Experimental investigation of high-pressure, high-temperature solid fuel gasification

Botteghi, Federico

Federico Botteghi

Original title:: Experimental investigation of high-pressure, high-temperature solid fuel gasification
Translated title:: Experimentelle Untersuchungen der Kohlevergasungskinetik unter industrierelevanten Bedingungen
Author:: Botteghi, Federico
Year:: 2015
Document type:: Dissertation
Faculty/School:: Fakultät für Maschinenwesen
Advisor:: Spliethoff, Hartmut (Prof. Dr. habil.)
Referee:: Spliethoff, Hartmut (Prof. Dr. habil.); Tognotti, Leonardo (Prof. Dr.)
Language:: en
Subject group:: ERG Energietechnik, Energiewirtschaft; MAS Maschinenbau
Keywords:: energy, fossil fuels, power generation, gasification
Translated keywords:: Energie, Vergasung, Leistungsproduktion, Brennstoff
TUM classification:: ERG 000d
Abstract:: Coal fired IGCC power plant design offers huge potential for future power generation in terms of raw fuel availability, efficiency and, most importantly, flexibility. Pressurized entrained flow gasification is considered one of the best options in current gasification technology thanks to its compactness, reliability, and fuel flexibility. Since it is not affordable to perform investigations directly in an industrial setting, it is therefore of fundamental importance to study the gasification behavior of fuels in pilot-plant scale and lab-scale test rigs that provide boundary conditions comparable to large scale facilities. This dissertation provides experimental measurements of process parameters such as fuel conversion and fuel particle temperature at conditions relevant to industrial process and aims to produce valuable data that can then be fed into analytical modeling and simulation tools. PART I of this thesis is focuses on the experimental activities carried out in order to investigate the gasification behavior of solid fuels during gasification at high temperature and high pressure. Set-ups used in this work, include a pressurized and an atmopsheric entrained flow reactors, thermogravimetric analyzers and a wire mesh reactor. Different aspects of the gasification process are investigated in this thesis. Pressure and temperature influence are investigated during devolatilization and gasification experiments. The work’s novelty is assured by the investigation of reactant partial pressure influence with CO₂, H₂O and a mixture of both, which is performed in the entrained flow reactors at high temperature and at high pressure.. Reactant partial pressure influence is also investigated at lower temperatures in TGAs. Several experiments with char samples produced in the entrained flow reactors are carried out with pure reactants in order to retrieve intrinsic kinetic data. Mixed gasification atmosphere experiments are compared with literature models. Compounds contained in the ash, especially alkali and alkali earth metal species (AAEM) may have an influence on the gasification process. Both devolatilization and gasification experiments are carried out with raw and demineralized coal samples in order to quantify the effects. Many of the mechanisms involved in solid fuel gasification are temperature driven. It is, therefore, crucially important to know the temperature of reacting particles during the process. In PART II, an optical measurement technique is presented, which allows the contactless measurement of particle surface temperature in difficult environment such as entrained flow reactors. The instrument is based on the 2-color pyrometry and is designed to optimize its performance with respect to the facilities available at the Institute for Energy Systems, TUM, Germany. In PART II the functioning of the instrument is described, and the optical design is discussed. The 2-color pyrometer also allows calculation of the size of particles. The instrument finds application in two facilities: a combustion entrained flow reactor and an entrained flow gasifier.
Translated abstract:: Mit Kohle betriebene IGCC-Kraftwerke zeigen großes Potential für die künftige Stromerzeugung bezüglich Brennstoffverfügbarkeit, Effizienz und insbesondere Flexibilität. Aufgrund der Kompaktheit, Zuverlässigkeit und Brennstoffflexibilität wird die Flugstromvergasung unter Druck als eine der besten Optionen der verfügbaren Vergasungstechnologien angesehen. Die Umwandlung eines festen Brennstoffes in ein Synthesegas ist ein komplexer Prozess. Da es finanziell nicht möglich ist, die Untersuchungen im industriellen Maßstab durchzuführen, ist es erforderlich, das Vergasungsverhalten von Brennstoffen in Pilotanlagen und Laborversuchen unter industrienahen Betriebsbedingungen zu untersuchen. Diese Dissertation beinhaltet experimentelle Messungen von Prozessparametern, wie beispielsweise Brennstoffumsatz und Partikeltemperaturen, unter industrierelevanten Bedingungen, mit dem Ziel, nützliche Daten als Grundlage für analytische Modelle und Simulationen bereitzustellen. TEIL I dieser Arbeit beschäftigt sich mit den Experimenten, die durchgeführt wurden, um das Vergasungsverhalten fester Brennstoffe bei hohen Temperaturen und Drücken zu untersuchen. Den Kern des experimentellen Aufbaus bildet der Pressurized High Temperature Entrained Flow Reactor (PiTER), welcher Temperaturen von bis zu 1600 °C bei einem Druck von bis zu 2,0 MPa als Versuchsbedingungen ermöglicht. Weitere Anlagen, die in dieser Arbeit verwendet wurden, sind ein atmosphärischer Flugstromreaktor, thermogravimetrische Analysatoren (TGA) und ein Drahtnetzreaktor. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte des Vergasungsprozesses diskutiert. Druck- und Temperatureinflüsse wurden während Pyrolyse- und Vergasungsexperimenten untersucht. Die Neuheit der Arbeit wird durch die Untersuchung des Partialdruckeinflusses von CO2, H2O und einer Mischung aus beiden Reaktanten gewährleistet. Diese Experimente wurden in Flugstromreaktoren bei hohen Temperaturen und hohen Drücken durchgeführt. Der Einfluss des Partialdruckes der Reaktanten wurde außerdem bei niedrigeren Temperaturen in TGAs untersucht. Viele dieser Experimente wurden mit Pyrolysekoksen, hergestellt in den Flugstromreaktoren, und mit reinen Reaktanten durchgeführt, um intrinsische kinetische Daten zu ermitteln. Vergasungsexperimente mit Mischungen aus CO₂ und H₂O wurden mit Modellen aus der Literatur verglichen und es stellt sich heraus, dass das Vergasungsverhalten stark kohleabhängig ist. Komponenten in der Asche, insbesondere Alkalien und Erdalkalimetalle (AAEM) haben möglicherweise einen Einfluss auf den Vergasungsprozess. Sowohl Pyrolyse- als auch Vergasungsexperimente wurden mit reinen und demineralisierten Kohleproben durchgeführt, um diese Effekte zu quantifizieren. Viele der Mechanismen, die bei der Vergasung fester Brennstoffe beteiligt sind, werden von der Temperatur angetrieben. Deswegen ist es entscheidend, die Temperatur der reagierenden Partikel während des Prozesses zu kennen. In TEIL II wird eine optische Messmethode vorgestellt, die es ermöglicht, die Temperatur der Partikeloberflächen in schwierigen Umgebungen, wie beispielsweise in Flugstromreaktoren, kontaktlos zu messen. Das Messgerät basiert auf der Zwei-Farben-Pyrometrie und wurde für Messungen an den Reaktoren des Lehrstuhls für Energiesysteme optimiert. In TEIL II wird die Funktionsweise des Messgerätes und das optische Design diskutiert. Das Zwei-Farben-Pyrometer erlaubt außerdem die Bestimmung von Partikelgrößen. Das Instrument wurde an zwei Anlagen getestet: an einem Flugstromverbrennungsreaktor und einem Flugstromvergaser.
Series:: Forschungsschriften des Lehrstuhls für Energiesysteme
ISBN:: 978-3-8439-2502-0
WWW:: https://mediatum.ub.tum.de/?id=1245300
Date of submission:: 21.05.2015
Oral examination:: 07.12.2015
Last change:: 21.07.2016
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