Holzvergaseranlagen Stand der Technik

Transkript

1 Holzvergaseranlagen Stand der Technik Dr.-Ing. Matthias Gaderer , 11. BETREIBER-ERFAHRUNGSAUSTAUSCH, SAALFELDEN 1

2 Gliederung Holzvergaseranlagen Stand der Technik 1. Grundlagen zum Verständnis der Vergasung 2. Teere und deren Vermeidung & Reduktion 3. Gasreinigung Teere und Partikel 5. Vergaser... Bauarten und Funktion 6. Zusammenfassung... und Diskussion 2

3 Thermochemische Konversion von Biomasse Holzartige und lignozellulosehaltige Biomassen Holz, Pellets, Stroh, landwirtschaftliche Abfälle, biogenen Reststoffe, Klärschlamm Torrefizierung Hydrothermale Karbonisierung Direkte thermochemische Verbrennung Thermochemische Vergasung Feuerung Mitverbrennung im Kraftwerk Methanisierung CO, Fischer Tropsch, MeOH Strom & Wärme und Kraft-Wärme-Kopplung Methangas (SNG) synthetische Kraftstoffe und chemische Produkte 3

4 Grundlagen zur Vergasung Trocknung Pyrolyse Vergasung langsame Reaktion schnelle Reaktion 0,01-1 Sekunden langsame Reaktion Lambda 0 t < 200 C Biomasse oder andere C-haltige Brennstoffe Wärme H 2 O Flüchtige Biomasse % TS Kohle % TS Wärme Lambda 0 t = C Brennstoffpartikel mit Asche Teere Primäre Teere SO 2 (g) CO 2 (g) CH 4 (g) CO (g) MeOH (g) und andere Levoglucosan Furfural O Lambda < 0,3-0,6 t > 700 C Boudouard-Reaktion 0 C s CO 2 2CO + H R Watergas-Shift-Reaktion CO H Restkoks 2 O CO 2 H 2 (Asche + Restkoks) + Vergasungsmedium O C s 2, H 2 O (Dampf), CO 2 CO-Oxidation CO 1 2 O 2 CO 2 - H R 0 CO 2 (g) CO (g) H 2 (g) CH 4 (g) - H R 0 Sekundäre Teere Alkene Phenole OH Methan-Reformation CH 4 H 2 O CO 3H 2 + H R 0 CO 2 (g) CO (g) H 2 (g) Tertiäre Teere C Zellulose Leichte Teere Benzen C Lignin-Cracking schwerer Teere CH3 Naphtalen Toluen t > 800 C t > C Rekombinierte Teere Teer-Cracking Polyaromate (Diels-Alder-Mechanism) 4

5 Grundlagen zur Vergasung Allgemeine Reaktionsgleichung CH O n m Wärme + H O + O C, CO, CO, H, CH höhere Kohlenwasserstoffe C x H y (Teere) Endotherme Reaktionen Wärme Methan-Reformierung 1 CH H 0 4 H2O CO 3 H2 Boudouard-Reaktion Exotherme Reaktionen Wärme Oxidation von Kohlenmonoxid 2 CO 1 H 0 O 2 CO 2 Wassergas-Shift-Reaktion 2 3 C CO 2 H 0 2 CO 4 H 0 2 CO H 2 CO H O 2 5

6 Grundlagen zur Vergasung Hohe Temperatur Bildung von Molekülen mit geringer Bindungsenergie, wie CO und H 2 und führt zu einem höherem Heizwert des Gases. Hoher Druck Bildung von großen (weil weniger) Molekülen, wie CH 4, CO 2, Teere und führt zu einem geringerem Heizwert des Gases Endotherme Reaktionen Exotherme Reaktionen kalt heiß heiß kalt Methan-Reformierung 1 CH H 0 4 H2O CO 3 H2 Boudouard-Reaktion Oxidation von Kohlenmonoxid 2 CO 1 H 0 O 2 CO 2 Wassergas-Shift-Reaktion 2 3 C CO 2 H 0 2 CO 4 H 0 2 CO H 2 CO H O 2 6

7 Bildung von Teeren Bildung von Teeren O O H O O OH OH OH Pyrolyse leichte sauerstoffreiche KW, Holzessig, Aldehyde Phenole, Olefine, Aromaten PAK, Aromate, Toluol Biomasse primäre Teere sekundäre Teere tertiäre Teere Ruß CO, CO 2, H 2, CH 4, H 2 O Primäre, sekundäre und tertiäre Teerbildungspfade 7

8 Kondensation von Teeren 8

9 Vermeidung und Reduktion von Teeren im Vergaser Bildung von Teeren Temperatur Teere [g/m³] Sauerstoff Wasserdampf (Hydrierung) C H x H O x CO x y 2 H 9

10 Gasförmige Alkalien Gasförmige Alkalien bilden Partikel oder kondensieren an Aschepartikeln aus N Sättigungsgrenzen von Alkalichloriden im Abgas einer Abfall-Verbrennungsanlage 10

11 Gasreinigung des Produktgases Teere - kondensierter Teere - gasförmige Teere Partikel - Aschepartikel - Restkoks - Rußpartikel - kondensierter Teere gasförmige Alkalien- und Metalle - Alkalien, KCl, ZnCl 2, > 400 C teilweise gasförmig 11

12 Gasreinigung des Produktgases Teere Partikel - Wäscher Wasser: Teere nur teilweise löslich und Abwasserproblem Rapsöl, Biodiesel, Heizöl, Benzin: Löst Teere, kann im Vergaser verbrannt werden - Katalysatoren,> 800 C), teuer - Zyklon - Keramikfilter (T > 600 C) - Metallfilter (T > 200 C) - Gewebefilter (T < 200 C) Chlor, Schwefel - Adsorbentien (Zn, Na, Al) 12

13 Beispiel für Teere und Partikel, Rapsölwäscher mit Elektrofilter Gastemperatur < 60 C Ziele für Gasmotor: Teere Zielsetzung < 10 mg/nm³ Partikel Zielsetzung < 10 mg/nm³ Für die Reinigung des Produktgas aus einem Festbettvergaser für die Verwendung in einem Gasmotor mit 500 kw el. Druckstoßfeste Ausführung & Druckentlastung APF, Advanced Particle Filters, Salzburg 13

14 Beispiel Partikelfilter PTFE-beschichteter Glasgewebefilter > 250 C Anorganische (keramische) Filterelemente Gastemperatur < 450 C Rechts: Herding GmbH Filtertechnik, ALPHA, Amberg 14

15 Keramikfaserfilter < 450 C Kornkeramikfilter < 800 C Beispiel Partikelfilter Sintermetallfilter < 700 C GKN Pall, Schumacher, Schumalith Metallgewebefilter < 450 C Glosfume, England Koeb, Oskar Winkel 15

16 Drei wesentliche Typen von Vergasern Festbett Wirbelschicht Flugstrom Biomasse Produktgasgemisch Biomasse Luft/O2 Trocknung Freeboard Luft Pyrolyse Oxidation Reduktion Luft Produktgas Produktgas Asche/ Schlacke Brennstoff mm mm µm Wasser < 20% < 30% < 30 % Temp C C C Teere mg mg <50 mg 16

17 Festbettvergaser Gegenstromvergaser Biomasse Gleichstromvergaser Biomasse Trocknung Pyrolyse Reduktion Produktgas Teer Staub Luft Trocknung Pyrolyse Oxidation Produktgas Teer Staub Luft Luft Oxidation Produktgas Reduktion C Asche und Restkoks Asche und Restkoks 17

18 Festbettvergaser Imbert Gleichstromvergaser 30-iger Jahre 18

19 Festbettvergaser Gegenstrom Gegenstromvergaser (Counter Current, Updraft Gasifier) = Luft 19

20 Festbettvergaser Gleichstromvergaser absteigend Absteigender Gleichstromvergaser mit Vorwärmung durch Produktgas (Co-Current, Downdraft Gasifier) 20

21 Festbettvergaser Gleichstrom aufsteigend Aufsteigender Gleichstromvergaser mit Beheizung der Trocknungs- und Pyrolysezone (Co Current Updraft Gasifier) 21

22 Teergehalt Werte für den Teergehalt im unbehandelten Produktgas bei verschiedenen Vergasern. Vergaserbauart Teergehalt g/m 3 N Bevorzugt gebildete Teerart Gleichstrom 0,05 5,0 tertiäre Teere Gegenstrom primäre und sekundäre Teere Wirbelschicht stationär 1,0-23 sekundäre und tertiäre Teere Wirbelschicht zirkulierend 1,0-30 sekundäre und tertiäre Teere Flugstrom < 0,05 Teere werden vollständig gecrackt 22

23 Festbettvergaser zweistufig Zweistufiger autothermer Festbettvergaser mit beheiztem Schneckenreaktor als Pyrolysezone 23

24 Festbettvergaser zweistufig, Gleichstrom Abgas Zweistufiger Festbett-Gleichstromvergaser mit geringem Teergehalt im Produktgas. Abgasreinigung mit Kaltgasfilter (Gewebefilter), Verstromung mit Gasmotor und nachgeschaltetem Organic Rankine Cycle 24

25 Festbettvergaser einstufig, Gegenstrom Biomasse Zyklon Wasser oder RME/Bioöl- Wäscher RME/Bioöl- Nasselektrofilter Luft Gasmotor & Generator Motor- und Ölkühlung Trocknung Pyrolyse Reduktion Abgas Heiznetz Luft Oxidation Restkoks und Asche Restkoks RME oder Bioöl Wasser RME oder Bioöl Abgas ORC Turbine & Generator Luftkondensator Einstufiger Festbett-Gegenstromvergaser mit hohem Teergehalt im Produktgas. Abgasreinigung mit Zyklon, Wäscher und Elektrofilter, Verstromung mit Gasmotor und nachgeschaltetem Organic Rankine Cycle 25

26 Wirkungsgrade Realisierte KWK-Anlagen Anlage Technik η, [%] η, [%] η, [%] Oberwart Güssing Wirbelschicht-Vergaser, Gas-Otto Motor, ORC Güssing Güssing Wirbelschicht-Vergaser, Gas-Otto Motor, ORC Ulm Güssing Wirbelschicht-Vergaser, Gas-Otto Motor, ORC Burkhardt Festbettvergaser, Gas-Otto Motor Rostfeuerung (keine Altötting Vergasung), ORC, Abgaskondensation Leipzig Wirbelschichtfeuerung (keine Vergasung), Dampfturbine

27 Verstromung Parameter Mikrogasturbine Zündstrahlmotor Druck Brennstoff 2,5 10 bar ü mbar ü Temperatur Brennstoff C 3 <40 C Staub < 10 µm <25mg/m³ N < mg/ m³ N Teergehalt Brennstoff bei heißen Gasen > 500 C keine Begrenzung, da gasförmig < mg/m³ N 27

28 Festbettvergaser mit Heißluftturbine Brennstoff (Biomasse) Heiznetz od. Dampferzeuger Verdichter Rekuperator Abluft Dampf Dampf Abgas Vergaser Heiznetz od. Dampferzeuger Gasbrenner Wärmeübertrager GT G Luft 28

29 Hersteller Festbettvergaser Gegenstrom Gleichstrom absteigend Gleichstrom aufsteigend Zweistufige Vergasung Wirbelschicht Ligento Xylogas Burkhardt Repotec /Güssing Syncraft Syncraft Werner Stadtwerke Rosenheim Stadtwerke Rosenheim Viking Vergaser/DTU Kopf Syngas Urbas Spanner Re 2 Spanner Re 2 A.H.T A.H.T GTS Syngas GTS Syngas Kuntschar Pyroformer Mothermik Cleanstgas Cleanstgas 29

30 Konkurrenz Vergaser Potenzielle Alternativen Strom el = % ORC el = % Heißluftturbine el = % (Stirling, el = < 20 %) Wärme Heizkraftwerke th = 60-90% Methangas Gas = 60 % Kraftstoff alternativ Methanisierung mit H 2 aus PV und Wind CO 2 +4H 2 CH 4 +2H 2 O Gas = % Wasserstoff (H 2 ) aus PV und Wind mit Elektrolyse Kraftstoff C x H y Kraftstoff < 60 % keine 30

31 CO3H06kJ/molTechnische Universität München Substitute Natural Gas (SNG) mit allothermen Wirbelschichtvergasung CHH 2 42R OΔH kw Brst. Zyklon B2 Teer-Katalyse Adsorber Methanisierung Ni-Festbett-Katalysator ºC Restkoks &Biomasse H 2 /CO ~ 3 S/Cl Kondensator H 2 O 5 bar Na-Heatpipes Wirbelschicht- Brennkammer 116 kw th 140 kw th HPR, η KG netto = % Wasserdampf η SNG netto = 63 % Luft η gesamt netto = 89 % 4 kw th 8 bar CO 2 SNG 630 kw Mayerhofer, Fendt, Gaderer allotherme Reformer, BioHPR 31

32 Hydrothermale Karbonisierung (HTC) trockene & feuchte Biomasse Stroh, Grünschnitt, Hackgut Klärschlamm zerkleinern Energie Prozesswasser Katalysatoren ºC 4 16 Stunden bar Sauerstoffausschluss C 6 H 12 O 6 C 6 H 2 O+5 H 2 O HTC-Kohle -Flüchtige -Wärme -Prozesswasser Dr. Gaderer, Dr. Thomas, 4. Statuskonferenz, Berlin, 05/ kj/mol Heizwert (20 MJ) ges = 94% 32

33 Flugstromvergasung zur Erzeugung eines teerfreien Produktgases HTC Anlage HTC mechanische Trocknung thermische Trocknung Flugstromvergaser HTC-Biomasse gemahlen µm Anwendung KWK mit Gasturbine oder bei Sauerstoffvergasung SNG oder FT-Kraftstoff el,kwk = 31 % th,kwk = 45 % Teere < mg/m 3 SNG Wärme Gasreinigung Gasmotor Strom Motor 500 kw el 33

34 Flugstromvergaser Versuchsanlage 100 kw Brst. Biomasse µm - Traggas N 2, CO 2 & H 2 O - Betrieb <5 bar ü, C m Brst = 20 kg/h = 100 kw DN800 Ports für Probenahmeen Reaktionsrohr d i 250 Wasserquenche Probennahme Dr.-Ing. Matthias Gaderer 34

35 Zusammenfassung für Festbettvergaser Nach wie vor sehr wenig Techniken verfügbar im Bereich < 500 kw el. Vergasung daher interessant. Nur eine Hand voll Hersteller von Festbettvergasern mit ausreichen Erfahrung im kommerziellen Betrieb. Für Vergasung gut Brennstoffqualität erforderlich. Technik für Festbettvergaser durch zweistufige Vergasung und z. B. Gleichstrom aufsteigend verbessert. Reduktion der Invest.-Kosten primär durch geringeren Aufwand bei der Gasreinigung. Betriebssicherheit geht vor Wirkungsgrad. 35

36 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Matthias Gaderer 36