Thermochemische Verfahren zur Erzeugung von Biokohle

Transkript

1 Thermochemische Verfahren zur Erzeugung von Biokohle 73. Symposium des ANS e.v.: Biokohle im Blick Herstellung, Einsatz und Bewertung 19. & 20. September 2012 in Berlin Peter Quicker Lehr- und Forschungsgebiet Technologie RWTH Aachen 1

2 Einführung Herstellung von Biokohle im Internet 2

3 Einführung Es geht noch einfacher Herstellungsrouten Biokohle THERMOCHEMISCH HYDROTHERMAL 3

4 Einführung Herstellungsrouten Biokohle THERMOCHEMISCH HYDROTHERMAL 4 Quelle: Ramke 2011

5 Einführung Produkte Herstellungsrouten Biokohle THERMOCHEMISCH HYDROTHERMAL 5 Quelle: Ramke 2011

6 Einführung Produkte Herstellungsrouten THERMOCHEMISCH HYDROTHERMAL 6 Quelle: Wallmann 2011

7 Klassifizierung Thermochemischer Prozesse

8 Übersicht klassische thermochemische Prozesse Trocknung Strahlung aus dem Feuerraum Konvektion über Luft, Rauchgas Entgasung (Pyrolyse) Flüchtige Bestandteile werden ausgetrieben (Wasser, Schwelgase, Kohlenwasserstoffe) Keine oxidierenden Mittel Abhängig von Wärmezufuhr & VWZ Vergasung Umsetzung von fixem Kohlenstoff zu gasförmigen Produkten & Gas-Gas-Reaktionen Wärme, Wasserdampf, Sauerstoff wirken reaktionsfördernd Verbrennung Vollständige Oxidation der vorher entstandenen Gase und des Rest-C Wesentliche Verbrennungsprodukte: Kohlendioxid und Wasser 8

9 Übersicht klassische thermochemische Prozesse Trocknung Entgasung Vergasung Verbrennung H 2 O CO, CH 4, C x H y CO 2,H 2 O Pyrolyseöle N-, S-haltige Verb. CO, H 2, CO 2,H 2 O CH 4, C x H y, Teere, NH y, NO x H 2 S, COS Wärme CO 2, H 2 O CO, C x H y, NO x, SO x C x H y O z, (N, S), Asche C m H n O k, (N, S), Asche C (N, S), Asche Asche (N, S) Wärme = 0 Wärme = 0 Luft, O 2, Dampf = 0,2 0,5 Luft, O 2 > C > 250 C > 600 C > 700 C 9

10 Übersicht hydrothermale Prozesse TDH HTC VTC HTVf HTVg Medium H 2 O flüssig H 2 O flüssig H 2 O Dampf H 2 O flüssig H 2 O überkritisch T [ C] p [bar] VWZ min 2-16 h n.b min 1-5 min Produkte Suspension bioabbaubar Biokohle in Suspension Biokohle ölige Flüssigkeit H 2, CO 2, CH 4 10

11 Thermochemische Prozesse: Erweiterte Einteilung T [ C] Fermentation TDH HTC VTC WT HTVf H 2 O flüssig (überkritisch) HTVg Hydrothermale Prozesse H 2 O-Zugabe H 2 O Dampf Allotherme Vergasung Wärme Trocknung Torrefizierung 1) NTK NTP <500 MTP HTP >800 Entgasung // Pyrolyse 0,2 Partielle Oxidation // Autotherme Vergasung O 2 -Zugabe 0,5 Klassische Thermochemische Prozesse Allothermie Autothermie 1 2,5 Totale Oxidation // Verbrennung LEGENDE Pyrolyse: NTP Niedertemperatur- MTP Mitteltemperatur HTP Hochtemperatur- Pyrolyse NTK Niedertemperaturkonvertierung Hydrothermale Verfahren: TDH Thermo-Druck- Hydrolyse HTC Hydrothermale Carbonisierung VTC Vapothermale Carbonisierung WT Wet Torrefaction HTVf Hydrothermale Verflüssigung HTVg Hydrothermale Vergasung (überkritisch) 1) auchtorrefikation 11

12 Thermochemische Prozesse Pyrolyse

13 Pyrolyse Übersicht Wärmehaushalt Insgesamt endothermer Prozess (mit exothermen Phasen) Beheizung über Wand oder Wärmeträger (Sand, Rauchgase etc.) Prozesseinteilung Nach Geschwindigkeit/Gasverweilzeit Langsame Pyrolyse: Gas-VWZ > 5 s Konventionelle Pyrolyse: 2 5 s Schnelle (Flash-)Pyrolyse: < 1 s, Aufheizgeschwindigkeit > 1000 K/s Nach Temperatur Niedertemperaturpyrolyse: < 500 C Mitteltemperaturpyrolyse: C Hochtemperaturpyrolyse: > 800 C Produkte Pyrolysekoks Pyrolysegas, inkl. nicht kondensierbarer Gase Pyrolyseöl inkl. wässrige Phase 13

14 Pyrolyse Reaktionspfade Niedrige Temperaturen Reaktion 1 dominiert: konventionelle Pyrolyse, Hauptprodukt Holzkohle Mittlere Temperaturen Hohe Temperaturen Reaktion 2 dominiert : Bildung vorwiegend flüssiger Produkte (Flash-Pyrolyse) Gasbildung (Reaktion 4) durch sekundäre Crack-Reaktionen möglich Reaktion 3 führt vorwiegend zur Bildung von Gasen 14 Quelle: Gerdes, Dissertation 2001

15 Pyrolyse im Drehrohr Rinde 100% 51,4 % C Pyrolysegas Ofenwandtemperatur: 700 C Eintrag ca. 0,8 kg/h Koksausbeute: % Biokoks ca. 34% % C 15

16 Edukt und Carbonisat: Rinde 16

17 ENDOTHERM EXOTHERM ENDOTHERM Technologie Pyrolyse Prozesse & Produkte PRODUKTE ENTGASUNG H 2 O H 2 O, CO 2, CO, CH 3 COOH, HCOOH (geringe Mengen) H 2 O, CO 2, CO, CH 3 COOH, CH 3 OH, CH 3 COCH 3 (Aceton), CH 2 O (Formaldehyd), dann CH 4, CH 2 = CH 2, H 2 H T [ C] CELLULOSE LIGNIN HEMI CELLULOSE Trocknung Depolymerisation & Rekondensation Beginn Entgasung & Carbonisierung Hauptreaktion Entgasung & Karbonisierung Abschluss Hauptentgasung Erweichung Depolymerisation & Rekondensation Beginn Entgasung & Carbonisierung Hauptreaktion Entgasung & Karbonisierung Abschluss Hauptentgasung Trocknung Depolymerisation & Rekondensation Beginn Entgasung & Carbonisierung Hauptreaktion Entgasung & Karbonisierung Abschluss Hauptentgasung VORGÄNGE Trocknung; Erweichung von Lignin Depolymerisation & Rekondensation der Bruchstücke im Feststoff Beginn der Entgasung & Carbonisierung Bis 300 C erhalt der fibrillaren Biomassestruktur Hauptentgasung: Schnelle Reaktion Hauptphase Teerbildung durch Ligninspaltung kj/kg Holz (wf) Wärmefreisetzung Evtl. autotherme Temperaturerhöhung bis 400 C Oberhalb 400 C Bildung kristalliner Strukturen Ende Hauptentgasung 450 CO, H Nachentgasung, Gasspaltung am Koks Nachentgasung, Gasspaltung am Koks Nachentgasung, Gasspaltung am Koks Nachentgasung Gasspaltung am gebildeten Koks 17 Quelle: Bergman et al. 2005

18 Zersetzung Buchenholz (TG/MS 20 C/min) Pyrolyse Temperaturabhängigkeit Maximum Zersetzung Hemicellulose Maximum Zersetzung Cellulose CO 2 H 2 O CH 3 O + CO 18 Quelle: Gerdes, Dissertation 2001

19 Pyrolyse Temperaturabhängigkeit bis ca. 300 C Erhalt der fibrillaren Struktur ab ca. 400 C Ausbildung kristalline Graphitstruktur Verhalten bei Halmgütern vergleichbar 19 Quelle: Kaltschmitt et al. 2009

20 Pyrolyse Ausbeute und Zusammensetzung (Holz) 20

21 Pyrolyse im Drehrohr: Ausbeuten Gew.-% Asche Koks [%] 9 7,7 1,3 2,1 21,4 21

22 Thermochemische Prozesse Vergasung

23 Vergasung: Einführung Vergasung Biomasse + O 2 / H 2 O CO + H 2 + CH 4 + C x H y + CO 2 Teere + Asche + Koks Gas Luft Imbert Gaserzeuger 23 Quelle: Generatorjahrbuch 1942

24 Vergasung Ablauf + Wärme + O 2, Luft, H 2 O oder CO 2 24 Quelle: Reimert, Schaub 2001

25 Vergasung Hauptreaktionen Homogene Reaktionen: Gas Gas H R [kj/mol] Homogene Wassergas-Reaktion: CO + H 2 O CO 2 + H 2-41 Methanbildung: CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O CO-Oxidation: CO + ½ O 2 CO H 2 -Oxidation: H 2 + ½ O 2 H 2 O Heterogene Reaktionen: Feststoff Gas Vollständige Verbrennung: C + O 2 CO Unvollständige Verbrennung: C + ½ O 2 CO Heterogene Wassergas-Reaktion: C + H 2 O CO + H Boudouard-Reaktion: C + CO 2 2 CO Hydrierende Vergasung: C + 2 H 2 CH

26 Biokohle Eigenschaften

27 Herstellung Biokohle: Ausbeuten 27 Quelle: verschiedene

28 Zusammensetzung Biokohle: Kohlenstoff C 28 Quelle: verschiedene

29 Zusammensetzung Biokohle: Sauerstoff O 29 Quelle: verschiedene

30 Zusammensetzung Biokohle: Wasserstoff H 30 Quelle: verschiedene

31 Zusammensetzung Biokohle: Stickstoffgehalt N 31 Quelle: verschiedene

32 Zusammensetzung Biokohle: Asche A 32 Quelle: verschiedene

33 Zusammensetzung Biokohle: Heizwert H u 33 Quelle: verschiedene

34 Zusammensetzung Biokohle: Flüchtige Fl 34 Quelle: verschiedene

35 Fazit

36 Fazit Herstellungsrouten für Biokohle: Klassische thermochemische Verfahren: Pyrolyse, (Vergasung) Hydrothermale Verfahren: HTC, VTC Biokohle zeigt stark unterschiedliche Eigenschaften, je nach Erzeugungsverfahren Durch Einsatzstoff & Erzeugungsverfahren ist maßgeschneiderte Kohle erzeugbar, z.b. für Metallurgie: hohe C fix -Gehalte, niedrige Anteile flüchtige Bestandteile, Energieerzeugung: geringe Energieverluste, Mahlbarkeit, Bodenverbesserung: langsame C-Freisetzung, Wasserspeicherung, 36

37 Danke für Ihr Interesse! Peter Quicker Lehr- und Forschungsgebiet Technologie RWTH Aachen 37