Biomass gasification using air with addition of oxygen can be the right way to increase the quality of the syngas produced. This thesis aims to characterize the gasification process using oxygen-enriched air and verify its effect on the gas. The theoretical part deals with description of the technology with an emphasis on various gasifying agents and different possibilities of increasing gas quality. The practical part contains the results of measurements on the atmospheric fluidized bed reactor and their evaluation. The experiment was performed with various oxygen enrichment taking into account the capabilities of the equipment used.

Biomass pyrolysis and gasification techniques count among basic technological procedures for its use as a source of energy. As a side-effect, production of tar can be considered. Tar is a complex mixture of various organic compounds and affects negatively both the environment and the facilities where biomass is processed. Within the scope of this master thesis the analysis of tar samples from different materials was performed. As an appropriate analytical method the gas chromatography combined with flame ionization detection (GC-FID) and time-of-flight mass spectrometry (GC-TOF-MS) was chosen. The concentrations of volatile organic compounds known as BTEX, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) and phenolic compounds were assessed.

Biomass is a renewable source of energy and represents an acceptable alternative to fosil fuels. Usable methods of energetic use of biomass are combustion and gasification. Main interest is focused on gasification in last years. Gasification is based on conversion of organic material to usable gaseous product called syngas, which can be used as a fuel for energy production. Large amount of tar is formed as a by-product of incineration and gasification of biomass. Tar is composed by various mixture of organic substances, has a negative effect on operating conditions and is a potential threat to environment. Experimental part of this study was focused on analysis of tar obtained by gasification of various kind of biomass. Selected groups of hydrocarbons and oxygen compounds were identified in analysed samples. Individual biomass samples were compared regarding to determined relative content of selected substances. Analysis was done by complete twodimensional gas chromatography with mass spectrometric detection (GCxGC/TOF-MS).

Für die Modellierung der Hochdruck-Partialoxidation von Heiz- und Schweröl werden zunächst Untersuchungen des Einsatzstoffes durchgeführt, um deren Verdampfungs- und Pyrolyseverhalten zu bestimmen. Dazu wird das Verfahren der Hochdruck-Thermogravimetrie verwendet. Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik unter Anwendung von detaillierten Reaktionsmechanismen und eines umfangreichen Partikelmodells werden die Zustände im Reaktor modelliert. Die Validierung mit Verweilzeitmessungen wird demonstriert und damit verbundene Probleme aufgezeigt. Anhand von Untersuchungen am Vergasungsrückstand kann die Existenz von Cenosphären (Tropfenrückstände) und von in der Flamme gebildetem Ruß nachgewiesen werden.

Um einen dauerhaften Einsatz Al2O3-basierter Feuerfestwerkstoffe in Hochtemperaturanlagen zur Synthesegaserzeugung zu ermöglichen, erfolgte die Entwicklung neuer Materialien mit verbesserter Thermoschock- und Korrosionsbeständigkeit gegenüber flüssiger Kohleschlacke. In einem industrienahen Spinell-Alumina-Verbundwerkstoff lässt sich die Mikro- und Porenstruktur durch Zugabe von 6 Gew.-% eines Spinell-reichen Zements optimieren, wodurch die Infiltration und zugleich die Korrosion durch saure Braunkohleasche erheblich reduziert werden konnte. Die Zugabe von 2,5 Gew.-% TiO2 zu einer Al2O3-Gießmasse führt ebenfalls zur Verbesserung der Thermoschockbeständigkeit und verhindert während des Tiegeltests die weitere Auflösung der Al2O3-Matrix, indem sich auf dem Werkstoff durch Reaktion mit MgO der Schlacke eine dichte in situ Spinell-Schutzschicht ausbildet. So erfolgte die Entwicklung von Materialien mit hervorragenden thermomechanischen Eigenschaften und ausreichender Korrosionsbeständigkeit, welche als umweltfreundliche und kostengünstige Alternative zu den derzeit eingesetzten Cr2O3-reichen Werkstoffen angesehen werden können.

Thermal co-processing of coal and biomass has been increasingly focused for its environmental and economic benefits. In the present work, the experimental and kinetic study on co-pyrolysis and co-gasification of Rhenish brown coal (HKN) and wheat straw (WS) was made. The pyrolysis behavior, especially for co-pyrolysis, was investigated in a thermogravimetric analyzer (TGA) and a small fixed bed reactor (LPA). In TGA, the mass loss and reaction rate of single and blend samples were studied under various experimental conditions, and their effects on synergy effects. The synergy effects on products yield and properties of chars were studied in LPA. The kinetics of pyrolysis was obtained based on data from TGA by using the Coats-Redfern method. For gasification with CO2, a small fixed bed reactor (quartz glass reactor), equipped with an online GC to monitor the gas composition, was used. The effects of processing conditions on gasification behavior and synergy effects for mixed chars and co-pyrolysis chars were investigated. The volume reaction model (VRM), shrinking core model (SCM) and random pore model (RPM), were applied to fit the experimental data. The model best fitting the experiments was used to calculate the kinetic parameters. The reaction orders of gasification reactions with single chars are also investigated. The pyrolysis study showed that a small amount of wheat straw added to the brown coal promoted the decomposition better and showed more significant synergy effects. The synergy effects varied with increasing heating rates and pressures, especially at 40 bar. The kinetic parameters were inconsistent with experimental behavior during co-pyrolysis, since the reaction was also affected by heat transfer, contact time, particles distribution and so on. The gasification study on single chars showed that Rhenish brown coal chars had higher reactivity; chars pyrolyzed at higher temperatures showed lower reactivity; and higher gasification temperatures and CO2 partial pressures led to higher reactivity. For co-gasification process, there was no significant synergy effect for mixed chars. However, negative synergy effects (reactivity decreased compared to the calculated values based on rule of mixing) were observed for co-pyrolysis chars, caused by properties change by co-pyrolysis process. For kinetics, the reaction orders of chars ranged from 0.3 to 0.7. Only random pore model fitted most experiments at low and high temperatures. Synergy effects were also observed in kinetic parameters. The values of activation energy E and pre-exponential factor A for mixed chars and co-pyrolysis chars were lower than expected. The negative synergy effects showed the pre-exponential factor A had more effects. However, the higher reactivity of mixed chars than co-pyrolysis chars showed that the reaction was affected more by activation energy E. Therefore, only investigating E or A value was not enough. In addition, a marked compensation effect between activation energies and pre-exponential factors was found in the present study. The isokinetic temperature for the present study was 856 °C. This was close to the temperature at which the gasification reaction transforms from the chemical controlled zone to the diffusion controlled zone for most chars.

Anlagen zur Herstellung von Synthesegas (CO·H2) aus kohlenstoffhaltigen Rohstoffen werden durch hohe Temperaturen bis zu 1600 °C und Drücken bis zu 50 bar beansprucht und benötigen daher Schutz durch eine feuerfeste Ausmauerung. Zur Steigerung der Effizienz und Lebensdauer solcher Vergasungsanlagen ist die Entwicklung neuer keramischer Hochtemperaturwerkstoffe erforderlich. Solch ein Material stellt eine Al2O3-reiche Gießmasse dar, welche durch den gezielten Einsatz verschiedener ZrO2- und TiO2-Gehalte optimiert wurde. Es hat sich gezeigt, dass bereits durch die Zugabe geringer Mengen an ZrO2 bzw. TiO2 sowohl die Temperaturwechselbeständigkeit als auch die Korrosionsbeständigkeit von Al2O3 gegenüber Kohleschlacken erheblich verbessert werden kann, was auf die Ausbildung einer Spinell-Schutzschicht während des Korrosionsvorgangs zurückzuführen ist.

This study examines the possibility of electricity production through gasification of agricultural residues in Sudan. The study begins in Chapter 1, by providing general contextual analysis of the energy situation (production and consumption patterns) in Sudan with specific focus on electricity. It proceeded to study the potential of Petroleum, Biomass and other renewable sources for electricity production. Dramatic increase in electricity production was found to be essential especially through decentralised power plants as the current electricity production services cover ~ 13 % of the population of Sudan. Biomass potential in Sudan justifies the use of agricultural residues as energy source; its potential was estimated by ~ 350000 TJ/a. Further, the urban centres of arid regions in western Sudan were identified as the target group for this study. In chapter 2, specific investigations for selected study area through field work using statistical tools such as questionnaires, interviews and field observation show that income is highly correlated to electricity consumption. The flat rate system did not result in higher consumption thus the assumption that this consumption will not drastically change in the next 10 years could be accepted. As orientation value for BGPP, 8000 tons of GN.S are available annually, the average electricity consumption is ~ 4 kWh/day/family while acceptable price could be 40 SDD/kWh (0.15 €). In chapter 3, literature review was carried to spot out the comparative merits of the gasification technology and the most optimum gasifying and electricity production system. As a result downdraft gasifier and ICE were suggested as suitable systems. In chapter 4, fuel properties and fuel properties of agricultural residues were studied, different samples were tested and the results were presented. The main conclusions derived were: fuel properties of agricultural residues are modifiable properties, so utlization planning is possible as for any other energy resource. In Sudan, Baggase, Groundnuts shells and Roselle stalks could be considered as possible fuels. The experimental work done in chapter 5 showed that GN.S could be gasified in down draft gasifiers, which are less costly and simpler to operate than circulating systems. Acceptable values of gas thermal properties (c.v.~ 4 MJ/Nm3, 30 % of burnable gases) at fairly continuing processes were obtained. In chapter 6, a concept for biomass power plant was drafted, the main components are: downdraft, air based gasifier connected to ICE, multi-stage gas cleaning system (cyclones, washer and filters) mechanical ash removal and semi closed water cycle. Main operation measures are: electricity is the sole product; working time is 150 day/year between mid Novembermid Mars. Environmental hazards of waste management e.g. flue gas emission and waste water management are the limiting factors. In the last part of chapter 6 an economic analysis was carried out. At a value of 3000 €/kW for the initial system and fuel price of 100000 €/year for ~6 GWh then a price of 0.23 €/kWh and a return period of 24 years could be obtained. The study concludes in chapter 7 that biomass gasification under the local conditions has its comparative merits however a high institutional support is needed at the beginning. / Diese Studie untersucht die Möglichkeit der Elektrizitätsproduktion durch Vergasung von landwirtschaftlichen Abfällen im Sudan. Die Untersuchung beginnt im Kapitel 1 mit der Bereitstellung einer allgemeinen zusammenhängenden Analyse der Energiesituation (Produktions- und Verbrauchsmuster) im Sudan mit dem besonderen Fokus auf Elektrizität, gefolgt von einer Studie des Potentials von Petroleum, Biomasse und anderer erneuerbarer Quellen für die Produktion von Elektrizität. Eine starke Zunahme bei der Elektrizitätsproduktion wurde als nötig bewertet, da dezentrale Kraftwerke, als die gegenwärtigen Elektrizitätsproduktionsbetriebe, nur die Versorgung von 13 % der Bevölkerung im Sudan abdecken. Das geschätzte Potential der landwirtschaftlichen Abfälle liegt bei ca. 350.000 TJ/Jahre damit kommen sie als Energiequelle in Frage. Weiterhin wurden urbane Zentren der ariden Regionen in Westsudan als Zielgruppe für die Untersuchung ausgewählt. In Kapitel 2 werden detaillierte Untersuchungen für das ausgewählte Studiengebiet durch Feldstudien unter Verwendung von statistischen Werkzeugen, wie Fragebögen, Interviews und Felduntersuchungen dargestellt. Das Ergebnis zeigt, dass das Einkommen im höchsten Maße mit dem Elektrizitätsverbrauch korreliert ist. Das Flat rate System hatte keinen höheren Verbrauch zur Folge, folglich kann die Annahme akzeptiert werden, dass sich der Verbrauch in den nächsten 10 Jahren nicht drastisch ändern wird. Als Orientierungswert für Biomasse Kraftwerk: 8.000 t/Jahr Erdnussschalen sind verfügbar. Der durchschnittliche Elektrizitätsverbrauch beträgt ca. 4 kWh/Tag/Familie betrachtet für 10.000 Familien. Im Kapitel 3 wird eine Literaturrecherche für die Vergasungstechnologie durchgeführt, zum Vergleich ihrer Vorteile und zur Auswahl des optimalen Vergasungs- und Gasumwandlungssystems. Als Ergebnis wurden der Festbett-Gleichstrom-Vergaser und gas Motor als passende Systeme vorgeschlagen. In Kapitel 4 werden Brennstoff Eigenschaften von landwirtschaftlichen Abfällen untersucht, verschiedene Proben getestet und die Ergebnisse präsentiert. Die Hauptschlussfolgerung daraus ist: Brennstoff Eigenschaften von landwirtschaftlichen Abfällen sind veränderbare Eigenschaften, welche eine bessere Planung erlauben und somit ihre Verwendung favorisieren. Im Sudan können Bagasse, Erdnussschalen und Rosellenstiele als optimaler Brennstoff gelten. Die experimentelle Arbeit in Kapitel 5 zeigt, dass Erdnussschalen im 75 kW Festbett-Gleichstrom-Systemen vergast werden können, welche weniger kostenintensiv und einfach zu bedienen sind als zirkulierende Systeme. Akzeptable Werte der Gaseigenschaften (c.v. ca. 4 MJ/Nm³, 35 % von brennbaren Gasen) wurden in kontinuierlichen Prozessen erreicht. In Kapitel 6 wurde ein Konzept für Biomassekraftwerke entworfen. Deren Hauptkomponenten sind: Festbett-Gleichstrom-Vergaser in Verbindung mit ICE, mehrstufige Gasreinigungssysteme (Zyklone, Wäscher und Filter), mechanische Aschensysteme und ein teilweise geschlossener Wasserkreislauf. Hauptbetriebsmaßnahmen sind: Elektrizität als das einzige Produkt, die Arbeitszeit beträgt 150 Tage pro Jahr zwischen November und April. Umweltrisiken des Abfallmanagements z.B. Rauchgas und Abwassermanagement sind die limitierenden Faktoren. Im letzten Teil von Kapitel 6 wurde eine ökonomische Analyse durchgeführt. Ein Wert von 3000 €/kW für das Anfangssystem und ein Kraftstoffpreis von 100.000 €/Jahr für 6 GWh dann ein Preis von 0,23 €/kWh und eine Amortisationszeit von 24 Jahren können angenommen werden. Die Studie schlussfolgert, dass die Vergasung unter den Bedingungen des Studiengebietes ihre Vorteile hat, jedoch ist institutionelle Unterstützung am Anfang nötig.

Les procédés thermochimiques solaires étudiés concernent la conversion de charges hydrocarbonées solides ou gazeuses en syngas, ainsi que la réduction d’oxydes en métaux en utilisant l’énergie solaire concentrée pour effectuer les réactions endothermiques, permettant ainsi le stockage de l’énergie solaire intermittente en carburants sans émissions de CO2. Ce travail a pour objectif l’étude expérimentale de trois procédés solaires incluant la gazéification de biomasse, le reformage de méthane en boucle chimique, et la carboréduction de ZnO et MgO. La gazéification et le reformage permettent la valorisation de biomasse bois et de méthane en syngas, tandis que la carboréduction permet de produire Zn et Mg à partir de ZnO et MgO. Ces procédés ont été étudiés dans des réacteurs solaires de 1.5 kWth, en utilisant le rayonnement concentré fourni par des systèmes à concentration du laboratoire PROMES, Odeillo, France. L’impact des paramètres opératoires de chaque procédé sur les mécanismes réactionnels, conversion, rendement, et performances énergétiques a été évalué en détail. Ces procédés ont permis d’améliorer la conversion chimique, les rendements en syngas, les efficacités énergétiques tout en permettant un stockage de l’énergie solaire en combustibles transportables, avec des performances globales supérieures aux procédés conventionnels. De plus, leur faisabilité, fiabilité et robustesse pour la conversion de méthane et biomasse en syngas et la production de Mg et Zn en fonctionnement batch ou continu sous pression réduite ou atmosphérique en conditions solaires réelles ont été démontrés. / The investigated solar thermochemical processes consist of the thermochemical conversion of solid and gaseous carbonaceous feedstocks into syngas as well as metal oxides reduction into metal commodities utilizing concentrated solar energy to drive endothermic chemical reactions, thereby enabling intermittent solar energy storage into solar fuels and avoiding CO2 emissions. This work aims to experimentally investigate three key solar thermochemical conversion approaches regarding biomass gasification, chemical looping reforming of methane, and carbothermal reduction of ZnO and MgO. Solar gasification and solar chemical looping reforming allowed valorizing wood biomass and methane into syngas, while solar carbothermal reduction was applied to produce Zn and Mg from ZnO and MgO. Such solar thermochemical processes were performed in 1.5 kWth prototype solar chemical reactors, utilizing highly concentrated sunlight provided by a solar concentrator at PROMES laboratory, Odeillo, France. The impact of controlling parameters of each process on the reaction mechanism, conversion, yields, and process performance, during on-sun testing was investigated and evaluated thoroughly. Such processes were proved to significantly improve the chemical conversion, syngas yields, energy efficiency, with solar energy storage into transportable fuels, thereby outperforming the conventional processes. Moreover, their feasibility, reliability, and robustness in converting both methane and biomass feedstocks to syngas as well as producing Mg and Zn metals in batch and continuous operation under vacuum and atmospheric conditions during on-sun operation were successfully demonstrated.

La présente étude porte sur les effets de CO2 sur la pyrolyse de la biomasse et la gazéification de chars dans des conditions de chauffe lente et de chauffe rapide. Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié les effets du CO2 sur la réaction de pyrolyse rapide à haute température et évalué ses effets sur la vitesse de pyrolyse, sur le rendement de gaz ainsi que sur les propriétés du char. Nous avons aussi étudié la réaction de gazéification en atmosphère mixte en présence de CO2 et de H2O. Enfin, nous avons imaginé le cas hypothétique d’un gazogène au CO2 pur. Le cas d’une pyro-gazéification sous CO2 pur a été abordé au niveau de la particule de biomasse, expérimentalement et théoriquement par la modélisation numérique avec l’objectif de fournir des temps caractéristiques de pyrolyse et de gazéification, et de comprendre le déroulement de la pyro-gazéification sous CO2. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à la question de la gazéification des chars obtenus par chauffe lente, en présence de CO2 avec deux objectifs principaux : d’une part, de fournir des données de réactivité dans des conditions opératoires de réacteurs de gazéification et d’autre part, de comprendre les mécanismes de réaction de gazéification sous CO2, H2O et leurs mélanges. Nous avons examiné l’influence de la taille des particules sur la vitesse de gazéification sous des atmosphères simples de CO2 et H2O en utilisant une approche basée sur le module de Thiele. Nous avons également étudié les effets de la température et de la taille des particules sur la gazéification du char sous atmosphères mixtes contenant CO2 et H2O à 900°C. Nous avons également abordé la question des atmosphères cycliques en examinant l’effet de la gazéification du char sous CO2 sur sa réactivité à H2O et vice versa. Pour mieux comprendre les mécanismes de gazéification dans des atmosphères simples et mixtes de CO2 et H2O, nous avons suivi l’évolution de la texture, de la structure et de la chimie de surface du char le long de la gazéification sous CO2, H2O et leurs mélanges. Des caractérisations chimiques, texturales et structurales ont été ainsi effectuées sur des particules de char partiellement gazéifiés à 20%, 50% et 70% de conversion sous CO2, H2O et leurs mélanges. Ces caractérisations conduisent à une meilleure compréhension du déroulement de la réaction de gazéification. / The present work deals about the effects of CO2 enriched atmospheres on biomass pyrolysis and char gasification reactions in High Heating Rate (HHR) and Low Heating Rate (LHR) conditions, at the biomass particle level. In the first part, we studied the effects of CO2 on the high temperature fast pyrolysis reaction and evaluate its effects on the pyrolysis rate, on the gas yield as well as on the char properties including chemical composition, texture and reactivity at 850°C. We focused also on the effects of CO2 on the HHR-char gasification reaction when injected as a co-reactant with steam. We studied the mixed atmosphere gasification reaction in CO2 and H2O for different atmosphere compositions. Finally, we imagined a hypothetical case of a pure CO2 operating gasifier. The case of a pure CO2 pyrogasification process was tackled experimentally and theoretically by numerical modelling with aim to provide pyrolysis and gasification characteristic reaction times, and to understand the unfolding of the global CO2 pyro-gasification reaction. In the second part, we were interested on the issue of LHR-char gasification in the presence of CO2 with two principal objectives: on one hand, providing reactivity data for practical gasification operations and on the other hand, understanding the gasification reaction mechanisms (in CO2, H2O and their mixtures) at the level of the char basic structural units (BSU). We examined the influence of particle size on the single atmosphere gasification in CO2 and H2O using the Thiele modulus approach. We also studied the effects of temperature and particle size on the char gasification in mixed atmosphere of CO2 and steam at 900°C. We also had a focus on the issue of cyclic atmosphere gasification and studied the effects of a prior CO2 gasification on the char reactivity towards H2O and vice versa. To further understand the char gasification mechanisms in single and mixed atmospheres of CO2 and H2O, we opted to monitor the evolution of the chemical, structural and textural char properties along the gasification in CO2, H2O and their mixtures. Deep char characterization were performed on small LHR-char particles partially gasified at 20%, 50% and 70% of conversion in CO2, H2O and their mixtures. These characterisations are of high interest as they shed light on the unfolding of the gasification reaction in CO2, H2O and their mixtures.