2. Wissenschaftskongress der DGAW Abfall- und Resourcenwirtschaft. Hydrothermale Carbonisierung (HTC)

Transkript

1 Abfall- und Resourcenwirtschaft Hydrothermale Carbonisierung (HTC) Teil II: Erste Erfahrungen im technischen Maßstab Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort Höxter Fachgebiet Abfallwirtschaft und Deponietechnik Folie 1

2 - Einführung Hydrothermale Carbonisierung Übersicht - Übersicht bisheriger Ergebnisse - Verfahrenskonzept kontinuierlicher Prozess - Erste Erfahrungen im technischen Maßstab - Ergebnisse der ersten Testläufe - Ausblick Folie 2

3 Einführung Grundlagen der HTC - Teil 1 - Hydrothermale Carbonisierung - wässrige Verkohlung bei erhöhter Temperatur - Umwandlung von Kohlehydraten - Dehydratisierung (Wasserabspaltung) - Druckgefäß mit pflanzlichem Material - einige Stunden Erhitzen - Produkte: humusähnliche Substanzen poröse Braunkohlepartikel Folie 3

4 - Grundprinzip C 6 H 12 O 6 C 6 H 2 O + 5 H 2 O - E - Prozessparameter C, in Wasser - Druck bar - für 4 bis 16 Stunden - Erzeugnisse - HTC-Biokohle Einführung Grundlagen der HTC - Teil 2 Folie 4

5 Einführung Ausgangsstoffe und Produkte - Ausgangsstoffe der HTC - Haushaltsabfälle: Biotonne, Grünabfälle/Strauchschnitt - Organische Abfälle aus Gewerbe und Industrie - Land- und forstwirtschaftliche Reststoffe - Kläranlagenstoffströme - Produkte der HTC - Brennstoff ( Biokohle, ähnlich Braunkohle) - Bodenhilfsstoff ( Torfsubstitut ) Folie 5

6 - BMBF-Projekt, Förderlinie FHprofUnd Verbesserte energetische Nutzung organischer Industrieabfälle durch Hydrothermale Carbonisierung - Laufzeit 4 Jahre, bis Hauptziel Projektübersicht Projektkenndaten - Teil 1 - Bau und Betrieb halbtechnischen HTC-Testanlage - Ermittlung Verfahrenstechnischer Parameter Up-scaling Folie 6

7 - Industriekooperation Kooperationsziel: Projektübersicht Projektkenndaten - Teil 2 - Realisierung einer Testanlage für F & E Zwecke - Gewinnung von Erkenntnisse für den energetisch optimalen Betrieb geplanter HTC-Anlagen Folie 7

8 Bisherigen Ergebnisse Versuchseinrichtung - HTC-Batchversuch Autoklav, Volumen 25 L, mit Steuerung Folie 8

9 Bisherigen Ergebnisse Input - Output Beispiel Bioabfall Input- und Outputmaterial HTC Fest-flüssig Separation Techn. Entwässerung, 15 bar (Simulation Kammerfilterpresse) Folie 9

10 Bisherigen Ergebnisse Entwässerungsversuche - Teil 1 Folie 10

11 Bisherigen Ergebnisse Entwässerungsversuche - Teil 2 - Ergebnisse der Entwässerung - Wassergehalt nach Entwässerung: 50 bis 25 % FM - Entwässerung innerhalb weniger Minuten Hervorragendes Entwässerungsverhalten - Biokohleausbeute nach Entwässerung - Ausbeute: 0,4 bis 0,6 kg TS/kg TS Input - stark substrat- und prozessabhängig Folie 11

12 Bisherigen Ergebnisse Ausmaß der Carbonisierung - Teil 1 Folie 12

13 - Ergebnisse Bisherigen Ergebnisse Ausmaß der Carbonisierung - Teil 2 - Die meisten Substrate ließen sich gut carbonisieren - Brennwerte: > 22,5 MJ/kg TM - Energieverdichtung: 5 bis 10 MJ/kg TM (absolut) - Kohlenstoffverdichtung: 10 bis 20 % kg TM (absolut) - Reduzierung der Aschanteile möglich HTC-Biokohle = grüne Braunkohle Nutzung bekannter industrieller Braunkohleverwertungs-Prozesse Folie 13

14 Bisherigen Ergebnisse Kohlenstoff- und Energieeffizienz - Teil 1 Ergebnisse der C-Bilanzen Die Kohlenstoffeffizienz der HTC -das Ausmaß des Verbleibs des Kohlenstoffs in der festen Phase (den HTC-Biokohlen)- ist abhängig von - den eingesetzten Substraten, - und den Versuchsbedingungen. Energetisch nutzbare C-Effizienz ist mit ca. 75 % als gut zu bewerten. Folie 14

15 Bisherigen Ergebnisse Kohlenstoff- und Energieeffizienz - Teil 2 - Ergebnisse der Energie-Ausbeute (Beispiele) Ausbeute der eingebrachten Energiegehalte (Inputsubstrat) (+) Steigerung der E-Ausbeute bei Co-Vergärung der Prozesswässer Substrat [-] E-Ausbeute [% IN] Klärschlamm (ÜSS) 30,4 (+11,7) Speisereste 64,9 (+14,2) Altbrot 71,6 (+6,2) Bioabfall 73,2 (+9,3) Strauchschnitt 82,3 (+7,5) Gärrest (separiert) 87,7 (+6,1) Folie 15

16 Bisherigen Ergebnisse Kohlenstoff- und Energieeffizienz - Teil 3 - Ergebnisse verschiedener Substrate (n=36) - Es verbleibt ca % der in den Inputsubstraten enthaltenen Energie in der HTC-Biokohle - stark abhängig vom Inputmaterial Folie 16

17 Bisherigen Ergebnisse Kohlenstoff- und Energieeffizienz - Teil 4 - Steigerung der Ausbeute - Co-Vergärung der HTC-Prozesswässer (Ergebnisse der HTC-Batchversuche) - Steigerung der Ausbeute um 8,5 % (Median von n=36) - wiederum abhängig vom Inputmaterial - abhängig von der Prozessführung Prozesswasser-Kreislaufführung Folie 17

18 Bisherigen Ergebnisse Prozesswasser-Kreislaufführung Kreislaufführung steigert das Verwertungspotenzial der flüssigen Phase erheblich Folie 18

19 Kontinuierlicher Prozess F & E - Containeranlage 200 L HTC-Conti Reaktor Anlieferung HTC-Containeranlage Folie 19

20 Kontinuierlicher Prozess Verfahrensprinzip - Teil 1 Biomasse HTC-Prozessgas HTC-Biokohle HTC-Prozesswasser Folie 20

21 Kontinuierlicher Prozess Verfahrensprinzip - Teil 2 - HTC-Testanlage (Containeranlage) - Arbeitsvolumen 200 Liter - max. Betriebstemperatur: 250 C - max. Betriebsdruck: 50 bar - Biomassedurchsatz: ca kg FS/d - Verweilzeit je nach Biomassedurchsatz und Prozesswasser-Kreislaufführung < 10 Stunden Folie 21

22 Kontinuierlicher Prozess Verfahrensprinzip - Teil 3 - HTC-Testanlage (Containeranlage) - Quasi-kontinuierliche Prozessführung (Taktung) - Separation des Biokohle-Schlamms - Prozesswasser-Kreislaufführung - Segmentierter Aufbau (Zonentrennung) - Interne Wärmeverschiebung Folie 22

23 Erste Erfahrungen - technische Versuche Testläufe mit Biomasse (IBN 01) - Teil 1 - Erster Testlauf (IBN 01) - Ausgangsmaterial: Biertreber (Brauerei Allersheim) - C = 48,1 %, H o = 20,2 MJ/kg TS - TS-Gehalt = 17 % FS - Ab 16. Betriebsstunde Aufstockung der Trockenmasse - mit Raffinade Zucker - C = 42 %, H o = 16,2 MJ/kg TS TS-Gehalt Input ca. 24 % FS Folie 23

24 Erste Erfahrungen - technische Versuche Testläufe mit Biomasse (IBN 01) - Teil 2 - Betrieb IBN Stunden Dauerbetrieb kg Inputsubstrat (27 kg Zucker) - Prozesswasser-Kreislaufführung - Verweilzeit ca. 6-8 h - Temperatur ca. 190 C Folie 24

25 Erste Erfahrungen - technische Versuche Testläufe mit Biomasse (IBN 01) - Teil 3 Output am Austrag: HTC-Biokohle nach Separationseinheit TS = 20 bis 25 % FS Folie 25

26 Erste Erfahrungen - technische Versuche Testläufe mit Biomasse (IBN 01) - Teil 4 Getrocknete HTC-Biokohle Folie 26

27 Erste Erfahrungen - technische Versuche Erste Ergebnisse (IBN 01) - Teil 1 Folie 27

28 Erste Erfahrungen - technische Versuche Erste Ergebnisse (IBN 01) - Teil 2 - Ergebnisse Reaktionsprodukte der IBN Phase Biertreber - Input: C = 48,1 %, Ho = 20,2 MJ/kg TS - Output: C = 59,2 %, Ho = 24,9 MJ/kg TS - 2. Phase Biertreber/Zucker (TS-Erhöhung) - Input: C = 46,0 %, Ho = 18,8 MJ/kg TS - Output: C = 56,3 %, Ho = 24,7 MJ/kg TS - Zusammenfassung - Kohlenstoffverdichtung bei > 10 % (absolut) - Brennwerterhöhung > 5 kj/g TM (absolut) Gutes Konversionsergebnis trotz niedriger Temperatur Folie 28

29 Erste Erfahrungen - technische Versuche Erste Ergebnisse (IBN 01) - Teil 3 - Weitere Ergebnisse IBN 01 - Entwässerungsergebnis: WG = 47,3 % FS (15 bar) - Ausbeute der HTC-Biokohle 0,6 kg TS/kg TS Input - Funktionalität des Verfahrens bewiesen - Separation des Outputs - Realisierung der Prozesswasser-Kreislaufführung - Ergebnisse bisheriger Laborversuche bestätigt Folie 29

30 Erste Erfahrungen - technische Versuche Testläufe mit Biomasse (IBN 02) - Teil 1 - Zweiter Testlauf (IBN 02) - Ausgangsmaterial: Biertreber/Schlempe/Cerealien - C = 44,6 %, H o = 20,7 MJ/kg TS TS-Gehalt (Input) = 20,1 % FS Folie 30

31 Erste Erfahrungen - technische Versuche Testläufe mit Biomasse (IBN 02) - Teil 2 - Betrieb IBN 02 - Ca. 45 Stunden Betrieb (22 Std. Dauerbetrieb) - Nach Einfahrphase (15 h) ca. 10 Stunden Betriebsunterbrechung kg Inputsubstrat - Prozesswasser-Kreislaufführung - HRT = ca. 8 h - max. Temperatur 205 C Folie 31

32 Erste Erfahrungen - technische Versuche Erste Ergebnisse (IBN 02) - Teil 1 Folie 32

33 Erste Erfahrungen - technische Versuche Erste Ergebnisse (IBN 02) - Teil 2 - Ergebnisse Reaktionsprodukte der IBN 02 - Nach technischer Entwässerung (15 bar) - Wassergehalt: WG = 48,5 % FS - HTC-Biokohle: Ho = 28,6 MJ/kg TS - Zusammenfassung - Kohlenstoffverdichtung bei > 15 % (absolut) - Brennwerterhöhung > 7,5 kj/g TM (absolut) Sehr gutes Konversionsergebnis trotz milder Temperatur Folie 33

34 Erste Erfahrungen - technische Versuche Erste Ergebnisse (IBN 02) - Teil 3 - Weitere Ergebnisse IBN 02 - Ergebnisse IBN 01 gut reproduzierbar - Umsetzungsreaktion im konti. Betrieb gut - Die Prozesswasser-Kreislaufführung bewirkt eine Aufkonzentration der organischen Inhaltsstoffe Anaerobe Umsetzung der HTC-Prozesswässer Folie 34

35 Erste Erfahrungen - technische Versuche Prozesswasser-Kreislaufführung Ergebnisse der Prozesswasser-Kreislaufführung Folie 35

36 Erste Erfahrungen - technische Versuche Fazit - Teil 1 - Ergebnisse - Betrieb - Zufriedenstellende Konversionsergebnisse (HTC-Biokohle) - Prozesswasser-Kreislauf Steigerung Verwertungspotenzial - Optimierungsbedarf - Zonenheizung - Isolation - Querströmung (Temperatur Verschiebung) - Höhere Trockenmassegehalt des Inputs > 25 % FS Folie 36

37 Erste Erfahrungen - technische Versuche Fazit - Teil 2 - Zusammenfassung - Funktionalität des kontinuierlichen Verfahrens ist bewiesen - Biokohle-Qualität ist gleichwertig bzw. besser als aus Batchversuch (Labor) - Das gute Entwässerungsverhalten wurde bestätigt - Prozesswasser-Kreislaufführung deckt die Erwartungen - Ausreichend Erkenntnisse für zielführende Optimierungen Folie 37

38 Erste Erfahrungen - technische Versuche Fazit - Teil 3 - Weitere Vorgehensweise - Ergebnisse reproduzieren - Beweis der Betriebsstabilität (Langzeittest) - Untersuchung im Langzeittest - Biokohle-Qualität - Prozesswasser-Aufstockung - Energiebilanzen (spezifischer Energiebedarf) - Betriebsstabilität Verfahrensoptimierung Folie 38

39 Adresse Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort Höxter Fachbereich Umweltingenieurwesen und Angewandte Informatik Fachgebiet Abfallwirtschaft und Deponietechnik An der Wilhelmshöhe 44, Höxter Tel / (-166); Telefax 05271/ Web Folie 39