Wassergehalt als Reaktionsparameter bei Torrefizierung, vapothermaler und hydrothermaler Karbonisierung

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Jacob Böhme
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1 Wassergehalt als Reaktionsparameter bei Torrefizierung, vapothermaler und hydrothermaler Karbonisierung Ein experimenteller Vergleich Funke, A.; Kruse, A. INSTITUT FÜR KATALYSEFORSCHUNG UND -TECHNOLOGIE (IKFT) KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Gliederung Einleitung Arbeitshypothesen und Versuchsaufbau Ergebnisse Diskussion 2

3 Vapothermale Karbonisierung Unterschied zu HTC: Keine Suspension von flüssigem Wasser und Biomasse Biomasse wird in Substratkorb gegeben Keine oder nur geringe Befüllung mit flüssigem Wasser Direktes Aufheizen mit Dampf Karbonisierung findet in Sattdampf statt Weniger Prozesswasser zum Aufheizen und Entsorgen Schlitt, R.; Altensen, B.; Richarts, F.; Spantig, A. Verfahren zur Gewinnung von Rohstoff und Energieträgern aus Pflanzen und Pflanzenresten. DE A1 (2009) 3

4 Arbeitshypothesen HTC VTC 4

5 Arbeitshypothesen 1. Karbonisierung in flüssigem Wasser (HTC) und unter Sattdampfatmosphäre (VTC) führt zu ähnlicher Kohle 2. Die Kohlenstoffverluste im Prozesswasser sinken, da bei höherer Konzentration Polyreaktionen begünstigt werden Dinjus, E.; Kruse, A.; Tröger, N. Hydrothermale Karbonisierung: 1. Einfluss des Lignins in Lignocellulosen. Chemie Ingenieur Technik 83 (2011)

6 Versuchsaufbau 20 L Batch-Reaktor Heizung Substratkorb Funke, A.; Reebs, F.; Kruse, A. Experimental comparison of hydrothermal and vapothermal carbonization. Fuel Processing Technol 115 (2013)

7 Versuchsaufbau 20 L Batch-Reaktor Heizung Substratkorb Biomasse Funke, A.; Reebs, F.; Kruse, A. Experimental comparison of hydrothermal and vapothermal carbonization. Fuel Processing Technol 115 (2013)

8 Versuchsaufbau 20 L Batch-Reaktor Heizung Substratkorb Biomasse Flüssiges Wasser Funke, A.; Reebs, F.; Kruse, A. Experimental comparison of hydrothermal and vapothermal carbonization. Fuel Processing Technol 115 (2013)

9 Versuchsaufbau 20 L Batch-Reaktor Heizung Substratkorb Biomasse Flüssiges Wasser Funke, A.; Reebs, F.; Kruse, A. Experimental comparison of hydrothermal and vapothermal carbonization. Fuel Processing Technol 115 (2013)

10 Versuchsplan HTC VTC TorrC TorrO TS-Gehalt 5% 25% 0% 0% Alle Versuche bei 230 C für 6 h, mit Wiederholungsversuch (n=2) Asche (%, d) C (%, daf) H N S Gärrest (aus Mais und Gülle) 24 (5,4) 51 (3,7) 8 (1,3) 3,1 (0,2) 0,6 (0,1) Weizenstroh 4,9 (0,0) 50 (0,8) 7 (0,9) 0,3 (0,0) 0,1 (0,0) Funke, A.; Mumme, J.; Koon, M.; Diakité, M. Cascaded production of biogas and hydrochar from wheat straw: energetic potential and recovery of carbon and plant nutrients. Biomass Bioenerg 58 (2013)

11 Ergebnisse Karbonisierungsgrad Digestate Straw Carbon content (%, daf) t-test, α<0,05 a a ab b b c ab d 10 0 HTC VTC TorrC TorrO Feed 11

12 Weitere Charakterisierung Anteil der (Hemi-) Cellulose bei HTC deutlich geringer REM Aufnahmen zeigen nur wenig HTC-Kügelchen in beiden Fällen NMR von VTC- und HTC-Kohle Funke et al., Fuel Processing Technol, 2013 VTC deutlich höherer C-Gehalt Weniger aromatische Verbindungen und Alkylgruppen bei VTC-Kohle Mehr Kohlenhydrate als bei HTC Schließen daher auf geringere Karbonisierung bei VTC Cao, X.; Ro, K. S.; Libra, J. A.; Kammann, C.; Lima, I.; Berge, N. D.; Li, L.; Li, Y.; Chen, N.; Yang, J. J.; Deng, B.; Mao, J. Effects of biomass types and carbonization conditions on the chemical characteristics of hydrochars. J Agric Food Chem 61 (2013)

13 Kohlenstoffbilanz für Stroh 100% Gas Liquid Solid 90% 80% Carbon distribution (%) 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% HTC VTC TorrC TorrO Kohlenstoffverluste im Prozesswasser bei VTC deutlich geringer 13

14 Energieeffizienz 14

15 Energieeffizienz 15

16 Zusammenfassung 1. Karbonisierung in flüssigem Wasser (HTC) und unter Sattdampfatmosphäre (VTC) führt zu ähnlicher Kohle Kohle weist signifikante Unterschiede auf Widersprüchliche Ergebnisse (teils höherer, teils niedrigerer Kohlenstoffgehalt) 2. Die Kohlenstoffverluste im Prozesswasser sinken, da bei höherer Konzentration Polyreaktionen begünstigt werden Energetische Effizienz von VTC aufgrund von zwei Effekten vorteilhaft: Weniger Wasser zum Aufheizen und weniger Kohlenstoffverluste im Prozesswasser Setzt bestimmte Partikelgröße der Biomasse voraus 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Und dem Leibniz-Institut für Agrartechnik, insbesondere Laureen Herklotz Ulf Lüder Christoph Prautsch Vom Team APECS für ihre engagierte Mitarbeit!!! Dr.-Ing. Axel Funke Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Katalyseforschung und -technologie (IKFT) Telefon: Web: 17

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