Technologieübersicht der Holzvergasung Christoph Pfeifer. INREN Holzgasseminar, 21. Februar 2013, St.Pölten

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1 Technologieübersicht der Holzvergasung Christoph Pfeifer INREN Holzgasseminar, 21. Februar 2013, St.Pölten

2 Inhalt Einleitung Grundlagen Einteilung Vergasungstechnologien Beispiele Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 2

3 Biomasse Umwandlungsverfahren Biomasse Physik.-chemische Umwandlung Bio-chemische Umwandlung Thermo-chemische Umwandlung Pressung Extraktion Umesterung Alkoholgärung Anaerobischer Abbau Aerobischer Abbau Pyrolyse Vergasung Verbrennung Hydrot. Vergasung Hydrot.Karbonisierung Hydrot. Verflüssigung Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 3

4 Polygeneration Unter Polygeneration versteht man die gekoppelte Erzeugung von mehreren Produkten aus Biomasse in einer Anlage. Vorteile von Polygeneration hohe Flexibilität erhöhte Verfügbarkeit der Anlage reduziertes Risiko nachhaltige, dezentrale Energieversorgung Heizen/ Kühlen Strom Syngas Treibstoffe Biomassekraftwerk Güssing Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 4

5 Bioraffinerie Eine Bioraffinerie ist eine Raffinerie, in der Biomasse zu verschiedenen Produkten verarbeitet wird. Dieses sind zum einen stoffliche Produkte, wie Nahrungs- und Futtermittel, sowie Grund- und Feinchemikalien für die chemische Industrie. Die Produkte werden aus dem Rohstoff isoliert oder durch verschiedene chemische Verfahren aus diesem erzeugt. Zum anderen kann das Produkt Energie in Form von Kraftstoffen, Strom oder Wärme sein. Quelle: Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 5

6 Vergasung - Grundlagen Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 6

7 Vergasung H 2, CO, CO 2, CH 4, leichte Kohlenwasserstoffe Teere (kondensierbare Kohlenwasserstoffe) H 2 O Stickstoffkomponenten (NH 3, HCN) Schwefelkomponenten (H 2 S) Feste Produkte (Koks, Asche) Biomasse Wärme Vergasungsmittel Luft, Sauerstoff, Dampf, Kohlenstoffdioxid Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 7

8 Teere Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 8

9 Einteilung der Teere Verschiedene Teerklassen werden in der Literatur verwendet Unterscheidung nach: Entstehung (nach Temperatur [1] Eigenschaften Molgewicht ECN [2] primary ( C) secondary ( C) tertiary (> 850 C) Taupunkt Substanzen Klasen (BTX, Phenole, ) schwere/leichte Teere GC-undetekt. Heterozyklisch leichte Aromaten leichte Polyaromaten schwere Polyarom. Schema der Teerumwandlung Diverse sauerstoffhaltige Spezies Phenolische Ether Alkoholische Phenole Heterozyklische Ether [1] Milne, T. A.; Abatzoglou, N. & Evans, R. J.:Biomass Gasifier 'Tars': Their Nature, Formation, and Conversion; National Renewable Energy Lab: Golden, CO, 1998, 120 [2] PAK Große PAK 400 C 500 C 600 C 700 C 800 C 900 C Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 9

10 Prozesskette bei der Vergasung Industriewärme oder Co-Firing Wärme Brennstoffaufbereitung Vergasung Gasreinigung Strom und Wärme Produktion Strom und Wärme Energiepflanzen Gaskonditionierung Synthese Syntheseprodukte Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 10

11 Einteilung der Apparate zur Gaserzeugung nach Art des Reaktors (bzw. nach der Strömungsmechanik): Festbettvergaser, Wirbelschichtvergaser, Flugstromvergaser nach Art der Wärmebereitstellung: allotherme oder autotherme Vergasung nach Art des Vergasungsmediums: Luft, Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid nach Art der Druckverhältnisse im Reaktor: atmosphärischer Druck oder Überdruck Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 11

12 Festbettvergasertypen Gegenstromvergaser Gleichstromvergaser Doppelfeuervergaser mehrstufiger Vergaser Brennstoff (Gasphasen-) Oxidation VM Reduktion Produktgas + Asche Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 12

13 Wirbelschicht - Beispiel Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 13

14 Wirbelschicht Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 14

15 Grundformen von Wirbelschichtvergasern Stationäre Wirbelschicht Zirkulierende Wirbelschicht Zweibett- Wirbelschicht Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 15

16 Anwendungsgebiete von Vergasern Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 16

17 Produktgaszusammensetzung Gaskomponente Autothermer Festbettvergaser Allothermer Zweibett Wirbelschicht Dampfvergaser Autothermer Flugstromvergaser (Sauerstoff) H 2 Vol.-% CO Vol.-% CO 2 Vol.-% CH 4 Vol.-% <1 N 2 Vol.-% <1 < 5 Heizwert MJ/m Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 17

18 Beispiele für stationäre WS Vergaser Winkler Vergaser, Deutschland Carbona, Finnland Foster Wheeler, Finnland Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 18

19 Beispiele für Zirkulierende WS Vergaser Foster Wheeler, Finnland Bioflow, Värnamo, Schweden Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 19

20 Beispiele für Zweibett WS Vergaser - 1 Rentech, USA Technische Universität Wien flue gas product gas fuel G A S I F I E R upper siphon lower siphon steam R I S E R additional fuel steam steam air Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 20

21 Beispiele für Zweibett WS Vergaser - 2 Milena, ECN, Niederlande Chalmers Add on Unit, Schweden Heat pipe reformer, Agnion Deutschland Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 21

22 Beispiele für Flugstromvergaser Karlsruher Institut für Technology, Deutschland Chemrec, Schweden Biomass Burner Oxygen, Steam Water quench Cooling jacket Syngas Water overflow Granulated slag Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 22

23 Beispiel für Plasmavergaser Westinghouse, USA Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 23

24 Biomassevergasung eine Erfolgsgeschichte Kontakt: Christoph Pfeifer Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 24

25 Backup Folien Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 25

26 Produktgas Anforderungen nach Nutzung Gas parameter Gas engine Gas turbine Synthesis processes Fuel cell(sofc) Particlecontent < 50 mg/m 3 < 30 mg/m 3 < 0.1 mg/m 3 na Partikelsize < 3 µm < 5 µm na na Tarcontent < 100 mg/m 3 na < 0.1 mg/m 3 < 100 mg/m 3 Alkalimetals < 50 mg/m 3 < 0.25 mg/m 3 < 10 ppb na NH 3 content < 55 mg/m 3 na < 1 ppm < 0.1 mg/m 3 Scontent < 1150 mg/m 3 na < 0.1 ppm < 200 ppm Clcontent < 500 mg/m 3 na < 0.1 ppm < 1 ppm na no reliable figures available Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 26

27 Wäremeinbringung und Vergasungsmedien Biomassvergasung Autotherm Allotherm Air Luft O 2 /H 2 O H 2 O CO 2 Hu: low niedrig Hu: mittel Hu: mittel Hu: medium mittel N 2 : high hoch N 2 : null N 2 : null N 2 : zero null H 2 : low niedrig H 2 H 2 : hoch H 2 : hoch H 2 H 2 : medium mittel Ausgangsmaterial Vergasungsmittel Produktgas Kohlenstoff (C) Sauerstoff (½ O 2 ) CO Kohlenstoff (C) Wasserdampf (H 2 O) CO + H 2 Kohlenstoff (C) Kohlenstoffdioxid (CO 2 ) 2 CO Kohlenstoff (C) Wasserstoff (2 H 2 ) CH 4 Kohlenstoff (C) Luft (21 % O 2, 79 % N 2 ) CO + N 2 Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 27

28 Zweibett Wirbelschicht Dampfvergasung I Producer Gas (CH 4, CO, H 2, CO 2, H 2 O) Flue gas Heat Biomass Gasification Combustion (~ 850 C) (~ 920 C) Fuel to combustion Steam Circulation (bed material, char coal) Air Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 28

29 Zweibett Wirbelschicht Dampfvergasung II Component Unit Gas composition H 2 vol.-% db CO vol.-% db CO 2 vol.-% db CH 4 vol.-% db 9 12 C 2 H 4 vol.-% db C 2 H 6 vol.-% db C 3 -Fract. vol.-% db Tar g/nm³ db 4 8 Dust g/nm³ db H 2 O vol.-% Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 29

30 Industrielle Beispiele Güssing, Austria in Betrieb seit MW th, 2.0 Mw el Gasmotor Oberwart, Austria in Betrieb seit MW th, 2.8 Mw el Gasmotor, organic rankie cycle (ORC) Anlagen in Inbetriebnahme: Villach, Austria - 15 MW th, 3.7 Mw el, Gasmotor Klagenfurt, Austria - 25 MW th, 5.5 Mw el, Gasmotor, ORC Ulm, Germany - 15 MW th, 5.3 Mw el, Gasmotor, ORC Anlagen in Planung: Gothenborg, Sweden - 30 MW th, 20 Mw el, Synthetic Natural Gas (SNG) production of 67% Christoph PFEIFER Technologieübersicht der Holzvergasung 30