The objective of this thesis is to provide an extensive description of the correlations in some of the most crucial sub-processes for hard coal fired IGCC with carbon capture (CC-IGCC). For this purpose, process simulation models are developed for four industrial gasification processes, the CO-shift cycle, the acid gas removal unit, the sulfur recovery process, the gas turbine, the water-/steam cycle and the air separation unit (ASU). Process simulations clarify the influence of certain boundary conditions on plant operation, performance and economics. Based on that, a comparative benchmark of CC-IGCC concepts is conducted. Furthermore, the influence of integration between the gas turbine and the ASU is analyzed in detail. The generated findings are used to develop an advanced plant configuration with improved economics. Nevertheless, IGCC power plants with carbon capture are not found to be an economically efficient power generation technology at present day boundary conditions.

Mit der Arbeit werden braunkohlegefeuerte IGCC-CCS-Kraftwerke gesamtheitlich beschrieben, deren Potenziale erarbeitet und mit ASPEN Plus™ sowie EBSILON® Professional simulativ abgebildet. Es kann gezeigt werden, dass ausgehend von Basiskonzepten braunkohlegefeuerter IGCC-CCS-Kraftwerke mit verschiedenen Potenzialen zum gegenwärtigen Stand der Technik sowie dem im Jahr 2025 Wirkungsgradsteigerungen sowie prozesstechnische Vereinfachungen möglich sind. Als Potenziale werden dabei verringerte Braunkohletrocknung, konservativere Annahmen der technologischen Auslegung als auch Modifizierungen der CO-Konvertierung, sowie für das Jahr 2025 konservative Annahmen und innovative Potenziale untersucht. Ausgangspunkt bildet eine Analyse von bestehenden und zukünftig erwarteten Prozesskomponenten braunkohlegefeuerter IGCC-CCS-Kraftwerke unter Berücksichtigung von drei unterschiedlichen Vergasungsverfahren (nach Siemens, nach Shell und dem HTW-Verfahren).

Reliable energy supply is a major concern and crucial for development of the global society. To address the dependency on fossil fuel and the negative effects of this reliance on climate, there is a need for a transition to cleaner sources. An attractive solution for replacing fossil-based products is renewable substitutes produced from biomass. Gasification and pyrolysis are two promising thermochemical conversion technologies, facing challenges before large-scale commercialization becomes viable. In case of biomass gasification, tar is often and undesired by-product. An attractive option to convert tar into syngas is nickel-based catalytic steam reforming (SR). For biomass pyrolysis, catalytic SR is in early stages of investigation as a feasible option for bio-crude conversion to syngas. The focus of the thesis is partly dedicated to describe research aimed at increasing the knowledge around tar reforming mechanisms and effect of biomass-derived impurities on Ni-based tar reforming catalyst downstream of gasifiers. The work focuses on better understanding of gas-phase alkali interaction with Ni-based catalyst surface under realistic conditions. A methodology was successfully developed to enable controlled investigation of the combined sulfur (S) and potassium (K) interaction with the catalyst. The most striking result was that K appears to lower the sulfur coverage and increases methane and tar reforming activity. Additionally, the results obtained in the atomistic investigations are discussed in terms of naphthalene adsorption, dehydrogenation and carbon passivation of nickel. Furthermore, the thesis describes research performed on pyrolysis gas pre-conditioning at a small-industrial scale, using an iron-based catalyst. Findings showed that Fe-based materials are potential candidates for application in a pyrolysis gas pre-conditioning step before further treatment or use, and a way for generating a hydrogen-enriched gas without the need for bio-crude condensation. / Tillförlitlig energiförsörjning är en stor utmaning och avgörande för utvecklingen av det globala samhället. För att ta möta beroendet av fossil råvara och de negativa effekter som detta beroende medför för klimatet finns ett stort behov av en övergång till renare energiråvaror. En attraktiv lösning är att ersätta nuvarande fossil råvara med produkter från biomassa. Förgasning och pyrolys är två lovande teknologier för termokemisk omvandling av biomassa. Kommersialisering av dessa teknologier är inte helt problemfritt. I fallet förgasning så behöver, bl.a. oönskade tyngre kolväten (tjära) hanteras innan den producerade orenade produktgasen kan användas i syntesgastillämpningar. Ett effektivt alternativ för detta är gaskonditionering vid höga temperaturer, baserade på katalytisk ångreformering med en nickelkatalysator. Katalytisk ångreformering är en möjlig teknik för omvandling av bioråvara, producerad från pyrolys av biomassa, till syntesgas. Avhandlingen fokuserar delvis på att beskriva den forskning som utförts för att öka kunskapen kring mekanismer för tjärreformering och effekterna av föroreningar från biomassan på en nickelkatalysator nedströms förgasare. Arbetet bidrar till en bättre förståelse av hur alkali i form av kalium (K) i gasfasen upptas, jämviktas och växelverkar med ytan hos nickelkatalysatorn under fullt realistiska förhållanden. Inledningsvis utvecklades en metod för att möjliggöra kontrollerade studier av den kombinerade effekten av S och K, vilken inkluderar exakt dosering av alkali till en produktgas, eliminering av transienter i katalysatoraktiviteten samt katalysatorkarakterisering. Det mest lovande resultatet är att K både sänker ytans svavelinnehåll och ökar aktiviteten för omvandlingen av metan och tjära. För att ytterligare fördjupa kunskaperna i mekanismerna för tjärnedbrytning utfördes experimentella och teoretiska ytstudier på en enkristallnickelyta med naftalen som modellförening. Resultat avseende naftalenadsorption, dehydrogenering av naftalen och kolpassivering av nickelytan diskuteras. Därutöver så beskriver avhandlingen den forskning som utförts inom förkonditionering av pyrolysgas med en järnkatalysator för varsam deoxygenering av biooljan och vätgasproduktion. Detta utfördes vid en småskalig industriell anläggning. De experimentella studierna visar att den undersökta järnkatalysatorn resulterar i en vätgasberikad gas och att den är en potentiell kandidat för tillämpning i ett förkonditioneringssteg. / <p>QC 20170830</p>

The objective of this thesis is to provide an extensive description of the correlations in some of the most crucial sub-processes for hard coal fired IGCC with carbon capture (CC-IGCC). For this purpose, process simulation models are developed for four industrial gasification processes, the CO-shift cycle, the acid gas removal unit, the sulfur recovery process, the gas turbine, the water-/steam cycle and the air separation unit (ASU). Process simulations clarify the influence of certain boundary conditions on plant operation, performance and economics. Based on that, a comparative benchmark of CC-IGCC concepts is conducted. Furthermore, the influence of integration between the gas turbine and the ASU is analyzed in detail. The generated findings are used to develop an advanced plant configuration with improved economics. Nevertheless, IGCC power plants with carbon capture are not found to be an economically efficient power generation technology at present day boundary conditions.

Mit der Arbeit werden braunkohlegefeuerte IGCC-CCS-Kraftwerke gesamtheitlich beschrieben, deren Potenziale erarbeitet und mit ASPEN Plus™ sowie EBSILON® Professional simulativ abgebildet. Es kann gezeigt werden, dass ausgehend von Basiskonzepten braunkohlegefeuerter IGCC-CCS-Kraftwerke mit verschiedenen Potenzialen zum gegenwärtigen Stand der Technik sowie dem im Jahr 2025 Wirkungsgradsteigerungen sowie prozesstechnische Vereinfachungen möglich sind. Als Potenziale werden dabei verringerte Braunkohletrocknung, konservativere Annahmen der technologischen Auslegung als auch Modifizierungen der CO-Konvertierung, sowie für das Jahr 2025 konservative Annahmen und innovative Potenziale untersucht. Ausgangspunkt bildet eine Analyse von bestehenden und zukünftig erwarteten Prozesskomponenten braunkohlegefeuerter IGCC-CCS-Kraftwerke unter Berücksichtigung von drei unterschiedlichen Vergasungsverfahren (nach Siemens, nach Shell und dem HTW-Verfahren).:1 Einleitung und Zielsetzung 2 Grundlagen und Methodik 2.1 IGCC und CCS 2.2 Gewählte Randbedingungen 2.3 Untersuchte Konzepte 2.4 Grundlagen der Konzeptbewertung 2.4.1 Energetische Analyse 2.4.2 Exergetische Analyse 2.4.3 Kohlenstoffbilanz 2.5 Verfahrenstechnische Simulationswerkzeuge 3 IGCC-CCS-Kraftwerksprozess 3.1 Vergasung 3.1.1 Reaktionen 3.1.2 Fluiddynamische Klassifizierung 3.1.3 Vergasungstechnologien 3.1.4 Flowsheet Simulation der Vergasungstechnologien 3.1.5 Vergleich der abgebildeten Vergasungstechnologien 3.2 Vergasungsstofftrocknung und -aufbereitung 3.2.1 Technologie der Vergasungsstofftrocknung und -aufbereitung 3.2.2 Flowsheet Simulation der Vergasungsstofftrocknung und -aufbereitung 3.3 Sauerstoffbereitstellung 3.3.1 Technologie der kryogenen Luftzerlegung 3.3.2 Flowsheet Simulation der kryogenen Luftzerlegung 3.3.3 Potenziale 3.4 Gaskonditionierung 3.4.1 Kühlung, Entstaubung und Spurstoffentfernung 3.4.2 CO-Konvertierung 3.4.3 CO2- und H2S-Abtrennung 3.4.4 H2S-Aufbereitung 3.4.5 CO2-Verdichtung und -Speicherung 3.4.6 Reingaskonditionierung 3.5 Stromerzeugung im GuD-Prozess 3.5.1 Technologie des GuD-Prozesses 3.5.2 Flowsheet Simulation des GuD-Prozesses 3.5.3 Potenziale 3.6 Gesamtkonzepte für IGCC-CCS-Kraftwerke zum gegenwärtigen Stand der Technik 3.7 Betrachtungen zu Strängigkeit und Verfügbarkeit der Gesamtkonzepte für IGCC-CCS-Kraftwerke zum gegenwärtiger Stand der Technik 4 Konzeptstudien 4.1 Konservative Annahmen zum gegenwärtigen Stand der Technik 4.2 Verringerte Braunkohletrocknung zum gegenwärtigen Stand der Technik 4.3 Modifizierte CO-Konvertierung zum gegenwärtigen Stand der Technik 4.3.1 Quenchkonvertierung 4.3.2 Isotherme katalytische CO-Konvertierung 4.3.3 Kombination von Quenchkonvertierung und isothermer katalytischer CO-Konvertierung 4.4 Konservative Annahmen zum Stand der Technik im Jahr 2025 4.5 Innovatives Potenzial zum Stand der Technik im Jahr 2025 5 Zusammenfassung