Matthias Bernhard Müller-Hagedorn. Charakterisierung der Pyrolyse von Biomasse am Beispiel von Nadel- und Laubbaumholz

Ähnliche Dokumente
Die Bioraffinerie mit lignozellulosen Rohstoffen

Ansätze für eine mehrstufige hydrothermale Verflüssigung. Michael Kröger, Franziska Hartmann, Marco Klemm

Oligomerenbildung bei der hydrothermalen Ligninverflüssigung

Jonas Schulz Christopher Zemann Markus Gölles

Chemilumineszenz, MALDI TOF MS, DSC Vergleichende Messungen an Polymeren

Indonesien: Erschließung des energetischen Potenzials von Agrarabfällen durch innovative Technologien

gemessene Wasserqualität Koloniezahl 22 C Koloniezahl 36 C Coliforme Bakterien / E. Coli 0 0

FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR. Produkte aus nachwachsenden Rohstoffen

PRÜFBERICHT

PRÜFBERICHT. Dr. Blasy - Dr. Busse. Auftragsnr Indikatorparameter der Anlage 3 TrinkwV / EÜV / chemisch-technische und hygienische Parameter

Bild 2: Formaldehydabgabe (Flaschen-Methode, 3 h) von UF-Harz-gebundenen MDF aus Kiefernfasern

für r zukünftige Antriebskonzepte

Kohlenmonoxid aus Ethanal, CH 3 -CHO

Die Trinkwasseranalyse der Stadtwerke Emsdetten GmbH Wasserwerk Ortheide

PRÜFBERICHT. Übersicht der untersuchten Proben: Gemeinde Eichstetten Rathaus. Prüfberichtsnummer R 0341 /16 Kunden-Nummer 11172

Thermisches Verhalten von HTC-Kohle

Holz-Hackschnitzel-KWK mit Holzvergaser

Charakterisierung der Partikelarten aus der Holzverbrennung und Eigenschaften in Elektroabscheidern

Karlsbad (Karlovy Vary)

Die Trinkwasseranalyse der Stadtwerke Emsdetten GmbH Wasserwerk Ortheide

Elemente des Periodensystems. Natürliche Häufigkeit der Elemente

DELO -PUR 9692 Universeller 2k Polyurethanklebstoff, raumtemperaturhärtend, hochviskos, gefüllt

Superkondensatoren Redox-Flow Batterien

PRÜFBERICHT

Befund für mikrobiologische und chemische Trinkwasseruntersuchung (Umfassende Untersuchung laut Trinkwasserverordnung)

Übung 2. Ziel: Bedeutung/Umgang innere Energie U und Enthalpie H verstehen

Befund für mikrobiologische und chemische Trinkwasseruntersuchung (Umfassende Untersuchung laut Trinkwasserverordnung)

Praktikum Innovative Werkstoffkunde

UNIVERSITÄTSKLINIKUM Schleswig-Holstein

Polymorphie von Triamcinoloacetonid

Untersuchungsergebnisse

DOI: /cite

Protokoll Physikalisch-Chemisches Praktikum für Fortgeschrittene

Trinkwasser-Untersuchungsergebnisse der Linzer Wasserwerke Netzeinspeisung

Abschlussklausur Allgemeine und Anorganische Chemie Teil 2 (Geologie, Geophysik und Mineralogie)

Analyse 2015 für das Trinkwasser aus dem Wasserwerk Nord

Analytische Chemie. B. Sc. Chemieingenieurwesen. 14. März Prof. Dr. T. Jüstel. Name: Matrikelnummer: Geburtsdatum:

1. Klausur Allgemeine und Anorganische Chemie B.Sc. Chemie

CLG. Chemisches Labor Dr. Barbara Graser. Prüfbericht 12/10/ Trinkwasserprobe -

8 Hemicellulosen (Polyosen)

ETW Aufbaukurs Chemie Vorlesung 1: Einführung. Jörg Petrasch

Institut für Energietechnik, Professur Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung Energietechnik Thermische Prozesse zur Nutzung erneuerbarer Energien

Einzelmolekül-Kraftspektroskopie an kovalenten Bindungen

Anlage zur Akkreditierungsurkunde D PL

Verbrennungstechnik. 1. Brennstoffe. 1.Brennstoffe. 2.Heizwert. 2.1 Oberer Heizwert 2.2 Unterer Heizwert. 3.Verbrennungsvorgang

Holz und Ernährung Oliver Kläusler, Emil E. Thybring & Ingo Burgert

Schriftliche Abschlussprüfung Chemie

5 Chemische Zusammensetzung des Holzes

Brennstoffdaten Scheitholz, Hackgut, Pellets

Formeln & Namen. Will man ein Kapitel nicht bearbeiten, kann man dessen Aufgabenzahl auf '0' setzen.

Die Trinkwasseranalyse der Stadtwerke Emsdetten GmbH Wasserwerk Ortheide

Allgemeine Information zur Vergasung von Biomasse

Prüfbericht über Wasseruntersuchungen gemäß TrinkwV 2001

Versuch V2 Version 12/2012. Legierungsbildung. und. Differential-Thermo-Analyse

PRÜFBERICHT

Onlineergänzung zum Artikel Räuchern aus chemischer Sicht

Text Anlage. Heparin-Calcium

PRÜFBERICHT. Prüfbeginn Prüfende

Wissenschaftliches Schreiben in der AC

C Säure-Base-Reaktionen

B Chemisch Wissenwertes. Arrhénius gab 1887 Definitionen für Säuren und Laugen an, die seither öfter erneuert wurden.

DELO-PUR 9691 Universeller 2k Polyurethanklebstoff, raumtemperaturhärtend, mittelviskos, gefüllt

Kochsalz-Kristalle (Halit) Wichtige Stoffgruppen Atomverband Stoffgruppe Metall Metall: Metallische Stoffe Salzartige Stoffe Metall Nichtmetall:

Neuronale Signalverarbeitung

PRÜFBERICHT. Übersicht der untersuchten Proben: Wasserzweckverband Hexental Rathaus. Prüfberichtsnummer R 11125/16 Kunden-Nummer

Prüfbericht. Untersuchungsergebnisse der Parameter nach TrinkwV. Anlage 1-4, vom Gladenbach-Rachelshausen

Prof. Dr. Walter F. Tichy Dr. Matthias Müller Sommersemester 2006

Versuch Nr.53. Messung kalorischer Größen (Spezifische Wärmen)

Von Dr. IL Fehling. Chemisclie Analyse der Ouelleii in llebenzell. Bohrungen auf neue Quellen in Liebenzell vornehmen zu

Mikroplasmareaktoren für den Umweltschutz und chemischer Synthese

!!! NEUE ÖAB-MONOGRAPHIE!!!

Ersatz von Erdgas durch gasförmige Energieträger aus der thermischen Biomassevergasung

WIE GUT IST DAS WASSER VON MAIN, NIDDA UND URSELBACH?

Grundlagen der Chromatographie

Lösungen, Salze, Ionen und Elektrolyte

4 Thermodynamik mikroskopisch: kinetische Gastheorie makroskopisch: System:

DEFINITIONEN REINES WASSER

6 Zusammenfassung und Ausblick

Grundwissen Chemie 9. Jahrgangsstufe

OIT-Messungen an PE/EVA Blends

Lösung 7. Allgemeine Chemie I Herbstsemester Je nach Stärke einer Säure tritt eine vollständige oder nur eine teilweise Dissoziation auf.

PRÜFBERICHT

Benennen Sie folgende Salze: 1. K 4 [Fe(CN) 6 ] 2. K 3 [AlF 6 ] 3. [Al(OH) 2 (H 2 O) 4 ]NO 3

Trinkwasserbeschaffenheit 2015 zu den Entnahmestellen - Trinkwasser - des Auftraggebers Stadtwerke Schnaudertal - Eigenbetrieb der Stadt Meuselwitz

DBU Fachgespräch Stoffliche Nutzung von Abfallstoffen aus der Landwirtschaft. Verfahrenstechnische Herausforderungen

Thermische Nutzung von Biomassen und Abfällen im Projekt MARS

Biokraftstoff für Entwicklungsländer: Das DIREKT Pilot Projekt

Welches Wasser schmeckt euch am besten?

5-HMF aus Inulinpflanzen und Lignocellulosen

Klausur B 03/06 Seite - 1 -

Verwertung Nachwachsender Rohstoffe

Der Einfluss des Wassers auf die Qualität der Kühlschmierstoff-Emulsion

:50 Uhr Probeneingang: Untersuchungsende: Lfd. Nr. Parameter Methode/Norm Einheit Ergebnis Grenzwert

Lehrbuch Chemische Technologie

Trinkwasser-Untersuchungsergebnisse der Linzer Wasserwerke Netzeinspeisung WASSERWERKE

Schlickergießen von Silicatkeramik-Tiegeln mittels statistischer Versuchsplanung

Reaktorvergleich mittels Verweilzeitverteilung

Endbefund vom , Entnahmedatum: , Auftragsnummer:

Kumulierte Trinkwasseranalyse Analysen-Nr.:

Verbrennung und Dampferzeugung

Transkript:

Matthias Bernhard Müller-Hagedorn Charakterisierung der Pyrolyse von Biomasse am Beispiel von Nadel- und Laubbaumholz

Übersicht Motivation Chemischer Aufbau von Holz Hauptkomponenten Zusammensetzung der untersuchten Hölzer Angewandte Methoden zur Untersuchung der Pyrolyse Einflussfaktoren auf die Pyrolyse von Holz anorganische Salze Bestimmung der formalkinetischen Parameter für die Pyrolyse der Hauptkomponenten der unterschiedlichen Holzarten Beschreibung der Pyrolyse von Holz (Summe der Hauptkomponenten) Zusammenfassung

Motivation Alternative Herstellung von Spezialchemikalien (z. B. Furfural, THF, Essigsäure) durch Pyrolyse von Holz Biomasse und insbesondere Holz als erneuerbarer und C 2 - neutraler Energieträger - Wärmeenergie - elektrische Energie - Synthesegas Anwendungsfall Synthesegaserzeugung: direkte Pyrolyse als ein zentrales Prozesselement bei der gestuften Reformierung von Biomasse Quelle: BWK-Fachmagazin, Heft, 23, S. 2-3

Motivation Pyrolyse als wesentlicher Teilschritt bei der Verbrennung oder Vergasung (z. B. Energieumwandlung, thermische Entsorgung von Siedlungsabfällen) Trocknung => Pyrolyse => Reaktion mit 2 => vollständige xidation Kohlevergasung steigende Temperatur Beispiel: Rostfeuerung Ziel Beitrag zum besseren Verständnis (Beschreibung) der Abläufe beim Pyrolyseschritt Umsatzgeschwindigkeit Produkte (örtl. 2 -Bedarf) Holzarteinfluss Quelle: Kaltschmitt, M. und Hartmann, H. (Hrsg.), Energie aus Biomasse, Springer, Berlin 22, S. 349

Hauptkomponenten von Holz Zellulose (4-5 %) β-,4 Zellobiose, linear, DP 2-5 [] H CH 2 H H H H Lignin (2-3 %) Phenylpropan-Derivate Nadelholz: Guajacylpropyl Laubbaumholz: Guajacylpropyl und Syringylpropyl H H H 4 H H CH 2 H H H H n H H 2 H 7 HC HC H 2 C H 3 C H H 3 C CH 3 CH 2 CH CH 8 HC 5 H 3 C HC CH CH 2 H H 3 C Carbohydrate CH 2 H CH H 3 C CH 9 CH 2 H HC 4 CH 3 CH 2 H CH HCH 2 CH 3 H [] Higuchi, T., Biochemistry and Molecular Biology of Wood, Springer, Berlin, 997. [2] Sakakibara, A., Wood Sci. Technol. 4, 98, 89. Nadelholzlignin [2]

Hauptkomponenten von Holz Hemizellulosen (2-35 %) Xylan, Arabinan, Mannan; verzweigt, DP 5-25 CH H CH 3 H H 4 H 4 4 2 H H CH 2 H H H

Chemische Zusammensetzung (Hauptkomponenten) Weißbuche Walnuss Kiefer Splint Kern Aschegehalt (5 C) a,7,7,3,3 Warmwasserlösliches b 7,7 4, 2,7 3, Lignin b 2, 25,9 26,7 27, Hemizellulosen b 3, 26,3 23,5 24, Xylose 2, 7,2 5, 5,3 Mannose,6,4 3, 2,2 Zellulose b 48,9 47,8 49,8 49, a in Prozent auf trockenes Holz bezogen b in Prozent auf gewaschenes Holz (Kaltwasser) bezogen

Methoden zur Untersuchung der Pyrolyse Thermogravimetrie/Massenspektrometrie,4E-9,2E-9,E-9 Ionenstrom I /A 8,E- 6,E- 4,E- 2,E-,E+ 6 26 3 4 44 5 55 59 68 72 79 83 87 96 3 amu Massenspektrum Formalkinetischer Ansatz: 3 25 dα = dt k β E a RT n e ( α ) Masse m/mg 2 5 5 2 3 4 5 Temperatur T/ C Massenverlauf α = m( T ) m m m β = dt dt Parameter: k, E a, n

Methoden zur Untersuchung der Pyrolyse Isotherme Methode,4E-9 Ionenstrom I /A,2E-9,E-9 8,E- 6,E- 4,E- 2,E-,E+ 6 26 3 4 44 5 55 59 68 72 79 83 87 96 3 amu Umsatz,8,6,4,2 2 3 4 5 6 7 Zeit t /min Umsatzkurve Formalkinetischer Ansatz: dα = dt k E a RT n e ( α) Parameter: k, n nach U. Hornung, Bestimmung der Vergasungskinetik von Kunststoffen mit Hilfe eines isotherm betriebenen Kreislaufreaktors, Fortschr.-Ber. VDI, Reihe 3 Nr. 485, Düsseldorf 997.

Einfluss von anorganischen Salzen DTG-Kurven von Weißbuchenholz mit,5 Gew.-% Kationengehalt Anion: Chlorid Kation: Kalium -d(m/m )/dt /(/ C),6,2,8,4 gewaschen Kalium Natrium Calcium -d(m/m )/dt /(/ C),6,2,8,4 gewaschen Chlorid Hydrogencarbonat Sulfat 5 2 25 3 35 4 45 Temperatur T / C 5 2 25 3 35 4 45 Temperatur T / C Heizrate β= C/min Der Einfluss von Metallsalzen (Katalyse) ist offensichtlich sehr komplex! Der Einfluss spiegelt sich in Produktspektren wider

Eignung von Modellsubstanzen,8 Heizrate β= C/min m/m,6,4,2 gewasche Weißbuche Xylan aus Birkenholz Xylan aus Buchenholz Zellulose (Fluka) Avicel PH-5 [3] Whatman #42 [3] 5 2 25 3 35 Temperatur T / C 4 45 5 [3] Antal, M.J. Jr., Varhegyi, G., and Jakab, E., Ind. Eng. Chem. Res. 37, 998, 267.

Bestimmung der formalkinetischen Parameter Ziel: Parameter für die Hauptkomponenten (Hemizellulosen, Lignin, Zellulose) der Hölzer Problem: Modellsubstanzen können nicht verwendet werden Hauptkomponenten zersetzen sich in ähnlichen Temperaturbereichen Annahme: Hauptkomponenten zersetzen sich unabhängig voneinander Lösung: Hemizellulosen können durch milde Hydrolyse herausgelöst werden Lignin- und Zellulosezersetzung Ligninpyrolyse durch spezifische Ionenfragmente (MS) verfolgen

m ( T ) = m( T ) m( T ) Hemi gewaschen Hemizellulosenpyrolyse Rückstand aus Hydrolyse,8 Heizrate β = 5 C/min,25,2 Weißbuche -α,6,4 Walnuss Kiefer,5, dα/dt /(/ C),2,5 5 2 25 3 35 4 45 Temperatur T / C Kohleanteile (6 C): % % % Formalkinetische Parameter können für jede Stufe getrennt berechnet werden

α(t) T= C i= = T= 5 C x T= C i= Ligninpyrolyse ( Monomere ) MS: Ligninmonomere liefern ein unterschiedliches Fragmentierungsverhalten, besonders mit Fragmenten im Bereich von - 22 amu T x I I l,i l,i (T)M (T)M l,i l,i (T)dT (T)dT -α,8,6,4 Heizrate β = 5 C/min Weißbuche Walnuss Kiefer,5,2,9,6 dα/dt /(/ C),2,3 Kohleanteile (6 C): 32% 32% 37% 5 2 25 3 35 4 45 5 Temperatur T / C

Zellulosepyrolyse m m( T ) ( T ) Zellulose = m( T ) Rückstand aus Hydrolyse Lignin,25 -α,8,6,4 Weißbuche Walnuss Kiefer,2,5, dα/dt /(/ C),2 Heizrate β = 5 C/min,5 5 2 25 3 35 4 Temperatur T / C Kohleanteile (6 C): ca. 3% Zelluloseabbau für alle untersuchten Holzarten ist gleich (ohne. Stufe)

Vergleich zwischen berechneten und gemessenen Umsatzgeschwindigkeiten Beispiel Weißbuche.2.8.6 -α.6.4 2 C/min 5 C/min C/min.2.8 dα/dt /(/ C).2.4 dα d 5 2 25 3 35 4 45 temperature / C k 5 Ea,i Holz,i RT n = ci e ( αi ) T i= β Temperatur T / C i

Übertragbarkeit zwischen den Holzarten Walnuss mit den Parametern von Weißbuche,2,8,6 -α,6,4 2 C/min 5 C/min C/min,2,8 dα/dt /(/ C),2,4 5 2 25 3 35 4 45 Temperatur T / C

Übertragung auf Festbettreaktor (PANTHA) [4] Abmessungen Festbett: Ø= 25 mm, Höhe 9 mm, Masse Holz ca. 4 kg Rotbuchenholz, Würfel Kantenänge mm,2,8 berechnet gemessen Temperaturfeld: experimentell bestimmt Umsatz α,6,4 Zusammensetzung Holz [5]: Hemizellulosen: 36,7 % Lignin: 23,2 % Zellulose: 4, %,2 2 4 6 8 2 4 6 8 Zeit t /min [4] Peters, B., Schröder, E. und Bruch, C., J. Anal. Appl. Pyrolysis, 7, 23, 2. [5] Beaumont,. und Schwob, Y., Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 23, 984, 637.

Zusammenfassung In Holz natürlicherweise vorkommende anorganische Salze haben einen Einfluss auf die Pyrolysetemperaturbereiche Modellsubstanzen sind zur Untersuchung der Pyrolyse von Holz nur sehr eingeschränkt geeignet Formalkinetische Parameter für die Hauptkomponenten von Holz konnten bestimmt werden (dynamisch und isotherm) Die experimentell ermittelten TG-Kurven können mit diesen formalkinetischen Parametern beschrieben werden. Die Parameter sind übertragbar auf andere Holzarten

Zusammenfassung Unterschiedliche TG-Kurven der Hölzer sind begründet a) bei Laubbaumhölzern: ausschließlich durch die Zusammensetzung b) bei Laub- und Nadelbaumhölzern: Zusammensetzung und unterschiedliche Zersetzung von Hemizellulosen- und Lignin