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Ziel der thermochemischen Vergasung ist die Erzeugung eines brennbaren Produktgases aus einem festen Kohlenstoffträger bei unterstöchiometrischer Sauerstoffzufuhr mit möglichst hoher Effizienz. Gerade im kleinen und mittleren Leistungsbereich haben sich luftgeblasene, autotherme, atmosphärische Festbettverfahren etabliert. Eine wesentliche Herausforderung speziell bei „stratified downdraft“ Reaktoren („throatless gasifier“) stellt die Prozessstabilität und damit die Wanderung der Reaktionsfront im Schüttbett dar. Damit verbundene Inhomogenitäten können zu Kanalbildung und damit zu erhöhtem Teergehalt im Produktgas führen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels experimenteller Untersuchungen und mathematischer Modellierung die Transparenz des Prozesses der autothermen luftgeblasenen Festbettvergasung von Holz in „stratified downdraft“ Reaktoren zu verbessern. Es wird eine Versuchsanlage im Technikumsmaßstab konzipiert und aufgebaut, um die gewonnenen Ergebnisse und Betriebserfahrungen auf technische Anwendungen übertragen zu können. Im praktischen Versuchsbetrieb wird der Einfluss der Betriebsparameter Vergasungsgutfeuchte und Leerrohrgeschwindigkeit im Hinblick auf die Stabilisierung der Reaktionsfront bei gleichzeitiger Optimierung der Leistungsparameter der Vergasungsanlage und Minimierung des Gehalts an kondensierbaren Kohlenwasserstoffen untersucht. Vorgeschaltet ist eine kritische Analyse und Bewertung der eingesetzten Messmethoden, um den Vergleich mit bisherigen Untersuchungen zu ermöglichen. Weiterhin wird ein zweistufiges mathematisches Modell vorgeschlagen, das erste Voraussagen bezüglich der Auslegung von Vergasungsreaktoren einerseits und des Betriebsverhaltens bestehender Systeme in Abhängigkeit der gewählten Betriebsparameter und Einsatzstoffe andererseits erlaubt. Das Modell wird anhand der praktischen Versuchsergebnisse validiert. Thermochemical gasification aims to produce a combustible gas from a solid carbon carrier under substoichiometric oxygen supply with the highest possible efficiency. Especially within small and mediumscale air-blown, autothermal, atmospheric fixed-bed processes have been established. Process stability is a major challenge, especially in stratified downdraft reactors („throatless gasifier“) and therefore the migration of the reaction front within the packed bed. Associated inhomogeneities can lead to channeling effects and thus to increased tar content in the producer gas. The scope of this work is to gain transparency of the autothermal air-blown fixed-bed wood gasification process in stratified downdraft reactors by means of experimental investigations and mathematical modelling. The design and build-up of a pilot plant on a technical scale allows to transfer gained results and operational experience to technical applications. Practical test operation focuses on the influence of the operating parameters biomass moisture content and superficial velocity to stabilize the reaction front while optimizing the performance parameters of the gasification plant and minimizing the content of condensable hydrocarbons at the same time. A prior critical analysis and assessment of the measuring methods enables a comparison with previous studies. Furthermore, a two-stage mathematical model is proposed which permits first predictions regarding the design of gasification reactors on the one hand and the operating behavior of existing systems depending on the selected operating parameters and feed materials on the other hand. The model is validated on the basis of practical test results. |
