Mobile biomass gasification unit coupled to an internal combustion engine: design, realization and investigation

Abstract

Scope of this thesis is the investigation around the coupling of an ICE with a biomass gasification unit for decentralized small-scale CHP production. A mobile gasification unit with CHP capability was implemented for this purpose. The gasifier belongs to the bubbling fluidized bed technology and is coupled to a spark ignition propane engine, modified adequately, to operate on mixtures of propane and producer gas. Many issues concern the scientific community around gasification applications for power generation. The most important of these concern problems with a) the utilisation of agricultural residues, mainly regarding the moisture and ash content, b) the stability of the gasifier during long operations, c) efficient gas cleaning technologies for the tar and particles and the performance of internal combustion engines during the operation with producer gas and the effect on engine durability and power derating.This study aims to handle the previously mentioned issues-questions through experimental testing at real conditions and through basic and advanced modeling of the important components included in a biomass powered CHP unit. Initially the fluidized bed is evaluated in respect to experimental findings. Next, the applied models are compared with each other and with the laboratory results and are evaluated as a whole for their predicting capability. The reactor is not only evaluated for its fluidization behaviour but also for its performance. The experimental results (producer gas quality, tar load) are discussed and the reactor and fuels used are evaluated. Furthermore, the 1D kinetic model developed during this thesis for the prediction of the producer gas composition is compared to the actual findings regarding olive kernel gasification.Before the producer gas is utilised, it undergoes reduction of its particle load. In the implemented unit, hot gas conditioning is applied through an externally heated ceramic wall-flow filter. Since filters of this type have not been used by other researchers in gasification applications, a novel and on a zero basis analysis is performed following the footsteps of the evaluation of similar filters utilised in the automotive industry. The filter’s performance and suitability of such applications is commented and recommendations for future research on this field are made. Finally, the effect of the generated producer gas on the ICE engine performance is analysed and the unit is evaluated as a whole based on the produced results.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η έρευνα γύρω από τη σύζευξη ΜΕΚ με μια μονάδα αεριοποίησης βιομάζας για αποκεντρωμένη συμπαραγωγή μικρής κλίμακας. Μία κινητή μονάδα αεριοποίησης για συμπαραγωγή υλοποιήθηκε για το σκοπό αυτό. Ο αεριοποιητής ανήκει στην τεχνολογία της αναβράζουσας ρευστοποιημένης κλίνης και είναι συζευγμένος με ένα κινητήρα προπανίου ανάφλεξης με σπινθήρα , τροποποιημένο επαρκώς , για να λειτουργήσει σε μίγματα προπανίου και αερίου αεριοποίησης. Πολλά θέματα αφορούν την επιστημονική κοινότητα γύρω από τις εφαρμογές αεριοποίησης προς παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Τα πιο σημαντικά από αυτά τα προβλήματα είναι α) η αξιοποίηση αγροτικών υπολειμμάτων καθεαυτή, λόγω υψηλής υγρασίας και τέφρας, β) η σταθερότητα του αεριοποιητή κατά τη διάρκεια μακράς λειτουργίας , γ) ο αποτελεσματικός καθαρισμός του αερίου από πίσσα και σωματίδια και δ) η απόδοση της ΜΕΚ κατά τη λειτουργία με αέριο αεριοποίησης και η επίδραση στην αντοχή και ισχύ του κινητήραΗ μελέτη αυτή έχει ως στόχο να χειριστεί τα προαναφερθέντα θέματα - ερωτήσεις μέσω πειραματικών δοκιμών σε πραγματικές συνθήκες και μέσω της βασικής και προηγμένης μοντελοποίησης των πιο σημαντικών τεχνολογιών που περιλαμβάνονται στην κινητή μονάδα . Αρχικά η ρευστοποιημένη κλίνη αξιολογείται σε σχέση με πειραματικά ευρήματα. Στη συνέχεια, τα εφαρμοσμένα μοντέλα συγκρίνονται μεταξύ τους αλλά και με τα εργαστηριακά αποτελέσματα και αξιολογούνται ως σύνολο για την προβλεπτική τους ικανότητα . Ο αντιδραστήρας δεν αξιολογείται μόνο ως προς τη ρευστοαιώρηση, αλλά και ως προς την απόδοσή του σε αέριο. Παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα (σύσταση παραγόμενου αερίου, φορτίο πίσσας ) και αξιολογείται η επίδραση του είδους βιομάζας στην απόδοση . Επιπλέον, το μονοδιάστατο κινητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια αυτής της εργασίας για την πρόβλεψη της σύνθεσης του αερίου συγκρίνεται με πειραματικά αποτελέσματα αεριοποίησης πυρήνα ελιάς.Πριν την ενεργειακή του αξιοποίηση, το αέριο περνάει από στάδιο καθαρισμού του σωματιδιακού του φορτίου. Στη μονάδα που αναπτύχθηκε, εφαρμόζεται η αρχή του θερμού καθαρισμού μέσω ενός εξωτερικά θερμαινόμενου κεραμικού φίλτρου, όμοιο με τις παγίδες σωματιδίων που χρησιμοποιούνται σε οχήματα diesel. Δεδομένου ότι, φίλτρα αυτού του τύπου δεν έχουν χρησιμοποιηθεί από άλλους ερευνητές σε εφαρμογές αεριοποίησης, εφαρμόζεται ανάλυση από μηδενική βάση για την αξιολόγηση της απόδοσής τους. Από την ανάλυση προκύπτει ο σχολιασμός σχετικά με την απόδοση και την καταλληλότητα του φίλτρου σε ζητούμενες εφαρμογές και γίνονται προτάσεις για περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας. Τέλος , η επίδραση του αερίου αεριοποίησης στην απόδοση του κινητήρα αναλύεται και η μονάδα αξιολογείται ως σύνολο με βάση παραχθέντα πειραματικά δεδομένα.