Biomassevergasung

Biomasse sind Stoffe biologischer Herkunft:

• Pflanzen sowie Stoffe die daraus resultieren (Papier)

• Tiere und deren Rückstände

-> Biomasse ist Solarenergie in konservierter Form -> Photosynthese

-> 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

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:

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

• 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

• Vergasungsmittel

• Art der Wärmebereitstellung

• Druckniveau

• Konstruktive Auslegung

• meisten Festbettvergaser arbeiten autotherm

• 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

• 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

Vorteile:

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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

• 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

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:

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

• 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

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