Inorganic trace substances in a sorption enhanced gasification process and their removal

Kopsch, Markus; Müller, Michael; Peschel, Andreas

doi:10.18154/RWTH-2025-02830

Inorganic trace substances in a sorption enhanced gasification process and their removal = Anorganische Spurenstoffe in einem sorptionsunterstützten Vergasungsprozess und ihre Entfernung

Kopsch, Markus^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Alexander Kopsch

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Müller, Michael (Thesis advisor)^RWTH* ; Peschel, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-02830
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1006938/files/1006938.pdf

Einrichtungen

Projekte

GICO - Gasification Integrated with CO2 capture and conversion (101006656) (101006656)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ca-looping gasification process (frei) ; CaL (frei) ; FactSage (frei) ; GICO (frei) ; HGC (frei) ; sorption (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Energiebereitstellung durch Biomasse bzw. durch Biomasserückstände genießt derzeit aufgrund der Energiekrise hohe Akzeptanz in der deutschen Bevölkerung. Ein Prozess, welcher die Nutzung von Biomasserückständen als Brennstoffquelle für die Stromerzeugung ermöglicht, ist der derzeit im europäischen GICO-Projekt entwickelte Ca-Looping-Vergasungsprozess. In dieser Arbeit werden Modellierungs- und Versuchsergebnisse zum Freisetzungsverhalten anorganischer Spurenstoffe und zur Sorptionsmittelauswahl zusammengefasst, die zur Entwicklung eines geeigneten Heißgasreinigungskonzepts des Vergasers und Kalzinators verwendet werden können. Umfangreiche Gleichgewichtsberechnungen mit FactSage für den GICO Vergaser (650 °C) und Kalzinator (920 °C) belegen, dass Alumosilikate und Sr- und Ba-basierte Sorbentien die Konzentration von Alkali- und Sauergasen (H2S/SO2, HCl) auf Werte unter 1 ppmv reduzieren können. Kondensationsberechnungen betonen den Bedarf an temperaturbeständigen H2S-Sorbentien, da herkömmliche Sorptionsmaterialien, z. B. Zn2TiO4, zur Verdampfung neigen. Diese kann im späteren Prozess zur Kondensation von unerwünschten Salzen und Oxiden führen. Das Freisetzungsverhalten von anorganischen Spurenstoffen aus (un)behandelten Biomassen wurde mittels Molekularstrahl-Massenspektrometrie (MBMS) untersucht. Die Sorptionsgrenzen von Alumosilikaten, Erdalkali- und Seltenerdoxiden nach der Vergasung wurden in Festlaborbettuntersuchungen bei 650 °C mittels Massenspektrometrie (MS) bestimmt. Die Untersuchungen zeigen, dass Alumosilikate für die Alkalientfernung geeignet sind. H2S kann mittels CaO-stabilisierter SrO- und BaO-Sorbentien ausreichend reduziert werden. Die Konzentrationen werden jeweils unter 1 ppmv abgesenkt. Kompatibilitätsexperimente zwischen Filtermaterial (Al- und Ca-Mg-Silikat Fasern) und Sorbentien wurden durchgeführt, um eine mögliche Integration der Sorbentien in die Filterkerze zu untersuchen. Während Zn-Sorbentien in die Filterkerze integriert werden können, da sie nicht mit den Filterkerzenmaterialien reagieren, bilden sich bei Verwendung von Sr- und Ba-Sorbentien Aluminium- und Silikatphasen. Auf Grundlage der Modellierungsberechnungen, Freisetzungs-, Sorptions- und Kompatibilitätsexperimente werden schließlich chemische Heißgasreinigungskonzepte für verschiedene Sorptionsmittel vorgestellt.

The energy supply by biomass, especially by biomass residues, currently enjoys high acceptance among the German population due to the energy crisis. A process that enables the use of biomass residues for power generation is the Ca-looping gasification process proposed in the European GICO-Project. This process requires a hot gas conditioning (HGC) unit for a gasifier and a calciner to remove inorganic trace substances. To this end, extensive equilibrium calculations with FactSage were conducted for the GICO gasifier (650 °C), and calciner (920 °C), showing that aluminosilicates, Sr-, and Ba-based sorbents could reduce the alkali, respectively sour gas (H2S/SO2, HCl) concentration to sub ppmv levels. Condensation calculations reveal the need for temperature-resistant H2S sorbents since conventional ones, e.g. Zn2TiO4, tend to evaporate, leading to the condensation of unwanted salts, and oxides. Since the release behavior of inorganic trace species and their adsorptive removal under gasification-like conditions between 650 °C and 700 °C has hardly been investigated, the experimental focus of this work is placed on the gasifier operating at 650 °C. The release behavior of inorganic trace substances from raw, water-leached, and hydrochar biomass samples was investigated using molecular beam mass spectrometry (MBMS). The sorption capacity of aluminosilicates, alkaline earth, and rare earths-based sorbents was determined by mass spectrometry (MS) in fixed bed lab-scale investigations. The investigations showed that aluminosilicates are suitable for alkali removal. Furthermore, the results indicate that Ca-stabilized Sr- and Ba-sorbents reduce H2S sufficiently. In both cases, concentrations could be brought below 1 ppmv. Compatibility experiments between filter material (Al- and Ca-Mg-silicate fibers) and sorbents were conducted to investigate the possibility of integrating the sorbents into the filter candles in order to allow a more compact HGC design. Since the Zn-sorbents are not reacting with the filter candle material, they can be integrated into the filter candle. However, aluminum- and silicate-phases are formed when using Sr- and Ba-based sorbents leading to potential risks such as the formation of cracks. Based on the modeling calculations, release, sorption, and compatibility experiments, chemical HGC concepts for different sorbents are proposed.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)