Projekt 10386/01

Indirekt beheizter Biomassevergaser zur Kraft-Wärme-Kopplung

Projektdurchführung

Universität KasselInstitut für Thermische Energietechnik
34109 Kassel

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Aufgrund der Preissituation im Energiemarkt wird Biomasse und hier insbesondere Holz fast ausschließlich im Wärmemarkt genutzt. Ein Gesamtkonzept für die gekoppelte Bereitstellung von Heizenergie und elektrischer Energie erfordert die Entwicklung einer einfachen und zugleich an die angebotene Biomasse, z. B. Restholz, anpassbaren Vergasertechnik.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, einen Biomassevergaser auf der Basis von Reaktionsrohren zu entwickeln, in dem feuchte Biomasse verwertet werden kann, der indirekt beheizt wird und dessen Produktgas für die motorische Verbrennung konditioniert und aufbereitet wird. Der Einsatz feuchter Biomasse erspart die externe Trocknung, und der erhöhte Wasserdampfgehalt soll gezielt zur Vergasung genutzt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer skizzierte indirekt beheizte Biomassevergaser und die Apparate zur Abscheidung von Staub und kondensierbaren, höheren Kohlenwasserstoffen aus dem Produktgas wurden in einem ersten Arbeitsschritt detailliert verfahrenstechnisch ausgelegt und konstruiert. Der Kooperationspartner Prüfling GmbH unterstützte die Konstruktion und stellte den kompletten Vergaser mit Nebenapparaten her.Anschließend wurde dieser als Versuchsanlage in der Versuchshalle des Instituts für Thermische Energietechnik aufgebaut und mit der erforderlichen messtechnischen Instrumentierung ausgerüstet. Der Vergaser wurde in Betrieb genommen und experimentell untersucht. Wichtige Einflussgrößen des Prozesses sind: die Zusammensetzung der Biomasse, die katalytische Wirkung der Asche, die Temperaturführung der Reaktionsrohre und das Teillastverhalten.
Parallel wurde ein kleinerer Laborvergaser aufgebaut und zur Durchführung von Parameterstudien genutzt. Untersucht wurde der Einfluss der Biomasse, des Wassergehaltes und der Vergasungstemperatur auf das Gas und die Prozesstemperaturen. Die gewonnenen Betriebsdaten ermöglichen die Auswahl geeigneter Motoren für ein Gesamtkonzept zur Kraft-Wärme-Kopplung.
Die Marktfähigkeit und das Marktvolumen insbesondere in Hinblick auf die Feuerungsleistung und die Investitionskosten wurden abgeschätzt.


Ergebnisse und Diskussion

Der indirekt beheizte Rohrvergaser wurde für die Vergasung von feuchtem Buchenholz ausgelegt. Es wurden eine gasbefeuerte Technikumsanlage mit einer Feuerungswärmeleitung von ca. 55 kW und ein elektrisch beheizter Laborvergaser entwickelt.
In 6 Versuchsreihen wurden 12 verschiedene Biomassen und Holzkohle auf ihre Eignung zur Vergasung in dem dargestellten Prozess untersucht. Buchenholz wurde unter Zugabe verschiedener Dampfströme und als feuchtes Buchenholz mit 30 - 45 % Wassergehalt bei Temperaturen zwischen 800 und 950°C vergast.
Alle untersuchten Biomassen ließen sich als feuchte Biomassen oder als trockene Biomassen unter Zugabe von Wasserdampf zu einem Produktgas mit einem Anteil an Wasserstoff von ca. 50 % und einem Anteil an Methan von = 5 % umsetzen. Der Anteil an Kohlendioxid und Kohlenmonoxid ist stark von den Betriebsbedingungen Temperatur und Wassergehalt bzw. Dampfstrom abhängig. Höhere Kohlenwasserstoffe konnten in der Regel mittels Gaschromatographie nicht nachgewiesen werden.
Für alle Biomassen und Betriebszustände wurde ein Gas mit einem Brennwert im Bereich von 11 - 13,5 MJ/m³ (STP, stickstofffrei) erzeugt. Die untersuchten Parameter Beheizungs- bzw. mittlere Reaktionstemperatur, Wassergehalt bzw. Dampfstrom und Art der Biomasse haben einen signifikanten Einfluss auf den Brennwert. Bei konstanten Betriebsbedingungen wirkt sich ein unstetiger Betrieb auf die Gasentwicklung, jedoch nicht signifikant auf den Brennwert aus.
Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Parameter Wassergehalt der Biomass und Kohlenmonoxid-Kohlendioxid-Verhältnis charakteristisch für den Betriebszustand sind. Eine Betriebsführung einer Pilotanlage dürfte, eine hinreichend hohe Prozesstemperatur vorausgesetzt, anhand dieser Parameter möglich sein.
Die Technikumsanlage wurde für den Betrieb im Unterdruck ausgelegt, um Leckagen von Kohlenmonoxid und Pyrolysegasen zu vermeiden. Es wurde ein ausführliches Sicherheitskonzept erarbeitet und dieses in einem Gutachten zum Explosionsschutz durch den TÜV Bayern überprüft. Bei einer Pilotanlage sollte die Anlage auf den Betrieb im Überdruck ausgelegt werden, um den Aufwand für Sicherheitsvorkehrungen und die Regelung der Gasförderung zu vermindern. In diesem Zusammenhang sollten die Komponenten der Biomassezuführung hinsichtlich der Dichtheit und aufgetretener Schwierigkeiten bei der Dosierung überarbeitet werden. Im Versuchsbetrieb traten Probleme mit der gleichmäßigen Beheizung der Reaktionsrohre auf.
Es wurde ein theoretisches Modell der indirekt beheizten Vergasung von feuchter Biomasse im Gleichstrom-Rohrreaktor zur Beschreibung des instationären Prozesses entwickelt. Mit diesem ist es möglich, die Zonenverteilung von Trocknung, Pyrolyse und Vergasung im Reaktionsrohr zu beschreiben. Die Temperatur und die Gaszusammensetzung lassen sich für jeden Ort im Reaktor sowie für den gesamten Prozess vorhersagen.
Die Marktabschätzung zeigt, dass für das untersuchte Verfahren keine Mangelsituation hinsichtlich des Brennstoffs abzusehen ist und sich nutzerseitig große Zielgruppen erschließen lassen. Die zu erwartenden spezifischen Produktionskosten eines Moduls liegen im Rahmen der Kostenschätzungen anderer Anlagentypen. Abhängig von dem Jahresnutzungsgrad und den Brennstoffkosten ist ein wirtschaftlicher Betrieb zu erwarten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Das Projekt wurde durch Vorträge, Poster, Artikel und das Internet der Öffentlichkeit präsentiert.
Vorträge über das Projekt wurden bei den 17. Osnabrücker Umweltgesprächen und auf der 1st World Conference on Carbon 2000 in Berlin gehalten. Veröffentlichungen erfolgten in den Tagungsbänden der 1st World Conference on Carbon 2000, der DGMK-Tagung Energetische Nutzung von Biomassen 2002 und der Zeitschrift Erdöl Erdgas Kohle im Februar 2002.


Fazit

Es konnte gezeigt werden, dass die indirekt beheizte Vergasung im Festbett-Rohrreaktor technisch möglich ist und ein aussichtsreiches Verfahren für Kleinvergaseranlagen (= 500 kW FWL) zum Betrieb von Blockheizkraftwerken darstellt. Bis zur Marktreife besteht allerdings noch Entwicklungsbedarf, um Probleme der gleichmäßigen Beheizung und der Zuführung des Brennstoffs zu lösen.
Das erzeugte Produktgas besteht zu ca. 50% aus Wasserstoff und ist bei geeigneter Wahl der Betriebsparameter bis auf Spuren frei von höheren Kohlenwasserstoffen. Bei bekanntem Wassergehalt des Brennstoffs ist das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid-Verhältnis für den Prozess charakteristisch.