Biokoks für die Gießereiindustrie

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1 C.A.R.M.E.N.- Symposium 11. und 12. Juli 2011 in Straubing Guillermo Peña Chipatecua, Saulo H. Freitas Seabra da Rocha, Peter Quicker Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe

2 Lehr-und Forschungsgebiet Technologie der Energierrohstoffe Arbeitsgebiete Konversion und Veredlung von fossilen, nachwachsenden und sekundären Energieträgern. Insbesondere durch thermochemische Prozess Ausstattung Brennstofflabor Technikum Drehrohr Studiengänge Feuerungsmessstand (im Aufbau) Vergasungsanlage (im Aufbau) Rohstoffingenieurwesen Umweltingenieurwissenschaften Entsorgungsingenieurwesen Biomasse Abfälle Biomasse Kohle 2

3 Inhalt Einführung Pyrolyse Biokoks für die Gießereiindustrie Motivation Projektübersicht Rohstoffauswahl Pyrolyseversuche in Labor und Technikum Charakterisierung Brikettierung Technische Erprobung Fazit 3

4 Einführung Warum stoffliche Biomassenutzung? Bekannte Gründe für Biomassenutzung CO 2 -Neutralität Ressourcenschonung Versorgungssicherheit, Autarkie Kostenstabilität, regionale Wertschöpfung Altlastenvermeidung (Gruben, Brennstäbe) Gründe für eine stoffliche industrielle Biomassenutzung Strom- und Wärmebedarf kann langfristig aus anderen regenerativen Quellen gedeckt werden Reduktion Treibstoffbedarf durch Entwicklung Elektromobilität Alternativer Kohlenstoffträger für Chemie und Industrie notwendig Biomasse ist als einzige erneuerbare Energieform direkt stofflich nutzbar 4

5 Pyrolyse Produkte und Reaktionsschema Niedrige Temperaturen Reaktion 1 dominiert: konventionelle Pyrolyse, Hauptprodukt Holzkohle Mittlere Temperaturen Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit um den Faktor 100 (bei 500 C) Reaktion 2 dominiert : Bildung vorw. flüssiger Produkte (Flash-Pyrolyse) Gasbildung durch sekundäre Crack-Reaktionen möglich (Reaktion 4) Hohe Temperaturen Reaktion 3 führt zur vorwiegenden Bildung von Gasen 5 Quelle: Gerdes, Dissertation 2001

6 Pyrolyse Beeinflussung Produktspektrum Produktspektrum Holzpyrolyse nach Gerdes 2001 Einflussparameter Prozesstemperatur Verweilzeit Anlagendruck Eigenschaften Einsatzstoff Aufheiz-/Abkühlgeschwindigkeit Durchmischung 6 Quelle: Gerdes, Dissertation 2001

7 Pyrolyse Kokszusammensetzung Einfluss Pyrolyseendtemperatur bei Holzpyrolyse 7

8 Pyrolyse Vergleich Produktspektrum Gew.-% 8 Quelle: diverse; eigene Untersuchungen

9 Motivation Ausgangssituation CO 2 -Emissionen deutscher Kupolöfen im Jahr 2008 ca. 1,5 Mio. t Abhängigkeit der deutschen Gießereien von Koksimporten Entwicklung der Gießereikokspreise schwer abschätzbar Partner: Projektförderung: 9

10 Projektübersicht 10

11 Funktion Kupolofen 11 Quelle:

12 Projektübersicht Projektansatz Verwendung von Ersatzenergieträgern im Kupolofen Besonders interessant: Biogene Reststoffe CO 2 -neutral Kostengünstig Keine Nutzungskonkurrenz zu Lebensmitteln oder anderen NaWaRo Wesentliche Projektinhalte Vorauswahl geeigneter alternativer biogener Reststoffe Kosten, Verfügbarkeit, Zusammensetzung Entwicklung einsatzfähiger Brennstoffe (Pyrolyse & Brikettierung) Stückige Energieträger (Brikettierung) Staubförmige Energieträger Herstellung der Brennstoffe Technische Schmelzversuche 12

13 Rohstoffauswahl Vorauswahl der biogenen Energieträger Bewertungskriterien: Nachhaltige Beschaffung keine Nutzungskonkurrenz, insb. zur Nahrungsmittelproduktion Technische Umsetzbarkeit (Verfahrenstechnik, Metallurgie) Gehalt an schädlichen Elementen N, P, S, Cl Verfügbarkeit etwa Mg/a Wirtschaftlichkeit Zielvorgabe: Herstellung Biokoks < 300 /Mg Vorrang heimischer Biomassen 13

14 Rohstoffauswahl Vorauswahl der biogenen Energieträger Markt- und Verfügbarkeitsanalyse (Auswahl) Biomasse Verfügbarkeit Kosten Rapsstroh 14,6 Mio. t /t Weizenstroh 14,1 Mio. t /t Altholz (AI-AIV) 7,8 Mio. t 0 40 /t Waldrestholz 7,6 Mio. t /t Landschaftspflegeholz 1,8 Mio. t /t Rinde 0,1 Mio. t 20 Rm Olivenkerne 1,2 Mio. t ES, IT, GR 54 /t ES Mandelschalen 0,07 Mio. t EU15 k.a. Haselnussschalen 0,3 Mio. t TR k.a. Ölpalmkernschalen 4,3 Mio. t MAL ca. 100 /t 14 Quelle: EUROSTAT, Nourouzi 2009, Demirbas 1998

15 Rohstoffauswahl Ausgewählte Biomassesorten für Vorversuche Rapsstroh Roggenstroh Weizenstroh Haselnussschalen Kokosnussschalen Ölpalmkernnussschalen Altholz (A1, A1-3, A4) Grünschnitt Landschaftspflegeholz Gärrest Rinde Waldrestholz 15

16 Rohstoffauswahl Carbonisierungsversuche in Laborreaktor (Batch-Retorte) 16

17 Rohstoffauswahl Carbonisierungsversuche in Laborreaktor (Batch-Retorte) Altholz A IV Rapsstrohbriketts Haselnussschalen 17

18 Rohstoffauswahl Carbonisierungsversuche in Laborreaktor (Batch-Retorte) Thermogravimetrie Vortrocknung Zerkleinerung Heizrate: 8,5 C/min 18

19 Charakterisierung Carbonisate Carbonisat aus Asche [%] Flü [%] Ho [kj/kg] C [%] H [%] N [%] S [%] Cl [%] P wf [%] Richtwerte ,8 0,7 1,5 0,01 0,1 Rapsstroh 14,0 19, ,3 2,37 1,70 1,32 0,20 Rapsstroh-Briketts 1 18,9 13, ,9 1,45 0,93 1,89 0,46 0,173 Rapsstroh-Briketts 2 18,0 25, ,6 2,97 1,09 1,71 0,33 Roggenstroh 18,0 11, ,0 1,22 0,84 0,86 0,15 Roggenstroh-Briketts 14,4 6, ,8 1,38 0,71 < 0,10 0,36 Weizenstroh 14,0 8, ,0 1,33 0,91 0,87 0,17 Weizenstroh-Briketts 15,5 6, ,6 1,45 0,73 0,11 0,34 Rinde 9,0 7, ,3 1,37 1,12 0,82 < 0,05 0,114 Grünschnitt 62,0 4, ,2 0,65 0,76 0,11 0,18 Altholz AI-III 6,7 29, ,0 1,82 2,68 0,22 0,25 0,033 Altholz AIV 7,6 5, ,0 1,49 0,60 < 0,10 < 0,05 0,027 Altholz AI 1,3 6, ,9 1,73 0,47 < 0,10 < 0,05 Waldrestholz 3,6 10, ,4 2,64 0,69 < 0,10 < 0,05 LPH-Fichte >3mm 7,7 4, ,2 1,45 1,00 <0,10 <0,05 LPH-Linde >3mm 11,3 9, ,9 1,74 0,96 <0,10 0,06 Gärrest 36,3 13, ,6 1,40 1,90 0,15 0,90 0,205 Kokosnussschalen 2,1 6, ,8 1,29 0,46 < 0,10 < 0,05 Haselnussschalen 2,4 14, ,5 3,11 0,84 < 0,10 < 0,05 0,034 Ölpalmkernschalen 3,5 4, ,0 1,29 0,74 < 0,10 < 0,05 0,03 19

20 Verfügbarkeit in Mio. t Biokoks für die Gießereiindustrie Ausgewählte Edukte Rinde Altholz A1 Waldrestholz Rapsstroh Kokos /m³ 25 /t /t 22 /t ca. 100 /t 20

21 Carbonisierung im Drehrohr Pyrolysedrehrohr im Technikumsmaßstab Rinde 100% 51,4 % C Pyrolysegas Ofenwandtemperatur: 700 C Eintrag ca. 0,8 kg/h Koksausbeute: % Biokoks ca. 34% % C 21

22 Carbonisierung im Drehrohr Beispiel: Carbonisierung von Rinde 22

23 Carbonisierung im Drehrohr Ausbeuten Gew.-% Ausbeute [%] Ausgangstoff Koks Öl Gas Asche Koks [%] Rinde Altholz A I ,3 Waldrestholz ,7 Rapsstroh Kokosnussschalen ,1 23

24 Brikettierung Prüfung der erzeugten Briketts Testverfahren Spaltzugfestigkeit Trommelfestigkeit Coke Reactivity Index CRI Coke Strength after Reaction (CSR) Drop Shatter-Test (Sturzfestigkeit) Heißdruckfestigkeit Reduction-under-Load-Test (RuL-Test) 24

25 Brikettierung Prüfung der erzeugten Briketts - Spaltzugfestigkeit Rindenkoksbriketts Spaltzugfestigkeit [MPa] P-Binder = Phosphat-Binder FFZ = Feuerfestzement PLZ = Portlandzement 25

26 Brikettierung Prüfung der erzeugten Briketts Spaltzugfestigkeit Spaltzugfestigkeit [MPa] Rezeptur: - 12 % Melasse - 12 % Feuerfestzement 26

27 Kamin Biokoks für die Gießereiindustrie Technische Erprobung Schema Pilotanlage Biomasse ca. 180 kg/h Nachverbrennung Drehrohrreaktor T= C p=1,0-1,1 bar Abgas ca Bm³/h Austrag Carbonisat Staubabscheider Carbonisat ca. 36 kg/h Carbonisatstaub ca. 1,5 kg/h 27

28 Technische Erprobung Aufstellung Pilotanlage 28

29 Technische Erprobung Praxisversuche Übliche Gattierungskomponenten: Roheisen Stahl Kreislauf Eisenersatzstoffe Legierungselemente Kalkstein Stückige Carbonisate Staubförmige Carbonisate 29

30 Fazit Stoffliche Nutzung von Biomasse hat Zukunft Auf lange Sicht Substitution industrieller fossiler Rohstoffe notwendig Biomasse ist als einzige erneuerbare Energie direkt stofflich nutzbar Bekannte Vorteile: CO 2 -Neutralität, Ressourcenschonung, Autarkie, Pyrolytische Veredlung erschließt variables Produktspektrum Koks, Öl, Gas Steuerung Produktspektrum möglich Biomassekoks für metallurgische Prozesse Holzkohle seit Jahrtausenden erprobter Einsatzstoff Aktuell etwa 1 % der weltweiten Roheisenerzeugung mit Holzkohle Neue biogene Energieträger besitzen großes Potenzial Gießerei- und Stahlindustrie zeigt lebhaftes Interesse Wirtschaftlichkeit erscheint gegeben 30

31 Danke für Ihre Aufmerksamkeit