Solar gasification in dual fluidized bed using solids as heat carrier

Abstract

Biomass steam gasification assisted by concentrated solar energy is an attractive technology for the production of storable renewable energy and the reduction of CO2 emissions. However, several challenges have stalled its deployment over the last decades: high temperature and/or large reactor volume required for complete fuel (char) conversion, the achievement of a steady syngas generation independent of solar radiation variation, and accomplishing effective heat supply at high temperature in large-scale reactors. This thesis deals with the analysis and design of a new scalable process to carry out the solar steam gasification overcoming the mentioned technical challenges. This thesis proposes a new concept of biomass gasification assisted by solar thermal energy, as an extension of the state-of-the-art dual fluidized bed gasification (DFBG). In the process the gasification unit in the DFBG is not only heated by the solids coming from the combustion unit, but also by an external stream of solids that has been previously heated in a solar particle receiver. This configuration allows uncoupling the solar receiver and the reactor using a thermal energy storage (TES), while the thermal integration is highly efficient since carrier particles are directly used in the reactor. The reactor will operate with high share of solar external heat when available, while it will send more char to the combustor when the fraction of solar external heat decreases (at nights or during winter time). A model of the proposed solar DFBG (SDFBG) was developed and used to assess the performance of the system. The results show that char conversion of 70–80% is a compromise for having a significant solar share in the syngas (around 12 %, defined as the fraction of chemical energy in the product gas coming from the solar energy) while maintaining reasonable gasifier volume i.e., char residence time in the range of 20-30 min. This operation is far from those of existing DFBG, using a much smaller gasifier volume, with limited residence time (1-5 min) and extent of char conversion (10-30%). Different integrations for the external solids circulation into the DFBG system were studied and, two of them were identified as the most advantageous for implementation in the process. The required solids circulations for the operation at high solar share resulted similar to those reported from existing DFBGs but, the required solids inventory for that operation is typically ten times higher than that in conventional DFBGs. As a result, current DFBGs should be significantly modified to allow the operation both in solar mode and autothermal conditions. The new features imposed by the operation of the SDFBG require from a precise understanding of the fluid-dynamics of the system. A model of a conventional DFBG is developed to understand the hydrodynamic performance of current units, and then to extend the knowledge to solar conditions. The cold flow model (CFM) at TU-Wien, one of the pioneering CFM developed for studying the fluid-dynamics performance of DFBGs, is taken as reference and, experimental measurements from this unit are compared with the model results. The model was used to preliminary assess the fluid-dynamic characteristics of SDFBGs. The results show that typical solids inventories and solids fluxes required by an SDFBG can be achieved by increasing around three times the diameter of the gasification unit compared to that of a conventional DFBG. Moreover, the loop seal is identified as a key element for allowing the flexible operation of the SDFBG under different external heat loads. Motivated by the key role of loop seal unit in the SDFBG, experimental work was carried out in an isolated loop seal CFM, intended to shed light on the fluid-dynamics of these units and, looking for fundamental knowledge to improve the current semi-empirical models. Results from the study show that the resistance offered by the horizontal passage (opening) of the loop seal, leads to non-homogeneous gas-solids flow pattern which, ultimately, establishes the fluid-dynamic performance of the unit. The non-ideal gas-solids flow patterns occurring in actual loop seals were demonstrated not to be addressed by simple semi-empirical 1D models, needing more complex computational models to capture the 2D/3D effects. Although CFD is a useful tool to predict the behavior of these units, a comprehensive generalization is difficult; conclusions from this work can be useful to understand different designs. All the gained knowledge was gathered and used to design a flexible SDFBG able to operate both under autothermal and at high allothermal conditions. The previously identified most advantageous integration options of the external solids circulation into the DFBG were considered, leading to different design and operation requirements. Char conversions in the gasifier from autothermal to high allothermal operation ranges from 15 to 80%, respectively, while the maximum solar external heat load rounds 2.6 MJ/kgbio,daf (typically 14% of the heating value of the biomass). This contrasts with the maximum share calculated by equilibrium (≈5 MJ/kgbio,daf), indicating that there is still room for improvement if operating conditions in the gasifier are optimized. Overall, the work clearly demonstrates that the proposed SDFBG presents huge scale up potential, taking the most of current state-of-the-art technologies of DFBG after some modifications, mainly: a wider gasifier unit, a narrower riser-combustor and a dedicated lower loop seal for adapting the operation to changes in external heat loads. Moreover, reactor optimization measures such as the combination of the developed solar DFBG with catalytic gasification and addition of sorbent to capture CO2 seem to be promising extensions to provide even further benefits.

La gasificación con vapor de biomasa asistida por energía de concentración solar, es una tecnología atractiva para la producción de energía renovable y almacenable, así como para la reducción de las emisiones de CO2. Sin embargo, varios desafíos han estancado su implementación en las últimas décadas: las altas temperaturas y/o el gran volumen de reactor requeridos para la conversión completa de combustible (char), la dificultad de generar un gas de síntesis constante independientemente de la radiación solar y la de implementar, en reactores a gran escala, un suministro de calor externo efectivo a altas temperatura. Esta tesis incluye el análisis y diseño de un nuevo proceso para llevar a cabo la gasificación solar con vapor, superando los retos técnicos mencionados para poder escalar el proceso. El nuevo concepto de gasificación de biomasa asistida por energía solar térmica es una extensión de la gasificación de lecho fluidizado dual (DFBG, de sus siglas en inglés) actual. En el proceso propuesto, la unidad de gasificación en el DFBG es calentada por los sólidos provenientes de la unidad de combustión y, además, por una corriente de sólidos externa previamente calentada por energía solar de concentración. Esta configuración permite desacoplar el receptor solar y el reactor, manteniendo una integración térmica muy eficiente ya que las partículas portadoras se utilizan directamente en el reactor. El reactor opera con una alta proporción de calor solar externo cuando haya alta disponibilidad de energía solar, mientras que cuando la fracción de calor solar externo disminuye (durante la noche o durante el invierno) opera enviando más char a la cámara de combustión. El rendimiento del DFBG solar propuesto (SDFBG) se ha analizado mediante un modelo desarrollado para este fin. De acuerdo a los resultados, una conversión del char de 70 al 80 % permite un share solar significativo en el gas de síntesis (alrededor del 12 %, definido como la fracción de energía química en el gas producto proveniente de la energía solar) requiriendo un tiempo de residencia razonable (20-30 min) del char en el gasificador; aunque estos valores están lejos de los alcanzados en las unidades DFBG actuales (1-5 min, dando lugar a conversiones del char del 10-30%). Se estudiaron varias configuraciones para integrar la circulación externa de sólidos en la unidad DFBG y se identificaron dos de ellas como las más ventajosas para ser implementadas en el proceso. Las circulaciones de sólidos requeridas para la operación con un alto share solar resultaron ser del orden de las de los DFBG existentes mientras que el inventario de sólidos requerido bajo esta operación resultó ser típicamente diez veces mayor que el de los DFBG convencionales. Como resultado, los DFBG actuales deben modificarse significativamente para permitir la operación tanto en modo solar como en condiciones autotérmicas. Las nuevas características impuestas por la operación del SDFBG requieren de un buen conocimiento de la hidrodinámica del sistema. Con este fin, se ha desarrollado un modelo de un DFBG convencional para comprender el comportamiento hidrodinámico de las unidades actuales antes de extender el conocimiento a las condiciones solares. El modelo frío (CFM, de sus siglas en inglés) de la Universidad Técnica de Viena, uno de los CFM pioneros desarrollados para estudiar la hidrodinámica de los DFBGs, se ha tomado como referencia para el desarrollo del modelo, cuyos resultados se han comparado con medidas experimentales de esta unidad. Los resultados muestran que los inventarios de sólidos y las circulaciones típicas requeridas por un SDFBG se pueden lograr aumentando aproximadamente tres veces el diámetro de la unidad de gasificación, en comparación con el de un DFBG convencional. Además, se ha analizado la operación del loop seal dentro del sistema concluyendo que es un elemento clave para llevar a cabo la operación flexible del SDFBG bajo diferentes cargas de calor externo. La relevancia de la operación del loop seal en el proceso propuesto motivó el trabajo experimental llevado a cabo en un loop seal aislado (CFM), con la intención mejorar el conocimiento existente sobre la hidrodinámica de estas unidades y, en busca de fundamentos que permitieran mejorar los modelos semi-empíricos actuales. Los resultados del estudio muestran que la resistencia ofrecida por la apertura horizontal del loop seal, conlleva a un patrón de flujo gas-sólido no homogéneo que, en última instancia, establece el comportamiento fluidodinámico de la unidad. Se demostró que los patrones de flujo de gas-sólidos no ideales que ocurren en los sellos de bucle reales no se pueden abordar mediante modelos semi-empíricos 1-D simples, sino que se necesitan modelos computacionales más complejos para capturar los efectos 2-D/3-D. Aunque el CFD parece una herramienta útil para predecir el comportamiento de estas unidades, es difícil generalizar y extrapolar el comportamiento a distintas unidades; las conclusiones de este trabajo pueden ser útiles para comprender diferentes diseños. Todos los conocimientos adquiridos se recopilaron y utilizaron en el diseño de un SDFBG capaz de operar tanto en condiciones autotérmicas como altamente alotérmicas. Se consideraron las integraciones de la circulación externa de sólidos en el DFBG previamente identificadas como más ventajosas dando lugar a diferentes requisitos, tanto de diseño como de operación. Las conversiones de char alcanzadas en el gasificador oscilan entre el 15 y el 80 % para la operación autotérmica y altamente alotérmica, respectivamente. La carga de calor solar externo máxima ronda los 2,6 MJ/kgbio,daf. Los resultados demuestran que el SDFBG propuesto se puede escalar aprovechando la tecnología actual de DFBG llevando a cabo las siguientes modificaciones: una unidad de gasificación más ancha, un combustor (riser) más estrecho y un loop seal inferior específicamente diseñado para adaptar la operación a los cambios de cargas de calor externo. Además, la combinación del DFBG solar desarrollado con la gasificación catalítica y la adición de sorbente para capturar CO2 aparece como una extensión prometedora del proceso.