Allgemeine Information zur Vergasung von Biomasse

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1 Allgemeine Information zur Vergasung von Biomasse Grundlagen des Vergasungsprozesses Die Vergasung von Biomasse ist ein komplexer Prozess. Feste Brennstoffe werden durch einen thermochemischen Prozess in ein Produktgas umgewandelt. Dieses dient wiederum als Treibstoff für die Stromerzeugung. Die Vergasung erfolgt in einem abgeschlossenen Brennraum in unterschiedlichen Zonen. Bei der Vergasung werden folgende Prozessschritte durchlaufen: Trocknung Biomasse hat einen Feuchtegehalt zwischen 5 und 35 %. Bei Temperaturen über 100 C wird das Wasser in Dampf umgewandelt. Beim Trocknungsprozess wird die Struktur der Biomasse nicht verändert. Pyrolyse Bei der Pyrolyse wird die Biomasse unter Sauerstoffausschluss thermisch zerlegt. Hierbei entstehen feste, flüssige und gasförmige Produkte. Deren Verhältnis bestimmt sich durch die chemische Zusammensetzung der Biomasse und die Prozessbedingungen. Die Pyrolyse erfolgt in einer Zone des Vergasers mit niedrigerer Temperatur; der Heizwert des produzierten Gases ist gering (3,5-8,9 MJ/m³). Oxidation Die Oxidation findet bei Temperaturen zwischen 700 und 2000 C statt. Die verkohlte Biomasse reagiert mit dem durch ein Gebläse zugeführten Sauerstoff. Es entstehen Kohlendioxid und Energie. C + O 2 = CO [MJ/kmol] 12,01 kg verkohlte Biomasse werden mit 22,39 m³ Sauerstoff zu 22,26 m³ Kohlendioxid und 393,8 MJ Wärme umgesetzt. Der Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff; hierbei entsteht Dampf. H 2 + ½ O 2 = H 2 O [MJ/kmol] Reduktion In der Reduktionszone finden bei hoher Temperatur u.a. folgende Reaktionen statt:

2 Boudouard-Reaktion CO 2 + C = 2 CO 172,6 [MJ/kmol] Wasser-Gas-Reaktion C + H 2 O = CO + H 2 131,4 [MJ/kmol] Kondensation CO 2 + H 2 = CO + H 2 O + 41,2 [MJ/kmol] Methanproduktion C + 2H 2 = CH [MJ/kmol] Bei einer kompletten Vergasung entsteht das Produktgas. Zudem verbleiben Asche und etwas Holzkohle (unverbrannter Kohlenstoff). Zusammensetzung des Produktgases Das Produktgas enthält brennbare und nicht brennbare Bestandteile. Die Zusammensetzung hängt von der Art der Biomasse und den Prozessbedingungen ab. Der Heizwert des Produktgases bewegt sich zwischen 4,5 und 6 MJ/m 3. Das Gas enthält folgende Bestandteile: Kohlenmonoxid: Die Menge variiert zwischen 15 und 30 %. Obwohl Kohlenmonoxid eine Oktanzahl von 106 besitzt, ist die Zündgeschwindigkeit niedrig. Wasserstoff: Die Menge variiert zwischen 10 und 20 %. Die Oktanzahl beträgt Der Wasserstoff erhöht die Zündfähigkeit des Gases. Methan: Die Menge ist mit 2-4 % sehr gering. Wasserstoff und Methan sind für den höheren Heizwert des Gases verantwortlich. Kohlendioxid als nicht brennbares Gas ist mit einer Menge von 5-15 % enthalten. Ein höherer Anteil weist auf eine unvollständige Reduktion hin. Stickstoff ist ebenfalls nicht brennbar und mit % enthalten. Wasserdampf (6-8 %) entsteht durch den Wassergehalt der zugeführten Luft oder des Dampfes sowie durch den Wassergehalt der Biomasse. Stickstoff (N2) 45-60% Methan (CH4) 2-4% Wasser (H2O) 6-8% Wasserstoff (H2) 10-20% Kohlendioxid (CO2) 5-15% Kohlenmonoxid (CO) 15-30% Abbildung: Zusammensetzung des Produktgases in Volumenprozent 2

3 40 2,5 Heizwert (MJ/m³) ,5 1 0,5 Dichte (Kg/m³) Heizwert (MJ/m³) Dichte (kg/m³) 0 0 Kohlenmonoxid Wasserstoff Methan Stickstoff Kohlendioxid Schwachgas Abbildung: Dichte und Heizwerte verschiedener Gase Einfluss der Biomasseeigenschaften auf die Vergasung Die Art der Biomasse beeinflusst die Konstruktion des Vergasers. Nachfolgend sind die wichtigsten Eigenschaften von Biomasse beschrieben. Energiegehalt Umso höher der Energiegehalt bzw. der Heizwert, umso besser eignet sich ein Brennstoff für die Vergasung. Biomasse (Holz, Stroh) hat meist einen Heizwert zwischen 10 und 16 MJ/kg, während flüssige Brennstoffe wie Diesel und Benzin Heizwerte > 40 MJ/kg aufweisen. Heizwert (MJ/kg) Diesel Benzin Holzkohle Klärschlamm Holz Stroh Reisschalen Abbildung: Heizwerte verschiedener Brennstoffe Feuchtegehalt Der Feuchtegehalt einer Biomasse hängt von der Art, der Herkunft und der Aufbereitung ab. Für eine ökonomische und problemlose Vergasung ist ein Feuchtegehalt < 15 % wünschenswert. Biomasse mit einem höheren Feuchtegehalt lässt sich schlechter vergasen: Die Gasqualität und der Ertrag sind geringer. 3

4 Partikelgröße Die Partikelgröße der Biomasse beeinflusst den Druckabfall im Vergaser und die Kraft, die aufgewendet werden muss, um die Luft und das Gas durch den Vergaser zu ziehen. Hohe Druckgefälle führen zu geringen Temperaturen und höherer Teerproduktion. Die Partikelgröße hängt auch vom Vergaser ab: So arbeiten Holzvergaser gut mit Pellets mit einer Größe von 80x40x40 mm und 10x5x5 mm. Schüttdichte Die Schüttdichte ist definiert als Gewicht pro Volumeneinheit einer lose geschütteten Biomasse. Sie variiert mit dem Feuchtegehalt und der Partikelgröße. Die Schüttdichte beeinflusst die Gasqualität, da sie sich auf die Verweilzeit der Biomasse in der Brennkammer und den Gasdurchsatz auswirkt. Flüchtige Bestandteile Flüchtige Bestandteile und in der Biomasse enthaltenes Wasser werden bei der Pyrolyse verdampft. Brennstoffe mit einem höheren Gehalt an flüchtigen Bestandteilen produzieren mehr Teer; dieser kann zu Problemen im Motor führen. So enthält Holzkohle 3-30 % Teer, Stroh % und Holz %. Aschegehalt Asche enthält oxidierte anorganische Bestandteile und unverbrannten Brennstoff. Die Bestandteile und Zusammensetzung der Asche beeinflussen den Vergasungsprozess. Ein hoher Aschegehalt (> % 5) kann zu Schlackenbildung im Vergaser führen und zu hoher Teerbildung bzw. komplettem Blockieren des Vergasers, falls keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Der Aschegehalt variiert von Brennstoff zu Brennstoff: So enthalten Holzpellets 0,1 % Asche, Holzkohle 2,5 %, Weizenstroh 7,4 % und Gerstenstroh 10,3 %. Charakteristika der mehrstufigen Vergasung Die mehrstufige Vergasung ist eines von mehreren Vergasungsverfahren und eignet sich besonders für den Einsatz von Material mit geringem Brennwert. Der Gaserzeugungsreaktor ist die zentrale Komponente der Anlage. Die Wirtschaftlichkeit der Anlage ist abhängig von der erzeugten Gasqualität. Bei der mehrstufigen Gaserzeugung ist der komplexe Gasbildungsprozess mit seiner Vielzahl an thermochemischen Reaktionen in mehrere Stufen aufgeteilt. Durch eine räumliche Trennung dieser Stufen ist eine Erfassung und gezielte Regelung der Abläufe möglich. Dies ist der wesentliche Vorteil der mehrstufigen Vergasung. Auf diese Weise brennt das Rohmaterial fast vollständig aus. Die Austragung der Asche erfolgt kontinuierlich über ein Schleusensystem. 4

5 Vorteile der mehrstufigen Vergasung gleichmäßige Gasproduktion hinsichtlich Temperatur, Menge und Qualität geeignet für ungleichmäßige Brennstoffe unterschiedlicher Körnung vergleichsweise unempfindlich gegenüber Brennstoffverunreinigungen weiter Lastbereich von % (100 % = Auslegungsleistung/Betriebsoptimum) hohe Laständerungsgeschwindigkeit von bis zu 10 % pro Minute stark verminderte Teerbildung und damit geringere Gefahr von Ablagerungen durch Kondensation von Nebenprodukten bewährte Vergasungstechnik, hohe Verfügbarkeit, geringes technisches Risiko Wirtschaftlichkeit auch für kleinere und mittlere Anlagen, da technisch und apparativ vergleichsweise einfach Reduzierung der Teere Die Reduzierung der Teere im Produktgas erfolgt bei der mehrstufigen Vergasung durch einen geregelten Ablauf der thermochemischen Reaktionen. Andere Vergasungsverfahren bieten diese Möglichkeit nicht, weshalb je nach Anwendungsfall eine aufwändige Nachbehandlung notwendig ist. Neben der mehrstufigen Vergasung gibt es noch Wirbelschicht-Vergaser und Festbett-Vergaser. Die Tabelle fasst die wichtigsten Eigenschaften der verschiedenen Vergasungssysteme zusammen: Vergasungsverfahren Teergehalt im Gas Staubgehalt im Gas Gleichmäßigkeit der Gaserzeugung (Heizwert, Menge) u.u. schlecht (Anlagengröße) Leistung min. MW Leistung max. MW Festbett Gleichstrom sehr gering mäßig 0,05 0,15 Festbett sehr hoch mäßig mäßig 0,1 1 Gegenstrom Wirbelschicht mäßig hoch sehr gut 0,5 2,5 Mehrstufig gering mäßig sehr gut 0,05 0,5 Tabelle: Vergleich der verschiedenen Vergasungsverfahren Abgasemissionen Das erzeugte Gas (das Produktgas) kommt in Verbrennungsmotoren zum Einsatz. Hier führt es aufgrund seiner langsamen Verbrennung zu einem ruhigen und schonenden Motorenlauf. Die Verbrennungstemperatur ist vergleichsweise niedrig. Dies hat geringe Emissionen an Stickoxiden (NOx) zur Folge. Die eingebauten Oxidations-Katalysatoren sorgen dafür, dass die festgelegten Grenzwerte nicht überschritten werden. 5

6 Energiebilanz Das erzeugte Gas enthält 70 % des Heizwerts des eingesetzten Rohmaterials. Aus 1,5 kg Holz (TS) entstehen 1 kwh Strom sowie eine thermische Leistung von 1,35 kwh. Es handelt sich hier um Standardangaben; in Abhängigkeit vom Heizwert des Rohmaterials können die Zahlen variieren. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei ca. 26 % und ist damit doppelt so hoch wie bei konventionellen Dampfkraftprozessen vergleichbarer Leistung. Weitere Informationen extech GmbH Zechenstraße Peiting Tel / Fax 08861/ info@extech-de.com 6