Projekt 09266/01

Emissionsmessungen an einem Pyrolyse-BHKW bei der Nutzung verschiedener Biomassen

Projektdurchführung

artefact e. V.Zentrum für Angepaßte Technik und InternationaleEntwicklungszusammenarbeit
Bremsbergallee 35
24960 Glücksburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Erfassung und Bewertung der Zusammensetzung des Reaktor-Gases aus einem thermischen Vergasungsprozeß (Verschwelung, Pyrolyse), der ausgewaschenen Gasbestandteile bei der Reinigung des Gases und des Abgases aus einem Motor-Generator, der mit dem Gas betrieben wurde. Die Kenntnis über die Zusammensetzung des Gases wird benötigt, um die Betriebsführung des Vergasers beurteilen zu können und um eine Optimierung des Vergasungsprozesses und der zugehörigen Komponenten durchführen zu können. Des weiteren ermöglichen diese Ergebnisse Rückschlüsse darauf, welche Ausgangsmaterialien besonders geeignet sind, welche Konsistenz (z. B. brikettiert, Größe) diese Ausgangsstoffe haben sollen, wie die Kondensatbildung beeinflußt wird und inwieweit diese BHKW für eine dezentrale Nutzung geeignet sind.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Messungen an dem Pyrolyse-BHKW wurden Versuche mit verschiedenen Biomassen durchgeführt. Bevor damit begonnen werden konnte, wurden noch Testläufe und Vorversuche durchgeführt, um ein stabiles Betriebsverhalten und eine Optimierung des Vergasungsprozesses zu erreichen. Soweit es die Materialmenge zuließ, wurden mit den Biomassen mehrtägige Versuchsläufe durchgeführt. Eingesetzt wurde dabei z.B. naturbelassenes Holz (geshreddert) aus der Knickpflege. Hierbei wurde von ab-gelagertem bis zu frisch geshreddertem Knickholz gleichwertiges Material eingesetzt, welches sich aber im Feuchtegehalt deutlich unterscheidet. Weiterhin wurde Knickholz mit unterschiedlicher Körnung verwendet. Für weitere Versuche mit anderen Biomassen wurden unter anderem unbehandelte Tischlereiabfälle, in Form von brikettiertem Sägemehl, Pellets aus einem Klärschlamm-Stroh-Gemisch und Pellets aus Miscanthusgras, eingesetzt.
Vor jedem Versuch wurden von der verwendeten Biomasse der Feuchtegehalt, die Korngröße und der Energieinhalt bestimmt, teilweise wurde auch eine Elementaranalyse durchgeführt. Einige Biomassen mußten zusätzlich bearbeitet werden, d.h. sie wurden zerkleinert, brikettiert oder pelletiert.
Während der Versuche wurden kontinuierlich die Zusammensetzungen des Reaktor-Gases und des Motorabgases gemessen sowie die Temperaturen und die Druckverhältnisse an verschiedenen Stellen des Vergasungsreaktors und der gesamten Anlage ermittelt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Messungen zu Beginn der Testreihen zeigten, daß der Vergaser einschließlich der Gasbehandlung, dem Gasmischer und -motor keine optimierten Betriebszustände ermöglichte.
Damit ergaben sich zwangsläufig inhaltliche und zeitliche Verschiebungen von über 18 Monaten bei der Versuchsdurchführung. Zunächst wurden mit Hilfe der Meßgeräte bei konstanten Material- und Betriebskonditionen stabile Betriebszustände angestrebt. Die dazu erforderlichen konstruktiven Veränderungen an der Reaktorgeometrie sowie an den Komponenten zur Gasbehandlung haben dabei eine entscheidende Bedeutung bei der Weiterentwicklung hin zur Betriebsreife des Vergasers erreicht, die inzwischen für die praktische Umsetzung möglicherweise höher zu bewerten sind als die Aussagen zu der Eignung der verschiedenen Biomassebrennstoffe.
Bei den Brennstoffen ist festzustellen, daß folgende Faktoren von entscheidender Bedeutung sind:
· Kohlenstoff- und Wasserstoffgehalt: erforderlich für die Bildung von energiereichen flüchtigen Komponenten;
· Mineralische Bestandteile: die Kombination einzelner Bestandteile in der Biomasse kann die Schmelz- und/oder Sintertemperaturen verringern und zu Betriebsstörungen im Reaktor führen;
· Feuchtigkeit der Biomasse: günstig im Bereich von 20 - 25 %; zu wenig Wasser führt zu Mangel an H2 im Gas, während zuviel Wasser zusätzliches Kondensat bildet und die Reaktionstemperaturen nachteilig beinflußt;
· mechanische Vorbehandlung der Biomasse: z.B. durch Trommelhacker oder durch Schlagmühlen ergeben glatte oder faserige Strukturen. Letztere behindern bei kleinem Reaktordurchmesser den Materialfluß im Vergaser;
· Ursprungskonsistenz der Biomasse: Feinstteilige Konsistenz, z.B. Staub oder Sägemehl, muß zu Pellets/Briketts verdichtet werden. Durch Wärmezufuhr im Vergaser wird die Geometrie der Pellets/Briketts verändert, was zu mechanischen Blockaden im Materialdurchfluß führen kann;
· Oberflächenbeschaffenheit der Biomasse bei Pellets/Briketts: kompakte und harte Formen beeinträchtigen die Wärmezufuhr und Vergasung des Materials.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die erarbeiteten Ergebnisse wurden auszugsweise im Rahmen des 2. Glücksburger Biomasse-Forums am 4. u. 5. Juni 1998 in Glücksburg/Ostsee einem internationalen Publikum vorgestellt. Nach Freigabe des Abschlußberichts durch die Bundesstiftung werden die Ergebnisse im Internet unter www.artefact.de präsentiert.


Fazit

Aus den Ergebnissen der Untersuchungen wurde folgendes Fazit gezogen:
· Es lassen sich mit dem Doppelfeuervergaser geeignete stabile Betriebszustände in einem Biomasse-Vergaser mit angeschlossenem BHKW erreichen;
· Voraussetzung ist eine Abstimmung der Reaktorgeometrie auf die vorhandene Biomasse;
· geshredderte naturbelassene Holzhackschnitzel aus der Landschafts- und Forstpflege in vorgetrockneter Form sind besonders geeignet.
Als weniger geeignet haben sich erwiesen:
· Einheitsbrennstoffe mit hohem Anteil von Klärschlamm;
· Weizenkleie;
· Peletts / Briketts aus Holzstaub, -sägemehl sowie mit glatter hochverdichteter Oberfläche.

Aus den o.a. Erkenntnissen des Meßprogramms und den dabei gewonnenen Erfahrungen zu den konstruktiven Änderungen an dem Vergaser sind inzwischen weitreichende Folgerungen gezogen worden.
Erstmalig soll mit dem o.a. Vergaserprinzip in der Bundesrepublik Deutschland jetzt ein Biomasse-Heizkraftwerk errichtet werden, in dem als Brennstoff unbelastete Holzhackschnitzel aus Landschafts- und Forstpflege einsetzt wird.