Ziel der Diplomarbeit war die Bereitstellung von Messdaten für die Entwicklung eines Gasphasenverbrennungsmodells, welches den niedrig-turbulenten Strömungsbereich und den Einfluss der Strähnenbildung auf den Mischungsfortschritt von partiell vorgemischten Flammen über dem Brennstoffbett von Biomasse-Rostfeuerungen abbildet. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion und dem Bau eines Flammenreaktors und einer Gasverteilungsstation zur Erzeugung von kalten Strömungen ohne chemische Reaktion und partiell vorgemischten Flammen mit chemischer Reaktion, welche die niedrig-turbulenten Strömungen über dem Brennstoffbett in Biomasse Rostfeuerungen genähert abbilden sollen. Zur Untersuchung der auftretenden Gas- und Luftsträhnen und deren Einfluss auf den Mischungsfortschritt über dem Biomasse Brennstoffbett, wurde für den Versuchsaufbau ein Düsenkonzept zur Gas- und Luftverteilung verwendet. In kalten Strömungen sollen die Mischungseffekte niedrig turbulenter Strömungen sowie der Mischungsfortschritt aufgrund der Strähnenbildung, entkoppelt von chemischen Reaktionen, untersucht werden. In den Flammen gilt es zusätzliche Einflüsse, wie die Expansion des Gases und die chemischen Reaktionen, zu untersuchen. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden im Flammenreaktor extraktive FTIR- und RGA-Spezieskonzentrationsmessung in kalten Strömungen und in Flammen sowie optische LDA-Gasgeschwindigkeitsmessungen in kalten Strömungen durchgeführt. Für die finalen Messungen wurden nur Gaskonzentrationsmessungen mittels FTIR und RGA durchgeführt und diskutiert, da die LDA-Messeinheit nicht mehr zur Verfügung stand. Die Messergebnisse in kalten Strömungen mit einem CO2/N2-Gasgemisch und einem Luftstrom, liefern rotationssymmetrische CO2- und O2-Konzentrationsprofile. Die Messergebnisse zeigen, dass der Mischungsfortschritt entlang der Strömungsrichtung weitgehend entkoppelt ist von den Gaseintrittsgeschwindigkeiten vGas=2 m/s bis vGas=4. Die Konzentrationsergebnisse der Messungen mit den CO2/N2/Luft-Gemischen konnten mittels einer Stoffbilanz erfolgreich geprüft werden. Die Messergebnisse in kalten Strömungen entsprechen bezüglich der Gasgeschwindigkeiten zwischen 2 und 4 m/s sowie mit den Reynoldszahlen zwischen 800 und 9000 den laminaren bis niedrig-turbulenten Strömungsbedingungen von partiell vorgemischten Flammen über dem Brennstoffbett in Biomasse Rostfeuerungen. Die Messergebnisse der Flammenmessungen mit einem CH4/Luft-Gasgemisch und einem Luftstrom, liefern mit RGA- und FTIR-Messungen nicht reproduzierbare Ergebnisse innerhalb der Flamme und weisen große Gasspeziesasymmetrien in der Flamme auf. Die Messergebnisse zeigen, dass die Gaseintrittsgeschwindigkeiten vGas=2 m/s bis vGas=4 mit dem Verbrennungsfortschritt von CH4 in Strömungsrichtung gekoppelt sind. Die Konzentrationsergebnisse der Flammenmessungen mit einem CH4/Luft-Gemisch konnten mit den vorhandenen Messwerten nicht erfolgreich mittels einer Stoffbilanz geprüft werden. Zusammengefasst liefen die Konzentrationsmessungen in kalter Strömung sehr gute Messergebnisse in Hinblick auf Strömungsstabilität, rotationssymmetrische Strömungsausbildung und Messgenauigkeit. Für Messungen in kalten Strömungen sind die Messverfahren mittels FTIR und RGA zur Konzentrationsmessung und das LDA-Messverfahren zur Gasgeschwindigkeitsmessung zu empfehlen. Die RGA- und FTIR-Konzentrationsmessungen in den Flammen liefern keine zufriedenstellenden Messergebnisse aufgrund von Flammenasymmetrien sowie dem Einfluss der extraktiven Probenahme mittels einer Probenahmelanze. Für Flammenmessungen im Reaktor sind berührungsfreie, optische Messverfahren mit einer hohen Messauflösung zu empfehlen. Durchlichtverfahren benötigen zwei optische Zugänge zum Messraum. Für die Anwendung von Durchlichtverfahren müsste der Flammenreaktor von einem auf zwei optische Zugänge umgebaut werden.  

Der Schwerpunkt dieser Arbeit richtet sich auf die Kondensation von Aschedämpfen und die Feinstaubablagerung in Biomasse-befeuerten Kesseln. Zu diesem Zweck wurden in einer Versuchsanlage aschebildende Substanzen verdampft und anschließend auf einer gekühlten Sonde kondensiert. Als Modellsubstanz für die Aschedämpfe der Biomasse wurde Kaliumchlorid verwendet. Das Rauchgas wurde dabei mittels Verbrennung von Erdgas durch einen Gasbrenner zur Verfügung gestellt. Es sollten Informationen darüber gewonnen werden, welche Struktur die Depositionsschicht durch Kondensation oder Feinstaubablagerung ausbildet (Porosität, Homogenität, Festigkeit, Struktur) und wie die gebildete Depositionsschicht den Wärmeübergang beeinflusst. Die Berechnung des Kondensationsmassenstromes der aschebildenden Substanz mittels eines Ähnlichkeitsansatzes zum Wärmeübergang (Lewis-Ansatz) zeigt eine gute Übereinstimmung zu den experimentellen Versuchen. Die Depositionsschicht weist eine sehr hohe Porosität (p > 0,97) auf. Das Wärmeleitmodell „k maximum“ berechnet entsprechende Werte für die Wärmeleitfähigkeit der Depositionsschicht. Die Struktur der gebildeten Depositionsschicht ist von der Oberflächentemperatur der Sonde abhängig. Bei niedriger Sondentemperatur (T1 = 300 °C) bildet sich das Gefüge der Kondensationsschicht aus Kaliumchlorid als würfelförmige Kristalle aus, die „turmartig“ aufeinander herauswachsen. Diese Schicht zeichnet sich durch eine höhere Stabilität aus. Bei höherer Sondentemperatur (T2 = 500 °C) ist das Gefüge aus kleineren nadeligen und tröpfchenförmigen Kristallen aufgebaut, welche „baumartig“ herauswachsen. Wenn man die Kondensationsschicht am Depositionsring betrachtet wird ersichtlich, dass sich die Verteilung der Depositionsmenge in Abhängigkeit von der Depositionsmasse sehr unterschiedlich ausbildet. Bei geringer Depositionsmenge (m < 0,01 [g]) ist die Verteilung gleichmäßig um den Ring verteilt, bei höherer Depositionsmenge (m>0,01 [g]) befindet sich der Hauptteil der Depositionsmasse hauptsächlich auf der rauchgaszugewandten Seite der Sonde. Obwohl die Berechnung der Kondensationsmassenströme mit Hilfe des Ähnlichkeitsansatzes eine gute Übereinstimmung zeigt, sind die berechneten Werte stets etwas höher als die gemessenen Ergebnisse. Es wird vermutet, dass die Ursache in der hohen Instabilität der Depositionsschicht liegt, wodurch Erosionsvorgänge durch die vom Rauchgas erzeugten Schubspannungen die Depositionsschichtdicke reduzieren. Die Wärmeleitfähigkeit der Depositionsschicht ist aufgrund der hohen Porosität (hoher Anteil des fluiden Rauchgasanteils mit geringer Wärmeleitfähigkeit, kleiner Anteil des stark wärmeleitenden festen Kaliumchlorids) sehr niedrig, aber trotzdem deutlich höher als die Wärmeleitfähigkeit des Rauchgases. Sie liegt in der Größenordnung von k = 0,1-0,2 [W/mK]. Schon geringe Depositionsschichtmassen bewirken eine starke Verringerung des Wärmeüberganges und einen damit verbundenen hohen Temperaturgradienten in der Depositionsschicht. In dieser Arbeit wurden die für den Aufbau der Depositionsschicht maßgebenden Einflussfaktoren untersucht. Diese sind die Rauchgasgeschwindigkeit, die Salzfreisetzung, die Kondensationsdauer und die Oberflächentemperatur. Die Salzfreisetzung ist maßgebend für die Kondensationsmasse. Eine Verdoppelung der Salzfreisetzungsrate zeigte im untersuchten Wandbereich eine Verdoppelung der Kondensationsrate. Eine Verdoppelung der Rauchgasgeschwindigkeit führte zu einer geringen Abnahme der Kondensationsmasse bei gleichbleibenden Betriebsparametern, welches höchstwahrscheinlich durch Erosionsvorgänge bedingt ist. Die Sondenoberflächentemperatur zeigte im untersuchten Temperaturbereich von 300°C-500°C bei geringen Kondensationsmassen keinen Einfluss auf die Kondensationsrate. Bei größeren Depositionsschichten hatte die höhere Temperatur eine Verringerung der Kondensationsrate zur Folge.  

Nowadays dynamic building simulation is an essential tool for the design of heating systems for residential buildings. The simulation of buildings heated by biomass systems, first of all needs detailed boiler models, capable of simulating the boiler both as a stand-alone appliance and as a system component. This paper presents the calibration and validation of a boiler model by means of laboratory tests. The chosen model, i.e. TRNSYS "Type 869", has been validated for two commercially available pellet boilers of 6 and 12. kW nominal capacities. Two test methods have been applied: the first is a steady state test at nominal load and the second is a load cycle test including stationary operation at different loads as well as transient operation. The load cycle test is representative of the boiler operation in the field and characterises the boiler's stationary and dynamic behaviour. The model had been calibrated based on laboratory data registered during stationary operation at different loads and afterwards it was validated by simulating both the stationary and the dynamic tests. Selected parameters for the validation were the heat transfer rates to water and the water temperature profiles inside the boiler and at the boiler outlet. Modelling results showed better agreement with experimental data during stationary operation rather than during dynamic operation. Heat transfer rates to water were predicted with a maximum deviation of 10% during the stationary operation, and a maximum deviation of 30% during the dynamic load cycle. However, for both operational regimes the fuel consumption was predicted within a 10% deviation from the experimental values. © 2014 Elsevier Ltd.

In this paper, the activity of a cobalt/molybdenum (Co/Mo) commercial catalyst for the Water Gas Shift Reaction for hydrogen production was investigated in a three fixed-bed reactor pilot plant using a tar-rich synthesis gas from a full-scale biomass gasification plant as feed-stream. A parametric variation study was carried out to assess CO conversion (X_CO) and selectivity for the water gas shift reaction as a function of the operating temperature (T) in the range 300–450 °C. The effects of four dry gas hourly space velocities (GHSV), Case A-Case D, two steam to dry synthesis gas ratios (H₂O/SG), 56% v/v and 67% v/v, and a H₂S concentration in the range 100–220 ppm_v,db were investigated: the highest CO conversion (∼95%) was observed in the base case (Case A GHSV) at 67% v/v H₂O/SG, and 450 °C, the lower the operating temperature the lower the CO concentration, the lower the gas hourly space velocity the higher the CO conversion and the higher the H₂O/SG the higher the CO conversion. The effect of H₂S variation on CO conversion was also studied, keeping the operating temperature constant (≈365 °C) and using the Case D GHSV: CO conversion increased as the H₂S concentration increased and X_CO ≈ 40%. Selectivity was not influenced by the parameters investigated. Finally, the effect of the catalyst on tar removal was studied and a CO conversion close to 85% was found.

Experimental data on the release of NO_x precursors from solid biomass fuels during thermal conversion are necessary to study N release in general and to supply reliable data for the purpose of packed bed and gas phase conversion model development and validation. In this work the release of NO_x precursors was studied at a lab-scale pot furnace (batch reactor) by taking measurements during the conversion process of solid biomass in a packed bed. The investigations were carried out with relevant woody biomass fuels, which cover a broad range of fuel N contents: sawdust, bark, waste wood and MDF board. The most important NO_x precursor detected above the fuel bed under fuel rich conditions was NH₃, while HCN was almost insignificant with the exception of sawdust. NO was detected mainly under air rich conditions. Furthermore, the experimental data were utilised to derive release functions for the relevant NO_x precursors NO, NH₃ and HCN. The release functions were implemented in an in-house empirical packed bed combustion model, which serves as a basis for a subsequent CFD N species gas phase calculation. © 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The worldwide production of hydrogen in 2010 was estimated to be approximately 50 Mt/a, mostly based on fossil fuels. By using lignocellulosic feedstock, an environmentally friendly hydrogen production route can be established. A flow sheet simulation for a biomass based hydrogen production plant was published in a previous work. The plant layout consisted of a dual fluidized bed gasifier including a gas cooler and a dust filter. Subsequently, a water gas shift plant was installed to enhance the hydrogen yield and a biodiesel scrubber was used to remove tars and water from the syngas. CO2 was removed and the gas was compressed to separate hydrogen in a pressure swing adsorption. A steam reformer was used to reform the hydrocarbon-rich tail gas of the pressure swing adsorption and increase the hydrogen yield. Based on this work, a research facility was erected and the results were validated. These results were used to upscale the research plant to a 10 MW fuel feed scale. A validation of the system showed a chemical efficiency of the system of 60% and an overall efficiency of 55%, which indicates the high potential of this technology

Producer gas from biomass gasification contains mainly hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, methane and some other low molecular hydrocarbons like propylene. This paper reports mathematical simulation and experimental study of steam reforming of methane mixture with propylene in a packed bed reactor filled with nickel based catalysts. Due to the high heat input through the reformer tube wall and the endothermic reforming reactions, a two-dimensional pseudo-heterogeneous model that takes into account the diffusion reaction phenomena in gas phase as well as inside the catalyst particles has been used to represent temperature distribution and species concentration within the reactor. Steam reforming of propylene is faster and more selective than methane and it is shown that addition of propylene to the methane steam mixture reduces the conversion of methane. The obtained results play a key role in optimization and design of a commercial reactor. © 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.
 

The majority of renewable energy technologies are volatile in nature. External factors such as weather conditions lead to fluctuations in their produced electricity and heat. This results in a demand either not being covered or dissatisfied since too much electricity and heat is produced in the energy system. Although energy storages can counteract these fluctuations, renewable energy technologies that are capable of producing energy on demand are needed as well. As such, technologies based on the thermochemical conversion of biomass are especially relevant as they are considered to be CO2-neutral. Although most existing implementations are based on combustion of biomass, fixed-bed biomass gasification is of growing relevance due to higher overall efficiencies and low pollutant emissions. Currently, fixed-bed biomass gasifiers are usually operated at steady-state operation to produce the maximum amount of energy possible. This contribution investigates, whether they can be used as a technology for demand-oriented electricity and heat production

Assessing the operational behaviour of biomass gasification systems is a crucial basis for further improvements in terms of operational behaviour and robustness in order to increase the technologies’ operational and economic viability. However, in most fixed-bed biomass gasification systems not all parameters required for the assessment can be measured directly. Typically, unknown parameters are determined by using as many balance equations as parameters have to be determined neglecting the additional information provided by other available but not chosen balance equations. Thus, these approaches do not incorporate all measurement data available resulting in a lack of reliability in their results. A detailed analysis of these approaches emphasises that even small deviations in the measurement data can lead to significant deviations in the calculated parameters, demonstrating that individual choices of equations can be highly sensitive regarding measurement uncertainties.

Therefore, an adjusted weighted least squares approach is developed utilizing an overdetermined system of equations incorporating all balance equations simultaneously. Thus, all measurement data available is taken into account, minimizing the influences of measurement uncertainties on the determined parameters. A comprehensive analysis shows that this approach is less sensitive to measurement uncertainties, allowing for a more reliable and accurate assessment of fixed-bed biomass gasifiers.

Keywords: fixed-bed, gasification, mass balance, performance assessment

In order to evaluate the combustion behaviour of new biomass feedstocks such as short rotation coppice (poplar wood chips), fuels from agriculture (wheat straw pellets) and biomass residues (maize spindle grits), comprehensive test runs investigating both particulate matter (PM) and gaseous emissions were performed. A commercially available small-scale biomass boiler, especially designed to enable high fuel flexibility, was used for this evaluation. The combustion behaviour was determined for various boiler load conditions and primary air ratios while maintaining a constant total air ratio. Based on wet chemical analyses of the fuels, fuel indexes were calculated to deliver primary information on the combustion behaviour to be expected. During the test runs appropriate operating conditions were determined for these new biomass feedstocks in order to optimise combustion parameters and to minimise PM and gaseous emissions as well as to inhibit ash related problems (slagging, ash deposit formation and corrosion). The optimisation of operating conditions by primary measures showed a big potential for a stable boiler operation combined with reduced emissions. The findings provide the basis for a further development of combustion systems as well as control systems for the combustion of new biomass feedstocks.

Four different models for heat transfer to the particles immersed in a fluidized bed were evaluated and implemented into an existing single particle model. Pyrolysis experiments have been conducted using a fluidized bed installed on a balance at different temperatures and fluidization velocities using softwood pellets. Using a heat transfer model applicable for fluidized beds, the single particle model was able to predict the experimental results of mass loss obtained in this study as well as experimental data from literature with a reasonable accuracy. A good agreement between experimental and modeling results was found for different reactor temperatures and configurations as well as different biomass types, particle sizes – in the typical range of pellets - and fluidization velocities when they were higher than . However, significant deviations were found for fluidization velocities close to minimum fluidization. Heat transfer models which consider the influence of fluidization velocity show a better agreement in this case although differences are still present.

Diffusion coefficients of various solutes in supercritical water, which were either measured or retrieved from Molecular Dynamics simulations, were reviewed. Diffusion coefficients of molecules relevant for supercritical water processes were calculated with correlations reported in the literature and compared to the values of reference data. For conditions well above the critical point of water the simple Stokes-Einstein equation predicts the diffusion coefficients with an accuracy better than 20%. For conditions near the critical point the Wilke-Chang correlation gives the most accurate results. Diffusion coefficients for typical molecules occurring in supercritical water processes such as O2, N2, CO, CO2, or CH4 are estimated to be in the range of 60 · 10⁻⁹ m²/s at 673 K and 30 MPa. For H2, for which no experimental data are available, much higher diffusion coefficients in the range of 250 · 10⁻⁹ m²/s seem plausible. The data set of binary diffusion coefficients in supercritical water, either determined experimentally or by Molecular Dynamics simulations, should be extended significantly to include more solutes, as well as higher temperatures and pressures.