Teerentstehung und Teerminderung bei allothermer Wirbelschichtvergasung

Eine zentrale Problematik in der Biomassevergasung ist die Entstehung von Teer, der bei Abkühlung des Produktgases kondensiert und zu Ablagerungen in den nachfolgenden Prozessschritten führt. Im ersten Teil dieser Dissertation werden die primären Einflussmöglichkeiten zur Teerminderung bei allothermer, Dampf geblasener Wirbelschichtvergasung durch die Betriebsparameter und das Koksinventar der Wirbelschicht untersucht und quantifiziert, sowie die axiale Teerfreisetzung innerhalb der Wirbelschicht. Im zweiten Teil der Arbeit werden Untersuchungen zur sekundären Teerminderung mittels Katalysatoren durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wurde eine Versuchsanlage im Technikumsmaßstab mit einer Feuerungswärmeleistung von maximal 30 kW verwendet. Um die Effizienz verschiedener Katalysatoren zur Teerreformierung in Festbettschüttungen zu testen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Katalyseteststrecke konstruiert und in einen Produktgasteilstrom des Vergasers integriert. Die relevanten Betriebsparameter, welche den Teergehalt im rohen Produktgas beeinflussen sind Temperatur, Druck sowie das Verhältnis von Dampf- zu Biomassezugabe (S/B). Es wurden Messungen in den Grenzen 750 °C bis 840 °C, 1 bar bis 2,5 bar und S/B=0,8 bis 1,2 durchgeführt. Als Extremwerte des Rohteergehalts werden bei 750 °C, 2,5 bar, S/B=0,8 mit 7,3 g/Nm3 und bei 840 °C, 1 bar, S/B=1,2 mit 2,1 g/Nm3 gemessen. Relevant für die teerarme Betriebsweise ist der Massenanteil an Koks in der Wirbelschicht, welcher bereits bei 7,5 % den Rohteergehalt um 40 % mindert. In dieser Arbeit wird eine scheinbare kinetische Konstante zur in-situ Umsetzung des freigesetzten Teers an Koks experimentell bestimmt, mit welcher in Abhängigkeit des Koksgehalts die Teerminderung abgeschätzt werden kann. Mit einer Gasentnahmesonde wurde kontinuierlich Produktgas aus beliebigen Höhen der Wirbelschicht und des Freeboards entnommen und die Zusammensetzung der Hauptgaskomponenten und der Teergehalt analysiert. Es zeigt sich, dass der Großteil des Teers in der Übergangszone zwischen Wirbelschicht und Freeboard freigesetzt wird. Zur sekundären Teerminderung wurden neu entwickelte Eisen-Katalysatoren verwendet und mit kommerziell erhältlichen Nickel- und Edelmetall-Katalysatoren verglichen. Die Eisen-Katalysatoren sind in der Lage bis zu 72 % des Teers umzusetzen. Dies ist für eine komplette Abreinigung nicht ausreichend und liegt deutlich unter den Teerumsätzen der Nickel- und Edelmetall-Katalysatoren.