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Was versteht man unter Biomasse?
Biomasse sind Stoffe biologischer Herkunft:
Pflanzen sowie Stoffe die daraus resultieren (Papier)
Tiere und deren Rückstände
-> Biomasse ist Solarenergie in konservierter Form -> Photosynthese
In welcher Form fällt Biomasse meistens an?
-> In fester Form
Einsatzgebiete zu Energieerzeugung:
Verbrennung in fester Form (Häufigste Form in Dt.)
-> Biomasse in fester Form mit Nachteilen verbunden: Energiedichte meist gering/ ungeignet für effiziente Verbrennung in Turbinen oder Motoren
Vergasung der festen Biomasse zu energiereichem Gas, dieses kann dann dirket genutzt oder zu Flüssigkeit verarbeitet werden
Wie läuft die Vergasung grundsätzlich ab?
Trocknung:
Verdampfung des Wassers bei 100°C -> Wassergehalt der Biomasse bestimmt wegen der nötigen Trocknung über die Gesamteffizienz
Pyrolyse: (ab 500°C)
flüchtige Bestandteile werden freigesetzt (Großteil der Masse), das resultierende brennbare Gas enthält feste und flüssige Nebenprodukte wie Teerverbindungen, Pyrolyseöl oder -koks
Vergasung:
Gas aus der Pyrolyse werden mit Vergasgungsmitteln Luft,Sauerstoff, CO2 und Wasserdampf zur Reaktion gebracht
-> Wasserstoff- und CO-reiches Gas entsteht
Reinigung:
Welche zwei grundsätzlichen Unterschiede gibt es bei der Biomassevergasung?
Autotherme Vergasung:
Wärmebereitstellung durch partielle Verbrennung der Biomasse
-> meist mit Luft, geringer Heizwert (ca. 3 bis 5 MJ/m3 ), da inerte Stickstoff in der Luft nicht an Reaktion teilnimmt
-> Luft ist günstig als Vergasungsmittel. Gasreinigung druch hohen Teergehalt schwierig
Allotherme Vergasung:
Wärme wird von außen (extern) eingebaracht
-> meist mit Wasserdampf und hohem Heizwert (ca. 10 MJ/m3 )
-> Teerproblematik bei der Verwendung von Dampf geringer
Nenne die wichtigsten Vergasungsreaktionen.
Die Oxidation von Kohlenstoff (Reaktionen Nr. 1 und Nr. 2) ist bei autothermer Vergasung hauptverantwortlich für die Bereitstellung der für die Vergasung benötigten Wärme
Die Produkte (CO und H2 ) bestimmen maßgeblich den Heizwert des Produktgases
Welche Parameter beinflussen den Vergaser am meisten?
Vergasungsmittel
Art der Wärmebereitstellung
Druckniveau
Konstruktive Auslegung
Was zeichnet einen Festbettvergaser aus?
meisten Festbettvergaser arbeiten autotherm
Wie funktioniert ein Vergaser nach dem Gegenstromprinzip?
Vergasungsmittel strömt von unten durch die Oxidationszone, in der Teile der Biomasse verbrannt werden, in den Reaktor ein
heißes Gas Ström durch unverbrannte Biomasse und leiten Pyrolysevorgänge ein
der entstandene Koks reduziert CO2 zu CO und H2O zu H2, Austrittstemperatur bei 100-200°C
Vorteile:
Hoher Wirkunsgrad durch Nutzung der Wärme im Produktgas
Geriger Gehalt an Alkaimetallen und Staub im Produktgas
Geringe Anforderungen an die Biomasseaufbereitung
NAchteile
Hoher Anteil an langkettiger CH-Verbindungen(Teere), da diese nicht in den heißen Zonen aufgespalten werden
Hoher Gehalt an Wasserdampf im Gas
-> Bauart aufgrund von notwendiger Teerreinigung meist nicht wirtschaftlich
Wie funktioniert der Festbettvergaser nach dem Gleichstromprinzip?
Brennstoff und Vergasungsmittel die gleiche Strömungsrichtung auf
Gase aus Pyrolysezone werden in der Oxidationszone reduziert und Teerverbindungen aufgebrochen
In der Reduktionszone werden die Pyrolysegas + Koks und Vergasungsmittel reduziert
Geringer Gehalt an Teerverbindungen
Nachteile:
Geringer Wirkungsgrad, da Wärme nicht optimal genutzt wird
Hoher Anteil an Restkoks im Produktgas
Hohe Anforderungen an Biomassenkorngröße und -wassergehalt zur Gewährleistung einer gewissen Gasdurchlässigkeit
-> kommerzielle Durchbruch noch nicht gelungen
-> verfahrensbedingte Obergrenze bei 2MW (größer -> kalte Zonen)
-> Koksgehalt deutlich niedriger als beim Gegenstromprinzip
Wie funktioniert der Festbettvergaser nach dem Doppelfeuerprinzip?
um starke Teerbildung zu vermeiden läuft der Prozess prinzipiell nach dem Gleichstromprinzip ab
allerdings wird zusätzliches Vergasungsmittel von unten zugeführt, sodass sich eine weitere Oxidations-Reduktionszone bildet
-> deutlich weniger Restkoks
Wie funktioniert ein Wirbelschichtvergaser und welche Prinzipien gibt es?
Vergasungsmittel (Luft oder Dampf) durch ein Wirbelbett bestehend aus Bettmaterial (Sand) und Brennstoff geleitet
Im Gegensatz zu Festbettreaktor bilden sich keine klaren raktionszonen aus. (Raktionen laufen parallel)
gleichmäßige Temperatur von 700-900°C im Reaktor
Unterscheidung zwischen:
Stationären Wirbelschichten
Zirkulierenden Wirbelschichten
Zweibettwirbelschichten
Wie läuft die Vergasung in stationären Wirbelschichtvergasern ab?
Vergasungsmedium strömt langsam durch Wirbelbett -> Brennstoff und Bettmaterial werden aufgelockert (-> keine kalten Zonen)
kein Brennstoff und Bettmaterial verlasen Reaktor, jedoch kleine Koks- und Aschepartikel -> Partikelabscheidung erforderlich
technisch erprobt, wirtschaftlich nicht
Wie läuft die Vergasung in zirkulierenden Wirbelschichtvergasern ab?
hohe Strömungsgeschwindigkeiten -> Brennstoff und Bettmaterial befinden sich in einem Kreislauf, aus dem P.Gas abgezogen wird
-> Trennunge fester und gasförmiger Phase notwendig
geringe Baugrößen, hohe Leistungen >100MW
meist erprobte Technologie -> geignet zur Wärme, Zufeuerung und Integrated gasification combined cycle
Wie läuft die Vergasung in Zweibettwirbelschichtvergasern ab?
Im Verbennungsreaktor wird Biomasse verbrannt -> Wärme wird mittels Übertarungsmediums (z.B Sand) in den Vergasungsreaktor gebracht
Vergasungsreaktor meist mit Wasserdampf betrieben
hohe Produktqualität, da Verbrennungsgase (CO2; N2) nicht in Vergasungsreaktor gelangen
-> kurz vor kommerziellem Durchbruch
Wie funktioniert ein Flugstromvergaser?
Gemisch aus pulverförmiger oder flüssiger Biomasse und Vergasungsmittel bei 1200°C in den Reaktor eingedüst und vergast
Temperaturen über dem Ascheschmelzpunkt, sodass Asche flüssig abgezogen werden kann
bis heute keine kommerzielle Anwendung möglich
Welche Bestandteile lassen sich im Produktgas finden?
Erwünschte Gase:
brennbar und tragen zum Heizwert bei
wesentliche Komponeten sind H2, CO und wenigs CH4
Inerte Gase:
verringern den Heiwert und verdünnen Produktgas
Stickstoff, Schwefel, Wasserdampf
Verunreinigungen:
Welche Parameter beinflussen die Anteile von brennbaren und inerten Gasbestandteilen?
Vergasungsmittel: (wichtigster Parameter)
N2-haltige Vergasungsmittel (Luft) führen zu höheren CO-Werten, verringern aber den Heizwert
H2O-haltiges Vergasungsmittel führt zu höherem H2-Gehalten und höherem Heizwert
Art der Wärmezufuhr:
allotherm arbeitet meist mit Luft -> Hu kleiner
autotherm arbeitet meist mit Dampf -> Hu größer
Bauart und Größe des Vergasungsreaktors:
Größe entscheidet über Komplexität des Reaktors und dadurch auch über das Vergasungsmittel
Temperatur: (C + CO2 < = > CO endotherm)
höhere Temperatur - bei gleicher Zeit im Reaktor - führt zu schnellerer Annäherung an die GGW-Bedingunen
Boudard-Reaktion zeigt steigende Temperatur führt zu mehr CO
Druck:
p (hoch): CO2, CH4 steigt H2, CO sinkt und umgekehrt
Art der Biomasse:
Einfluss der Biomasseart auf Produktgaszusammensetzung eher gering, Verunreinigungen und Verschmutzung ausschlaggebender
Welche Verunreinigungen gibt es im Produktgas und welchen Einfluss nehmen Teere?
Teer, Staubpartikel, Schwefel-, Halogen-, N2-verbindungen
-> entstehen bei zu kurzer Zeit und niedriger T im Pyrolyseprozess
Alles Verunreinigungen können zu Erosion, Korrosion und Ablagerungen in nachgeschalteten Prozessen führen
Teere als Hauptproblem (Mischung aus C-H-Verbidnungen)
höchster Teergehalt: Gegenstromvergaser
niedrigster Teergehalt Gleichstromvergaser
Je nach Verwendung ist der Grad der Gasreinigung unterschiedlich.
Welche Verwendung hat die niedrigste Anforderung an die Reinheit welches die höchste?
Welche Formen der Gasnutzung gibt es?
Wärmebereistellung: (Reinigungsaufwand: gering)
Produktgas in Gasbrenner
Stromerzeugung:
Dampfkraftprozess (kaum genutzt, da Vergasung nicht notwendig)
Gasmotoren: (mittel)
-> kleine Leistungen (<5MW), hoher Wirkungsgrad)
->Gasreinigung wegen Abgasen notwendig
-> Luft als Vergasungsmedium um Klopfneigung zu senken
Gasturbine: (hoch)
-> sinnvoll für Leistungsbereich 2 bis 20 MW -> Wk von 30-35%
-> Vorteile: niedrige Emissionen, wartungsarm, combined cycle
Brennstoffzellen: (sehr hoch)
-> höchste Wk möglich, technisch noch nicht ausgereift
Kraftstoffsynthese: (sehr hoch)
normale und Feingasreinigung notwendig um Schäden am Kat zu vermeiden
Konditionierung des Gases erforderlich
-> Methanol; DME, SNG, Fischer-Tropsch, Wasserstoff möglich
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