow
tion: pilot-scale experimental, balancing and equilibrium data for model validation. (in
submission)