Im Rahmen der Arbeit werden Modelle zur Beschreibung des stationären und instationären Betriebsverhaltens der Komponenten der Vergasungsinsel - Bunker, Druckschleuse, Einspeisebehälter, Vergaser, Quench, Venturi-Wäscher, Teilverdampfer und Abscheider - in der Modellierungsumgebung Modelica/Dymola entwickelt. Im Vordergrund steht dabei die Entwicklung eines Modells des SFGT-Vergasers, das den Wärmeeintrag in den Kühlschirm berücksichtigt. Die verwendete Modellierungstiefe der einzelnen Komponenten ermöglicht die Erfassung des Einflusses aller wesentlichen Größen. Damit wird sowohl die genaue Beschreibung einzelner Anlagenkomponenten der Vergasungsinsel als auch die Beschreibung der gegenseitigen Wechselwirkungen ermöglicht. Mit dem entwickelten Modell des SFGT-Vergasers werden umfassende Untersuchungen zum Wärmeeintrag in den Kühlschirm durchgeführt.

To evaluate CO2 emission mitigation potential and cost effectiveness of rice husk utilization, Life Cycle Analysis was conducted for 9 scenarios. The results showed that, gasification is the most efficient CO2 mitigation. From cost analysis, the cost mitigation can be achieved by replacing the current fossil fuels in cooking scenarios. Among the power generation scenarios, it was found that 30MW combustion and 5MW gasification power generations were the most economically-efficient scenarios. The briquette combustion power generation appeared less cost-competitive than direct combustion, whilst the large-scale gasification scenarios and the pyrolysis scenarios give the increase in cost from the baseline. From the viewpoints of both CO2 and cost, it was indicated that the win-win scenarios can be the rice husk use for cooking, for large-scale combustion power generation, and for small-scale gasification. / Để đánh giá tiềm năng giảm thiểu phát thải CO2 và hiệu quả chi phí của việc sử dụng trấu, phương pháp đánh giá vòng đời sản phẩm đã được thực hiện cho 9 kịch bản. Kết quả cho thấy, khí hóa trấu để sản xuất điện có tiềm năng giảm phát sinh khí CO2 nhiều nhất. Kết quả phân tích chi phí cho thấy việc giảm thiểu chi phí có thể đạt được khi thay thế sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong kịch bản dùng trấu cho nấu ăn. Giữa các kịch bản về sản xuất điện, hiệu quả kinh tế cao nhất trong trường hợp đốt trực tiếp trấu để sản xuất điện ở quy mô công xuất lớn (30MW) và khí hóa ở quy mô trung bình (5MW). Trường hợp dùng củi trấu không mang lại hiệu quả kinh tế so với dùng trực tiếp trấu để phát điện. Hai trường hợp dùng trấu để sản xuất dầu sinh học và khí hóa gas công suất lớn (30MW) cho thấy chi phí tăng cao so với điều kiện biên. Kịch bản cho kết quả khả thi về hiệu quả kinh tế và giảm phát thải CO2 là dùng trấu để nấu ăn, đốt trực tiếp để phát điện công suất lớn và khí hóa công suất trung bình.

Die Arbeit zeigt wichtige Nutzungswege von fester Biomasse in Form von Holzhackschnitzel (HHS). Einleitend wird das Potenzial und der derzeitige Stand dargestellt. Es werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften mit dem Schwerpunkt Wassergehalt in bezug auf die energetische Nutzung der HHS behandelt. Kerne der Nutzungswege bilden dabei die Vergasung im Gleichstromvergaser und die Co-Verbrennung in der Zirkulierenden Wirbelschicht. Mit Hilfe eines Versuchsvergasers werden die Auswirkungen von HHS-Eigenschaften auf den Betrieb untersucht. Der Modellvergaser IGEL bietet durch seine Konstruktion die Möglichkeit, innere Vorgänge zu beleuchten und Messungen in verschiedenen Vergaserebenen durchzuführen. Die Auswirkungen von verschiedenen Brennstoffchargen mit unterschiedlichem Wassergehalt führten zu Änderungen in der Gaszusammensetzung. Eigene Untersuchungen ermittelten einen Grenzwassergehalt, mit dem der Vergaser noch betrieben werden kann. Die Experimente an der Pilotanlage mit zirkulierender atmosphärischer Wirbelschicht befass-ten sich mit der wichtigen Frage, ob und welches NOx-Minderungspotenzial beim Einsatz von Biomasse vorliegt. Die mathematische Modellierung verdeutlicht die Nutzbarkeit von Simulationsprogrammen bei der Untersuchung von Einflüssen der Co-Verbrennung auf die NOx-Bildung. Hier wurden die Gesichtspunkte der Luftzahl, der Luftstufung, des Wassergehaltes, das Mischungsverhältnis und die Brennstoffstufung betrachtet. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung führt zu dem Ergebnis, dass Anlagen zur reinen Stromerzeugung mit Biomasse nur nahe der gesetzlichen Höchstleistung von 20 MWel zur Einspeisevergütung von wirtschaftlich betrieben werden können. Die ökologisch und ökonomisch günstigste Variante stellt die Co-Verbrennung in vorhandenen Anlagen dar. Die Kalkulationen zu den in Deutschland benötigten 20-MWel-Anlagen verdeutlichen, dass bei den gegenwärtig geplanten Heizkraftwerken das Potenzial an HHS schnell aufgebraucht ist.

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.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Simulationsansätze angewandt um die Hydrodynamik in einem neu entwickelten Wirbelschichtvergaser zu untersuchen. Die Ansätze umfassen a) entdimensionalisierter Ähnlichkeitskennzahlen und empirischer Gleichungen, b) 1D Simulationen mittels ASPEN Plus®, c) 3D CFD Simulationen mittels Ansys Fluent® zur detaillierten Abbildung der zu erwartenden Hydrodynamik. Vor- und Nachteile der jeweiligen Ansätze sowie Klassen von ermittelbaren Simulationsdaten werden diskutiert. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Identifizierung geeigneter Experimente aus der Literatur, auf Basis von Ähnlichkeitskennzahlen, um die Simulationen zu validieren. Die Vergasersimulationen zeigen, dass sich erwartungsgemäß ein aus hydrodynamischer Sicht gestufter Prozess ausbildet. Die entstehenden Zonen lassen sich als Festbett, blasenbildende Wirbelschicht, Jet-Wirbelschicht mit Rezirkulationszelle und strähnenbildende, zirkulierende Wirbelschicht identifizieren und entsprechen demnach dem Verfahrensanspruch.:1 INTRODUCTION 1 1.1 Market Situation 1 1.2 Objective Work 3 1.3 Structure of this Work 4 2 FUNDAMENTAL CONSIDERATIONS 5 2.1 Fundamentals of Gasification and Gasifiers 5 2.1.1 Counter-Current Fixed-Bed Gasifiers 7 2.1.2 Fluidized-Bed Gasifiers 9 2.1.3 Entrained-Flow Gasifiers 10 2.1.4 Technology Development Trends 11 2.1.5 Conclusion 12 2.2 Fundamentals of Fluidized-Bed Systems 13 2.2.1 Particle Characterization 13 2.2.2 Types of Fluidized Beds and Key Parameters 15 2.2.3 Fast-Fluidized Beds 18 2.2.4 Jetting-Fluidized Beds 19 2.2.5 Spouted Beds 24 2.2.6 Conclusion 27 3 APPROACHES TO ASSESS FLUIDIZED BEDS 28 3.1 Empirical Simulation 28 3.1.1 Nondimensional groups 28 3.1.2 Conclusion 36 3.2 Simulation with ASPEN Plus® 36 3.3 CFD Simulation 38 3.3.1 Modelling Approaches for Numerical Simulation of Fluidized Beds 38 3.3.2 Two Fluid Model (TFM) 40 3.3.3 Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) 44 3.3.4 Conclusion 46 4 COORVED GASIFICATION CONCEPT 48 4.1 Concept of Staged Conversion 48 4.1.1 Drawbacks of Conventional Fluidized-Bed Gasifiers 48 4.1.2 Basic Concept COORVED Gasifier 49 4.1.3 COORVED – Fixed-Bed Zone 49 4.1.4 COORVED – Bubbling-Bed Zone 50 4.1.5 COORVED – Jetting-Bed Zone 50 4.1.6 COORVED – Fast-Bed Zone 51 4.1.7 Conclusion 51 4.2 Test Facility and Reactor Design 52 4.3 Cold Flow Test Unit 53 4.4 Reference Cases 54 4.4.1 Solids Characterization 54 4.4.2 Gas Phase Properties 54 5 COORVED REACTOR IN FLOW REGIME DIAGRAMS 56 5.1 Reh Diagram for the Reference Case 56 5.2 Reh Diagram for Experimental Campaigns and CFD Case 57 5.3 Regime Diagrams for the Jetting-Bed Zone 60 5.4 Conclusion 61 6 CFD SIMULATION OF COORVED REACTOR 62 6.1 Verification of Multiphase CFD Setup 62 6.1.1 Parallelization 64 6.1.2 Pressure Drop and Minimum Fluidization Velocity 65 6.1.3 Conclusion 67 6.2 Grid Study 68 6.2.1 Pressure Drop 69 6.2.2 Voidage Profiles 69 6.2.3 Velocity Profiles 71 6.2.4 Conclusion 72 6.3 Validation Experiment Bubbling Bed and Fast Bed 72 6.3.1 Experimental Setup Holland 73 6.3.2 Simulation Setup 75 6.3.3 Results 77 6.3.4 Conclusion 84 6.4 Validation Experiment Jetting Bed 85 6.4.1 Experimental Setup 85 6.4.2 Simulation Setup 87 6.4.3 Results 88 6.4.4 Conclusion 95 6.5 CFD Simulation COORVED 96 6.5.1 Computational Grid 97 6.5.2 Cold Flow, Single Phase Jet 97 6.5.3 CFD setup 99 6.5.4 Results 99 6.5.5 Conclusion 103 7 ASPEN PLUS® SIMULATION OF THE COORVED GASIFIER 105 7.1 Validation Experiment Bubbling Bed and Fast Bed 105 7.2 COORVED Simulation 107 7.3 Conclusion 108 8 SUMMARY 109 9 OUTLOOK 114 9.1 Modeling Tools 114 9.2 COORVED Development 114 10 APPENDIX 115 11 REFERENCES 120

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.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur thermochemischen Umwandlung von biogenen Einsatzstoffen, insbesondere von Reststoffen wie z.B. Klärschlamm (KS). Das Verfahren soll dezentral, d.h. im Leistungsbereich von 100 – 1.000 kW Feuerungswärmeleistung, und zur Bereitstellung elektrischer Energie eingesetzt werden. Für diese Anforderungen ist beim Stand der Technik kein Verfahren verfügbar. In dieser Arbeit werden die verfahrenstechnischen Zusammenhänge und brennstoffspezifischen Anforderungen analysiert und daraus ein Verfahren abgeleitet, welches für das angestrebte Ziel eingesetzt werden kann. Dieses Verfahren besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen, 1. der Brennstoffumwandlung (Thermo-Chemical-Conversion) auf einem Druck von ca. 3 bar abs. und 2. einem Kraftprozess (Turbo-Compound-Concept). Der erste Verfahrensteil setzt sich aus einer Druck-Wirbelschichtvergasung zur thermochemischen Umsetzung des Brennstoffes, einem Zyklon zur Staubabscheidung und einer nachgeschalteten Druck-Brennkammer zur Verbrennung des Vergasungsgases zusammen. Der zweite Teil beinhaltet als Kraftprozess ein Turbo-Compound-Concept zur Bereitstellung elektrischer Energie, welches thermodynamisch dem Gasturbinenprozess gleicht. Das Verfahren zeichnet sich im Vergleich zum Stand der Technik durch seine Eignung für ein breites Brennstoffspektrum, insbesondere für „schwierige“ Einsatzstoffe (z.B. niedrige Ascheschmelztemperatur), aus. Dies wird durch die Ausgestaltung des Verfahrens in Stufen, die eingesetzten Apparate und die Robustheit der gewählten Kraftmaschine erreicht. Das hergeleitete Verfahren wird mittels Masse-, Stoff- und Energiebilanzen für die Referenzbrennstoffe KS und Holzhackschnitzel (HHS) untersucht, sowohl hinsichtlich des thermodynamischen Potentials (verlustfrei) als auch hinsichtlich real erwartbarer Leistungsdaten durch die Einbeziehung wesentlicher Verluste. In Verfahrensvarianten werden die Abwärmenutzung zur Reaktionsgasvorwärmung, die Abwärmenutzung zur Brennstoffvorbehandlung von Klärschlamm, der Einsatz eines inversen Gasturbinenprozesses und die Anhebung der Turbineneintrittstemperatur analysiert. Im Ergebnis liegt der elektrische Nettowirkungsgrad der Basisvariante unter Berücksichtigung von Verlusten bei ca. 9 % für KS und kann auf bis zu ca. 18 % durch Wärmerückführung zur Reaktionsgasvorwärmung und durch Anheben der Turbineneintrittstemperatur gesteigert werden. Des Weiteren wird speziell für KS gezeigt, dass der Wärmebedarf für dessen Vorbehandlung durch die Abwärme des Verfahrens bilanziell vollständig gedeckt werden kann. Das Ergebnis des inversen Gasturbinenprozesses als Vergleichsprozess hingegen ist, dass damit der elektrische Eigenbedarf die elektrische Bruttoleistung übersteigt und somit keine elektrische Nettoleistung bereitgestellt wird. Als praktischer Schritt zur Entwicklung und Realisierung des Verfahrens wird eine Versuchsanlage im Demonstrationsmaßstab entwickelt und in Betrieb genommen. Bei den experimentellen Untersuchungen liegt in dem hier gesteckten Rahmen der Schwerpunkt auf dem ersten Teil des Verfahrens, der Brennstoffumwandlung unter annähernd atmosphärischen Bedingungen, ohne dass hierbei bereits eine Optimierung in Richtung der NOX-Emissionen vorgesehen ist. Die experimentellen Untersuchungen in dieser Arbeit haben allein das Ziel, die Funktionsweise der Brennstoffumwandlung nachzuweisen. Für die Optimierung sind an der Versuchsanlage ausreichend Möglichkeiten für Primärmaßnahmen zur Minimierung von NOX-Emissionen vorgesehen. Vor dem Hintergrund der Zielstellung verliefen die experimentellen Untersuchungen alle erfolgreich. Im Ergebnis zeigen sich ein stabiler Wirbelschichtbetrieb und dadurch bedingt homogene Verläufe von Temperaturen und Vergasungsgaszusammensetzungen. Die Ascheanalyse zeigt mit nur 3 Ma.-% Glühverlust beim Einsatz von KS einen besseren Brennstoffumsatz im Vergleich zu kommerziellen Großanlagen mit KS-Vergasung. Durch die erfolgreichen experimentellen Untersuchungen zum ersten Teil des Verfahrens, der Brennstoffumwandlung, ist ein wesentlicher Beitrag zur Entwicklung und Realisierung des Gesamtverfahrens geleistet worden. Im Weiteren muss die Optimierung für die NOX-Emissionen und die Ankopplung des Kraftprozesses im Nenndruckbetrieb erfolgen. Hieraus werden ggf. eine konstruktive Anpassung des Turbinenapparates und die Entwicklung von Regelabhängigkeiten für den kombinierten Betrieb beider Teilverfahren notwendig. Die Versuchsanlage ist für einen Überdruckbetrieb zugelassen und kann somit für zukünftige Versuche mit dem zweiten Verfahrensteil eingesetzt werden. Da die Versuchsanlage im Nennbetrieb unter Druck für eine Feuerungswärmeleistung von 230 kW ausgelegt ist, muss sie für eine kommerzielle Anlage nicht skaliert werden.:Abstract I Kurzzusammenfassung III Danksagung V Formelzeichen IX Indizes X Abkürzungsverzeichnis XI Abbildungsverzeichnis XIII Tabellenverzeichnis XVI 1 Einleitung 1 1.1 Zielsetzung 1 1.2 Aufbau der Arbeit 1 1.3 Übergeordnete Relevanz für den Einsatzstoff Klärschlamm 2 2 Stand der Technik 3 2.1 Biogene Einsatzstoffe 3 2.2 Brennstoffvorbehandlung 4 2.2.1 Herstellung von Holzhackschnitzeln und Holzpellets 5 2.2.2 Klärschlammvorbehandlung mittels Faulung und Hydrothermaler Carbonisierung (HTC) 7 2.2.3 Klärschlammtrocknung mit Brüdenverdichtung 14 2.2.4 Zusammenfassung zur Brennstoffvorbehandlung 18 2.3 Vergasung biogener Einsatzstoffe 18 2.3.1 Bilanzierung eines Verfahrens mit Holzpellets 21 2.3.2 Bilanzierung eines Verfahrens mit Holzhackschnitzeln 25 2.3.3 Vergleich der zwei Beispielverfahren 28 2.3.4 Thermochemische Umwandlung von Klärschlamm 29 2.3.5 Zusammenfassung zum Stand der Technik von Vergasungsverfahren biogener Einsatzstoffe 30 3 Entwicklung des Verfahrens 31 3.1 Anforderungen an das Verfahren 31 3.2 Verfahrenshypothese 34 3.3 Herleitung des Verfahrens 36 3.3.1 Wahl des Kraftprozesses 36 3.3.2 Stufung des thermochemischen Umwandlungsverfahrens 40 3.3.3 Wahl der Apparate 42 3.4 Zusammenfassung zur Entwicklung des Verfahrens 45 4 Theoretische Untersuchung des Verfahrens 46 4.1 Bilanzierung des Verfahrens (Basisvariante) 46 4.1.1 Referenzbrennstoffe 48 4.1.2 Bilanzierungsmethode und Annahmen 49 4.1.3 Thermodynamisches Potential des Verfahrens 55 4.1.4 Verlustbehaftete Bilanzierung des Verfahrens 59 4.1.5 Detailergebnis zur Prozessberechnung des Turbo-Compound-Concept 65 4.2 Untersuchung von Verfahrensvarianten 67 4.2.1 Wärmerückgewinnung zur Reaktionsgasvorwärmung 67 4.2.2 Deckung des Energiebedarfs zur Brennstoffvorbehandlung 75 4.2.3 Inverser Gasturbinenprozess 78 4.3 Ergebniszusammenfassung der untersuchten Verfahrensvarianten 83 4.4 Einordnung des Verfahrens in den Stand der Technik 86 5 Experimentelle Untersuchungen 88 5.1 Versuchsanlage 88 5.2 Ergebnisse zur experimentellen Untersuchung der Brennstoffumwandlung 91 5.3 Zusammenfassung zu den experimentellen Untersuchungen 103 5.4 Optimierungspotential zum Turbo-Compound-Concept 104 6 Betrachtungen zu Transport- und Entsorgungskosten 110 7 Zusammenfassung und Ausblick 114 Anhang 120 A.1 Zum Stand der Technik 120 A.1.1 Übersicht realisierter KWK-Anlagen im dezentralen Bereich 120 A.1.2 Möglichkeiten zur Wasserentfernung aus Klärschlamm 124 A.2 Erläuterungen Zum Bilanzierungsmodell 127 A.2.1 Stoff- und Energiebilanzen 127 A.2.2 Verzweigungs- und Sammelstellen in der Bilanz 128 A.2.3 Strom/Werteübergabe für Masse und Energie in Stromflussrichtung 129 A.2.4 Reaktionen und Reaktionsenthalpien 130 A.2.5 Vergleich der Vergasungsgaszusammensetzung je nach Berechnung 131 A.3 Brennstoffeigenschaften 134 A.3.1 Analysemethoden 134 A.3.2 Vergleich verschiedener Brennstoffe 134 A.4 Zu den experimentellen Ergebnissen der Brennstoffumwandlung 138 A.4.1 Betriebsart Verbrennung in der Wirbelschicht (λ>1) 138 A.4.2 Betriebsart Vergasung in der Wirbelschicht (λ<1) 140 A.4.3 Brennkammer der Versuchsanlage, Luftzahlen und Verweilzeiten 142 A.5 Zum Turbo-Compound-Concept 145 A.5.1 Daten des Versuchsanlagen-TCS 145 A.5.2 Weitere Bilanzierungsannahmen zum Optimierungspotential des Turbo-Compound-Concept 146 Literaturverzeichnis 148 / The objective of this work is the development of a process for a thermochemical conversion of biogenic input materials, especially residuals like sewage sludge. This process targets a decentralized application, i.e. a power range of 100 – 1.000 kW thermal input, and the provision of electrical power. Considering the state of the art, there is no process available for those requirements. This work analyzes the correlations concerning process engineering and combustible-specific requirements in order to derive a process which can be utilized for the pursued goal. This process mainly consists of two stages – first, a fuel conversion (Thermo-Chemical Conversion) under 3 bar pressure abs. and, second, a power process (Turbo-Compound-Concept). The first stage of the process is composed of a pressurized fluidized bed gasification to convert the combustibles, a cyclone for dust separation and a downstream pressurized combustion chamber for the combustion of the gasification gas. For the provision of electrical energy, the second stage contains a turbo-compound-concept as power process which is thermodynamically identical to the gas turbine process. Compared to the state of the art the process is characterized by its suitability for a broad range of combustibles, especially for „difficult“ input materials (e.g. low ash melting temperature). This is achieved by the staged design of the process, the utilized devices and the durability of the chosen engine. The deduced process is analyzed by using energy, mass and material balances for the reference combustibles sewage sludge and woodchips, regarding their thermodynamic potential (loss-free), as well as realistically anticipated performance data considering major losses. In several process variations, the waste heat utilization for preheating the reaction gas and pretreating sewage sludge, the application of an inverted gas turbine process and the increase of the turbine inlet temperature are analyzed. The results show an electrical net efficiency of about 9 % for the standard process version using sewage sludge and in consideration of losses. This can be increased up to 18 % by an economizer for preheating the reaction gas and by raising the turbine inlet temperature. Furthermore, it is shown especially for sewage sludge that the waste heat of the process is able to cover the heat demand for the pretreatment. The result of the inverse gas turbine process as comparative process points out, though, that the auxiliary power consumption exceeds the gross electrical power and, therefore, no electrical net output can be provided. As a practical step towards developing and realizing the process, a pilot-scaled test plant is designed and put into operation. Within the set goal, the main focus concerning the experimental investigations is on the first process stage, the conversion of combustibles under close-to-atmospheric conditions, without taking into account an optimization regarding NOx emissions yet. The experimental tests in this work aim to prove the functionality of the fuel conversion only. For the optimization of NOx emissions, sufficient options of primary measures are implemented at the test plant. Concerning the objective of this work, all tests were carried out successfully. The results show a stable operation of the fluidized bed inducing homogeneous progressions of temperatures and gasification gas compositions. With an ignition loss of only about 3 % by weight when using sewage sludge the ash analysis shows a better net burning rate compared to commercial large-scale plants for sewage sludge gasification. The successful examination of the first process stage, the combustible conversion, significantly contributed to the development and realization of the process as a whole. Furthermore, an optimization of NOx emissions as well as the coupling of the power process under nominal pressure conditions (3 bar abs.) need to be examined. Thereof it could become necessary to adapt the design of the turbine device and also to develop process control dependencies for a combined operation of both process stages. The pilot plant is approved for overpressure mode and, therefore, can be used for future tests of the second process stage. It is not necessary to scale the pilot plant for commercial application as it is designed for a nominal thermal input of 230 kW while operating under pressure.:Abstract I Kurzzusammenfassung III Danksagung V Formelzeichen IX Indizes X Abkürzungsverzeichnis XI Abbildungsverzeichnis XIII Tabellenverzeichnis XVI 1 Einleitung 1 1.1 Zielsetzung 1 1.2 Aufbau der Arbeit 1 1.3 Übergeordnete Relevanz für den Einsatzstoff Klärschlamm 2 2 Stand der Technik 3 2.1 Biogene Einsatzstoffe 3 2.2 Brennstoffvorbehandlung 4 2.2.1 Herstellung von Holzhackschnitzeln und Holzpellets 5 2.2.2 Klärschlammvorbehandlung mittels Faulung und Hydrothermaler Carbonisierung (HTC) 7 2.2.3 Klärschlammtrocknung mit Brüdenverdichtung 14 2.2.4 Zusammenfassung zur Brennstoffvorbehandlung 18 2.3 Vergasung biogener Einsatzstoffe 18 2.3.1 Bilanzierung eines Verfahrens mit Holzpellets 21 2.3.2 Bilanzierung eines Verfahrens mit Holzhackschnitzeln 25 2.3.3 Vergleich der zwei Beispielverfahren 28 2.3.4 Thermochemische Umwandlung von Klärschlamm 29 2.3.5 Zusammenfassung zum Stand der Technik von Vergasungsverfahren biogener Einsatzstoffe 30 3 Entwicklung des Verfahrens 31 3.1 Anforderungen an das Verfahren 31 3.2 Verfahrenshypothese 34 3.3 Herleitung des Verfahrens 36 3.3.1 Wahl des Kraftprozesses 36 3.3.2 Stufung des thermochemischen Umwandlungsverfahrens 40 3.3.3 Wahl der Apparate 42 3.4 Zusammenfassung zur Entwicklung des Verfahrens 45 4 Theoretische Untersuchung des Verfahrens 46 4.1 Bilanzierung des Verfahrens (Basisvariante) 46 4.1.1 Referenzbrennstoffe 48 4.1.2 Bilanzierungsmethode und Annahmen 49 4.1.3 Thermodynamisches Potential des Verfahrens 55 4.1.4 Verlustbehaftete Bilanzierung des Verfahrens 59 4.1.5 Detailergebnis zur Prozessberechnung des Turbo-Compound-Concept 65 4.2 Untersuchung von Verfahrensvarianten 67 4.2.1 Wärmerückgewinnung zur Reaktionsgasvorwärmung 67 4.2.2 Deckung des Energiebedarfs zur Brennstoffvorbehandlung 75 4.2.3 Inverser Gasturbinenprozess 78 4.3 Ergebniszusammenfassung der untersuchten Verfahrensvarianten 83 4.4 Einordnung des Verfahrens in den Stand der Technik 86 5 Experimentelle Untersuchungen 88 5.1 Versuchsanlage 88 5.2 Ergebnisse zur experimentellen Untersuchung der Brennstoffumwandlung 91 5.3 Zusammenfassung zu den experimentellen Untersuchungen 103 5.4 Optimierungspotential zum Turbo-Compound-Concept 104 6 Betrachtungen zu Transport- und Entsorgungskosten 110 7 Zusammenfassung und Ausblick 114 Anhang 120 A.1 Zum Stand der Technik 120 A.1.1 Übersicht realisierter KWK-Anlagen im dezentralen Bereich 120 A.1.2 Möglichkeiten zur Wasserentfernung aus Klärschlamm 124 A.2 Erläuterungen Zum Bilanzierungsmodell 127 A.2.1 Stoff- und Energiebilanzen 127 A.2.2 Verzweigungs- und Sammelstellen in der Bilanz 128 A.2.3 Strom/Werteübergabe für Masse und Energie in Stromflussrichtung 129 A.2.4 Reaktionen und Reaktionsenthalpien 130 A.2.5 Vergleich der Vergasungsgaszusammensetzung je nach Berechnung 131 A.3 Brennstoffeigenschaften 134 A.3.1 Analysemethoden 134 A.3.2 Vergleich verschiedener Brennstoffe 134 A.4 Zu den experimentellen Ergebnissen der Brennstoffumwandlung 138 A.4.1 Betriebsart Verbrennung in der Wirbelschicht (λ>1) 138 A.4.2 Betriebsart Vergasung in der Wirbelschicht (λ<1) 140 A.4.3 Brennkammer der Versuchsanlage, Luftzahlen und Verweilzeiten 142 A.5 Zum Turbo-Compound-Concept 145 A.5.1 Daten des Versuchsanlagen-TCS 145 A.5.2 Weitere Bilanzierungsannahmen zum Optimierungspotential des Turbo-Compound-Concept 146 Literaturverzeichnis 148

The aim of the present work about experimental and mathematical modelling of moving-bed-gasification was to increase the transparency of the process. At Dresden University of Technology a gasifier with a high number of measuring points was used. Two-dimensional profiles of temperature and gas-concentrations were analysed. Samples of particles taken out of the reactor gave information about drying, pyrolysis and char-reactions. A commercial CFD-software was modified for the special application of fixed-bedgasifiers by subroutines. Comparisons of the results of experiment and simulation showed the constitutive process with its significant reaction-behaviour. By variation of different parameters, important influences were discussed. / Das Ziel der Arbeit war die Erhöhung der Prozeßtransparenz der Festbettvergasung im kleinen Leistungsbereich. Es besteht einerseits eine große Wissenslücke, welche einen durchschlagenden Erfolg für den Brennstoff Holz bisher verhinderte. Andererseits besitzt die Technologie ein energiewirtschaftlich bedeutendes und unter den gegenwärtigen politischen Rahmenbedingungen betriebswirtschaftlich hohes Potential. Ein Modellvergaser war mit umfangreichen Meßmöglichkeiten ausgerüstet. Mittels daran angepaßter Probenahmevorrichtungen konnten in den Untersuchungen auf der Basis von 16 Stützstellen zweidimensionale Profile der Temperatur und der Gaszusammensetzung ermittelt werden. Die Partikelproben aus drei Meßebenen gaben Auskunft über den Trocknungs- und Pyrolysefortschritt sowie über den Koksumsatz. Parallel erfolgte die Erarbeitung einer Mathematischen Modellierung. Hier wurde eine kommerzielle Strömungssimulations-Software mittels Unterprogramme an die Anforderungen der Festbettvergasung angepaßt. Im Vergleich der Ergebnisse aus Experiment und Simulation konnte der Reaktionsablauf dargestellt, sowie Einflüsse verschiedener Parameter auf den Prozeß diskutiert werden.

This paper introduces an energy-saving biomass stove. The principle of energy-saving biomass stove is gasification. It is a chemical process, transforms solid fuel into a gas mixture, called (CO + H2 + CH4) gas. Emission lines in the stove chimneys typically remain high temperatures around 900 to 1200C. The composition of the flue gas consists of combustion products of rice husk which are mainly CO2, CO, N2. A little volatile in the rice husk, which could not burn completely, residual oxygen and dust will fly in airflow. The amount of dust in the outlet gas is a combination of unburnt amount of impurity and firewood, usually occupied impurity rate of 1 % by weight of dry husk. Outlet dust of rice husk furnace has a normal size from 500μm to 0.1 micron and a particle concentration ranges from 200-500 mg/m3. Gas emissions is created when using energy-saving stove and they will be used as the main raw material in combustion process Therefore the CO2 emission into the environment when using the stove will be reduced up to 95% of a commonly used stove. / Bài báo giới thiệu một bếp tiết kiệm dùng năng lượng sinh khối. Bếp tiết kiệm năng lượng thực hiện nguyên lý khí hóa sinh khối. Đó là một quá trình hóa học, chuyển hóa các loại nhiên liệu dạng rắn thành một dạng hỗn hợp khí đốt, gọi là khí Gas (CO + H2 + CH4). Dòng khí thải ra ở ống khói của bếp thông thường có nhiệt độ vẫn còn cao khoảng 900 ~ 1200C. Thành phần của khói thải bao gồm các sản phẩm cháy của trấu, chủ yếu là các khí CO2, CO, N2, một ít các chất bốc trong trấu không kịp cháy hết, oxy dư và tro bụi bay theo dòng khí. Lượng bụi tro có trong khói thải chính là một phần của lượng không cháy hết và lượng tạp chất không cháy có trong củi, lượng tạp chất này thường chiếm tỷ lệ 1% trọng lượng trấu khô.Bụi trong khói thải lò đốt trấu thông thường có kích thước hạt từ 500μm tới 0,1μm, nồng độ dao động trong khoảng từ 200-500 mg/m3. Lượng khí thải được sinh ra khi sử dụng bếp tiết kiệm năng lượng, sẽ được dùng làm nguyên liệu đốt cháy chính của quá trình đó. Do đó lượng khí CO2 thải ra môi trường khi sử dụng bếp tiết kiệm sẽ được giảm xuống 95 % so với sử dụng bếp thường.