Projekt 17175/01

Errichtung einer Demonstrationsanlage zur integrierten Pyrolyse und Verbrennung von Biomasse zur Synthesegaserzeugung

Projektdurchführung

Universität Siegen Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät Department Maschinenbau, Energietechnik Lehrstuhl für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Paul-Bonatz-Str. 9 - 11
57068 Siegen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bei der thermischen Verwertung von Biomassen wird im Hinblick auf eine effizientere Nutzung der Vergasungstechnik ein höheres Potenzial als der Verbrennung eingeräumt. Die Übertragung bekannter einstufiger Verfahren in kommerzielle Anwendungen scheiterte bisher daran, dass die erzeugten Gase er-hebliche Mengen kondensierbarer höherer Kohlenwasserstoffe enthalten, die mittels aufwendiger Gasreinigung entfernt werden müssen. Verwendet man zur Vergasung Luft als Sauerstoffträger, wird auf-grund des hohen Anteils Stickstoff ein Schwachgas mit geringem Heizwert erzeugt. Durch den Einsatz von technischem Sauerstoff zur Erzeugung eines Gases mit ausreichend hohem Heizwert sind selbst große Anlageneinheiten i.d.R. nicht mehr wirtschaftlich darstellbar. Ziel dieses Projektes ist die Demonst-ration der Nutzung von Biomasse unter Anwendung des IPV-Verfahrens (Integrierte Pyrolyse u. Verbren-nung), das mittels einfacher verfahrenstechnischer Komponenten ein hochwertiges Produktgas ohne Verwendung von technischem Sauerstoff liefert.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBei dem zu demonstrierenden IPV-Verfahren handelt es sich um ein mehrstufiges Verfahren, bei dem durch Zerlegung in Teilprozesse eine prozessinterne Minimierung des Gehalts an höheren Kohlenwas-serstoffen ermöglicht wird. Durch die Auftrennung in Teilprozesse können einfache und verfügbare Anlagenkomponenten eingesetzt werden. Die in einen Schachtreaktor eingebrachte Biomasse wird durch Kontakt mit heißer Asche pyrolysiert. Das entstehende Asche/Koksgemisch wird in eine Wirbelschicht gefördert, in der durch Verbrennung des Kokses die Asche aufgeheizt wird und wieder zurück in den Schachtreaktor gelangt. Die noch im Pyrolysegas enthaltenen höheren Kohlenwasserstoffe werden durch eine heiße Schicht aus Asche geleitet und dort unter Zugabe von Dampf gecrackt.
Zunächst werden zur Ermittlung benötigter Auslegungsdaten Untersuchungen zur Feststoffzirkulation zwischen Wirbelschicht und Schachtreaktor mit Hilfe eines Kaltmodells durchgeführt. Anschließend erfolgt Konstruktion, Fertigung, Aufbau und der Betrieb der Demonstrationsanlage, wobei die Erzeugung eines hochwertigen Produktgases gezeigt und die für die Projektierung von Anlagen im technischen Maßstab erforderlichen Auslegungsdaten gewonnen werden sollen.


Ergebnisse und Diskussion

Benötigte Daten zu den strömungstechnischen Fragestellungen, wie Feststofftransport mit der blasenbildenden Wirbelschicht, Verhalten einer blasenbildenden Wirbelschicht bei Feststoffzufuhr, Verhalten eines hohen Wirbelbettes im blasenbildenden Betrieb, Gestaltung des Siphons und Feststofftransport und gasseitige Trennung zweier Reaktoren mittels Siphon wurden vor Auslegung der Reaktoren in Kaltmodellen ermittelt. Basierend auf diesen Erkenntnissen erfolgte die anschließende Auslegung und Fertigung der Reaktoren. An der IPV-Technikumsanlage sind eine Vielzahl von Versuchsfahrten durchgeführt worden.
Ein während des Betriebs der IPV-Technikumsanlage aufgezeichneter Messschrieb zeigt exemplarisch für die vielen Versuche den Verlauf eines Versuchsbetriebs. Während der Aufheizphase werden beide Reaktoren bei zirkulierendem Aschetransport durch Zugabe von heißer Luft aufgeheizt. Nach Erreichen der Betriebstemperatur wird der Pyrolysereaktor mit heißem Stickstoff inertisiert. Sobald der Reaktor sauerstofffrei ist, wird Brennstoff und zeitverzögert Dampf zugegeben. Während des Versuchszeitraums wurden die Betriebsparameter konstant gehalten. Bei den hier eingestellten Werten werden durchschnittlich Wasserstoffkonzentrationen von rd. 44 Vol.-% (trockenes + N2 freies Gas) erzielt. Die Gasprobe wird kontinuierlich hinter dem Gaswäscher abgezogen und für analytische Zwecke getrocknet. Zur einheitli-chen Darstellung wurde der zum Spülen der Dichtungen und der Brennstoffschleuse benötigte Stickstoff aus den Messwerten herausgerechnet. In Schaubildern sind die mit der Technikumsanlage erzielten Pro-duktgaskonzentrationen, getrennt nach Brennstoffen bei verschiedenen Pyrolysetemperaturen dargestellt. Es ist augenscheinlich, dass mit zunehmender Pyrolysetemperatur ein deutlicher Anstieg der Wasserstoffkonzentration erkennbar ist. Ergänzend zu den im Projektantrag definierten Aufgaben zum Aufbau und zur Demonstration des Verfahrens wurden am Lehrstuhl für Energie- und Umweltverfahrens-technik parallel Untersuchungen zu Einsatzmöglichkeiten und zu verschiedenen Anlagenkonzeptionen auf Basis des IPV-Verfahrens® mit Hilfe mathematischer Modelle vorgenommen. Außerhalb des von der DBU geförderten Projektumfangs (Vergasung von Biomassen) wurden im Auftrag von Herhof-Umwelttechnik GmbH, Solms-Niederbiel Untersuchungen zur Vergasung des Sekundärbrennstoffs Tro-ckenstabilat® durchgeführt. Die Ergebnisse werden mit freundlicher Genehmigung von Herhof-Umwelttechnik GmbH zur Verfügung gestellt, um diese den Ergebnissen mit Biomassen gegenüberzu-stellen. Die Ergebnisse zeigen insgesamt, dass das IPV-Verfahren® sowohl für Biomasse als auch für Sekundärbrennstoff Trockenstabilat® geeignet ist. Die Zweisträngigkeit des Verfahrens ermöglicht den Betrieb der Feuerungsseite als definierte Schadstoffsenke, was im Vergleich zu anderen Vergasungs-verfahren einen Vorteil bietet, da auf der Feuerungsseite eine Rauchgasreinigung nach Stand der Technik verwendet werden kann. Weitere Vorteile sind im Betrieb z. B. des Pyrolys ereaktors zu erwarten. Die vorliegende Gestaltung des Pyrolysereaktors als Festbett liefert Vorteile beim Einsatz von, wie bei Se-kundärbrennstoffen häufig der Fall, fluffigen Material. Darüber hinaus kann eine optimierte Temperaturführung des Pyrolyseschachtreaktors zu einer Anreicherung unerwünschter Substanzen im Koks führen, der die Substanzen dann wie gewünscht auf die Feuerungsseite transportiert.
Das im Rahmen dieses Projektes untersuchte zweistufige und zweisträngige IPV-Verfahren® erlaubt den Betrieb einer teer- und abwasserfreien Vergasungsanlage. Vorteil des Verfahrens ist, dass mit einfacher Anlagentechnik ein unverdünntes, wasserstoffreiches Produktgas in einem autothermen Verfahren produziert werden kann. Weiterhin wurde gezeigt, dass ein Siphon ein verlässliches und betriebsicheres Bauteil für den Transport der heißen Wirbelschichtasche sowie zur gasseitigen Trennung der beiden Re-aktoren ist.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Wesentlicher Bestandteil der Öffentlichkeitsarbeit war die Präsentation des Verfahrenskonzeptes und der experimentellen Ergebnisse auf Fachtagungen.
- H. Hasselbach, S. Hamel, W. Krumm, D. Lotter, C. Mertens: Gasification of biomass and waste by combining pyrolysis and combustion process, 5th Int. Symposium on Coal Combustion, Nanjing, PR China, 2003
- S. Hamel, H. Hasselbach, S. Weil, W. Krumm, D. Lotter, C. Mertens:Synthesis Gas from Biomass and Waste Derived Fuels by Integrated Pyrolysis and Combustion, 20th Annual International Pittsburgh Coal Conference, September 15-19, Pittsburgh, USA, 2003
- S. Hamel, H. Hasselbach, W. Krumm, D. Lotter, C. Mertens: Betriebsergebnisse der IPV-Technikumanlage, DGMK-Fachtagung Energetische Nutzung von Biomassen Velen VI, 19.-21. Ap-ril 2004, in: DGMKTagungsbericht 2004-1, S. 65-72, ISBN 3-936418-16-0
Darüber hinaus fand Berichterstattung in Fachblättern, in der Lokalpresse und im Fernsehen statt. West-falenpost, Westfälische Rundschau, Siegener Zeitung, Holzzentralblatt, 3sat, nano, 9.4.2003, WDR, 1.5.2003, SWR, Rasthaus, 28.6.2003


Fazit

Das hier vorgestellte zweistufige und zweisträngige IPV-Verfahren® erlaubt den Betrieb einer teer- und abwasserfreien Vergasungsanlage. Vorteil des Verfahrens ist, dass mit einfacher Anlagentechnik ein unverdünntes, wasserstoffreiches Produktgas in einem autothermen Verfahren produziert werden kann. Weiterhin wird gezeigt, dass ein Siphon ein verlässliches und betriebsicheres Bauteil für den Transport der heißen Wirbelschichtasche sowie zur gasseitigen Trennung der beiden Reaktoren ist.