Solid Fuel Conversion in Dual Fluidized Bed Gasification - Modelling and Experiments
Doktorsavhandling, 2018

Dual fluidized bed gasification (DFBG) is the initial step towards the transformation of ligno-cellulosic materials into a raw gas, which can be further upgraded into transportation fuels, such as substitute natural gas, Fischer-Tropsch diesel, dimethyl ether, and methanol. DFBG units can be operated in two distinctly different ways, depending on whether the main product is a gas (to be refined into a transportation fuel) or heat and power (with gas as a by-product). For efficient operation in either mode, the degree of char conversion in the gasification chamber needs to be controlled and optimised. For this purpose, extensive knowledge is required regarding how the degree of char gasification is affected by different parameters.

The aim of this thesis is to identify and fill key knowledge gaps regarding how different parameters influence solid fuel conversion in the gasification chamber of a DFBG unit, using a combination of laboratory-scale experiments and semi-empirical modelling. In addition, the possibility of ensuring adequate fuel conversion for either of the target modes described above is investigated.

The results of the experiments presented in this thesis confirm that the laboratory-scale conditions applied in the experimental determination of reactivity data aimed at modelling fluidized bed gasification should, as much as possible, mimic the conditions of the end-scale reactor to be modelled. In particular, the effects of fuel axial mixing and of catalytic bed materials on char gasification were found to be significant.

A validated semi-empirical 1D model of the gasification chamber of a DFBG unit has been formulated that: 1) accounts for the effect of fuel axial mixing on the char gasification rate; and 2) introduces a computationally efficient method for describing fuel conversion in fluidized beds. The modelling results show that the dominance of fuel convection over fuel dispersion increases with scale. Satisfactory fuel conversion is easily achieved when heat and power are the main products, with gas as a by-product. However, when the main goal is to improve the efficiency of gas production, a combination of baffles, properly chosen operational conditions, and/or the use of an active bed material is likely necessary to achieve sufficient fuel conversion.

dual fluidized bed gasification

fuel mixing

biomass

semi-empirical modelling

char gasification rate

fuel conversion

active bed material

char reactivity

SB-H2, Sven Hultins Gata 6
Opponent: Prof. Franz Winter, Technische Universität Wien, Austria

Författare

Louise Lundberg

Chalmers, Rymd-, geo- och miljövetenskap, Energiteknik, Energiteknik 2

A conversion-class model for describing fuel conversion in large-scale fluidized bed units

Fuel,; Vol. 197(2017)p. 42-50

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Upscaling Effects on Char Conversion in Dual Fluidized Bed Gasification

Energy & Fuels,; Vol. 32(2018)p. 5933-5943

Artikel i vetenskaplig tidskrift

The role of fuel mixing on char conversion in a fluidized bed

Powder Technology,; Vol. 316(2017)p. 677-686

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Influence of Surrounding Conditions and Fuel Size on the Gasification Rate of Biomass Char in a Fluidized Bed

Fuel Processing Technology,; Vol. 144(2016)p. 323-333

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Lundberg, L., Tchoffor, P.A., Pallarès, D., Thunman, H., Davidsson, K. Influence of bed material activation and fuel moisture content on the reactivity of biomass char in a fluidized bed gasifier

Förbränningen av fossila bränslen leder till stora utsläpp av växthus-gasen koldioxid. Den ökande koncentrationen av växthusgaser i atmosfären gör att jordens medeltemperatur ökar, vilket i sin tur leder till klimatförändringar. I Sverige står transportsektorn (bilar, lastbilar, bussar etc.) för en tredjedel av dessa utsläpp. Regeringen har satt upp målet att den svenska fordonsflottan ska vara oberoende av fossila bränslen år 2030. För att uppnå detta mål måste användningen av elbilar och biodrivmedel öka markant.

Biodrivmedel kan framställas genom att förgasa biomassa (exempelvis restavfall från skogs-industrin). Det finns flera olika förgasningstekniker; denna avhandling fokuserar på en teknik som kallas indirekt förgasning. En indirekt förgasningsanläggning med lämplig design har fördelen att den kan drivas på två olika sätt: med gas som enda produkt eller med el och värme som huvudprodukter och gas som biprodukt.

En indirekt förgasare består av två reaktorer: en förbränningskammare som matas med luft och en förgasningskammare som matas med vattenånga och bränsle. Ett bäddmaterial (exempelvis sand eller aska) cirkulerar hela tiden mellan den varma förbränningskammaren och förgasnings-kammaren för att värma upp den sistnämnda. En del av bränsles omvandlas i förgasnings-kammaren; resten följer med bäddmaterialet till förbränningskammaren där det förbränns vilket ger energi. Att förstå vilka mekanismer som styr hur mycket bränsle som omvandlas i varje reaktor är viktigt för att kunna designa och driva indirekta förgasare på ett effektivt sätt.

Denna avhandling undersöker hur bränsleomvandlingen i förgasningskammaren påverkas av olika faktorer, samt hur den kan optimeras. Resultaten visar att några parametrar som är viktiga för bränsleomvandlingen i förgasningskammaren är val av bäddmaterial, bränslets vertikala omblandning och förgasarens skala. Genom att justera driftsförhållandena, använda rätt typ av bäddmaterial och mekaniskt kontrollera bränslets uppehållstid i förgasaren med så kallade bafflar kan bränsleomvandlingen i förgasningskammaren optimeras.

Svenskt förgasningscentrum Etapp 3

Energimyndigheten, 2017-04-20 -- 2021-12-31.

Koksomvandling i indirekt förgasning i fluidiserade bäddar

Energimyndigheten, 2015-02-09 -- 2017-04-30.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Ämneskategorier

Energiteknik

Kemiska processer

Bioenergi

Styrkeområden

Energi

Infrastruktur

Chalmers kraftcentral

ISBN

978-91-7597-788-1

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4469

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

SB-H2, Sven Hultins Gata 6

Opponent: Prof. Franz Winter, Technische Universität Wien, Austria

Mer information

Senast uppdaterat

2018-08-30