Projekt 09294/01

Untersuchung der Teerbildung bei der Wirbelschichtvergasung von Biomassen

Projektträger

Universität Stuttgart Institut für Verfahrenstechnik und Dampfkesselwesen (IVD)
Pfaffenwaldring 23
70550 Stuttgart
Telefon: 0711/685-

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Vergasung von Biomassen mit anschließender Nutzung des Gases in einem Gasmotor oder einer Gasturbine bietet die Möglichkeit einer dezentralen, weitgehend CO2-neutralen Energieversorgung. Für den Leistungsbereich 1 - 20 MWel ist ein atmosphärischer Wirbelschichtvergaser die derzeit aussichtsreichste Technologie, wobei bis 5 MWel die Koppelung an einen Motor (BHKW) und darüber die Koppelung an eine Gasturbine mit Abhitzenutzung sinnvoll erscheint.
Ein Hauptproblem dieser Technik sind die bei der Vergasung entstehenden Teere, die zu starken Verschmutzungen in Rohrleitungen und Aggregaten führen und damit einen kontinuierlichen Anlagenbetrieb unmöglich machen. Von den heute verfügbaren Vergasern werden die zulässigen Werte für den Teergehalt des Gases bei weitem überschritten, so daß eine aufwendige Gasreinigung erforderlich wird.
Im Vorhaben soll das Wissen über die Teerbildungsmechanismen bei der Vergasung in der Wirbelschicht vertieft werden und die Möglichkeiten der Teerreduktion durch geeignete Betriebsbedingungen und Zuschlagstoffe untersucht werden. Ziel ist die Produktion eines nahezu teerfreien Gases (Teergehalte < 100 mg/m³), das ohne weitere Behandlung in Motoren oder Turbinen eingesetzt werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Versuchsanlage am IVD ermöglicht es, die Betriebsparameter in einem weiten Bereich unabhängig voneinander zu variieren und somit die jeweiligen Einflüsse auf Teerbildung und -zusammensetzung systematisch zu ermitteln.
Im einzelnen wurde der Einfluß der Bettemperatur, der Luftzahl, der Brennstoffaufbereitung und der Biomassenart untersucht. Des weiteren wurde versucht, durch gezielte Eingriffe in die Prozeßführung und durch den Einsatz von Additiven eine möglichst weitgehende Verminderung des Teergehalts zu erreichen. Als Katalysatoren wurden dabei Dolomit und Kalkstein eingesetzt.
Als erster Schritt wurde die am Institut bestehende Teerprobennahme weiter verbessert, so daß eine sichere und einfache Bestimmung der Gesamtteermenge möglich ist. Zur Bestimmung der Teerbestandteile wurden die Teere gaschromatographisch untersucht.
Anschließend wurde der Einfluß der Prozeßparameter für drei ausgewählte Biomassen bestimmt. Die zweite Phase widmete sich dem Teerminderungspotential durch Katalysatoren. Abschließend wurden anhand der gewonnenen Erkenntnisse Versuche mit den optimierten Prozeßparametern durchgeführt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Versuche haben gezeigt, daß für alle untersuchten Brennstoffe die Vergasung in der Wirbelschicht mit hohem Brennstoffumsatz möglich ist. Hinsichtlich des Heizwertes, des Kaltgaswirkungsgrades und des Kohlenstoffumsatzes konnten bei Temperaturen ab 800 °C durchweg befriedigende Ergebnisse erzielt werden (Kaltgaswirkungsgrade von bis zu 80 % und Heizwerte im Bereich von 5.5 MJ/m³). Die zirkulierende Wirbelschicht erbrachte gegenüber der stationären keine nennenswerten Vorteile hinsichtlich der Gasqualität, allerdings ist der Kohlenstoffumsatz deutlich höher.
Hinsichtlich des Teergehalts konnten bei den Versuchen mit einem Sandbett keine ausreichend niedrigen Werte erzielt werden, die einen direkten Betrieb des Motors ohne Gasreinigung erlauben würden. Die Steigerung der Temperatur durch Erhöhung der Luftzahl führt zwar zu einer ganz erheblichen Verringerung der Teerbildung, allerdings sind hierfür in der Wirbelschicht beim Einsatz von Biomassen Grenzen gesetzt, da es oberhalb von 900 °C zur Versinterung des Bettmaterials kommt. Nachteilig ist auch, daß sich durch die Erhöhung der Luftzahl der Heizwert des Gases verringert. Bei Holz lagen die mit Quarzsand erzielten Bestwerte (bei 920 °C, Luftzahl 0.35) mit rund 4 g/m³ über einer Größenordnung über dem Zielwert. Bei Klärschlamm konnte bei 900 °C (Luftzahl 0.45) immerhin ein Teergehalt von 1.5 g/m³ erzielt werden.
Als äußerst wirksam hat sich der Einsatz von katalytischem Bettmaterial, insbesondere von Dolomit, erwiesen. Beim Optimum mit Dolomitbett bei 920 °C und einer Luftzahl von 0.35 ergeben sich Werte von 250 mg/m³. Obwohl damit der Zielwert von 100 mg/m³ auch mit Dolomitbett nicht erreicht werden konnte, dürfte der direkte Einsatz in Verbrennungsmotoren möglich sein. Hauptproblem ist die geringe Abrasions-festigkeit des gebrannten Dolomits. Um den daraus resultierenden Verlust an Bettmaterial auszugleichen, muß ständig etwas Bettmaterial zugegeben werden. Es ergeben sich daraus zusätzliche Betriebskosten von rund 4,50 DM pro Tonne Brennstoff.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

(Veröffentlichungen)

Moersch O., Spliethoff H., Hein K.R.G. (1997) A new system for tar sampling and analysis, in Kaltschmitt M. and Bridgewater AV (Editors): Biomass Gasification and Pyrolysis, CPL Press, Newbury UK
Moersch O., Spliethoff H., Hein K.R.G.(1997): Quasi-kontinuierliche Online-Messung des Teergehalts in Gasen aus der Biomassevergasung, 6. Symposium Biobrennstoffe und Umweltfreundliche Energietechnik, Regensburg, 17/18.11.1997
Moersch O., Spliethoff H. und Hein K.R.G. (1998): Vergleich verschiedener Methoden zur Bestimmung des Teergehalts in Gasen aus der Holzvergasung, DGMK-Tagung, Velen, 20.-22.4.1998
Moersch O., Spliethoff H. und Hein K.R.G. (1998): Tar Formation in Fluidized Bed Gasification of Biomass, Combustion Meeting of the Italian Section of the Combustion Institute, Ravello, Italien, 26.-28-5.1998
Moersch O., Spliethoff H., Hein K.R.G.(1998): Quasi Continuous Tar Quantification with a new Online Analyzing Method, Proceedings of the 10th European Conference and Technology Exhibition Biomass for Energy and Industry, Würzburg, 8-11 June 1998


Fazit

Durch die Wirbelschichtvergasung von Biomassen läßt sich bei Temperaturen oberhalb 800 °C ein Gas erzeugen, daß die Anforderungen von Motoren und Turbinen an den Heizwert erfüllt. Der Kaltgaswirkungsgrad erreicht dabei Werte größer 70 %. Bei Einsatz von Quarzsand als Bettmaterial reicht eine Optimierung der Prozeßparameter allein nicht aus, um hinsichtlich des Teergehalts auf Werte zu kommen, bei denen keine weitere Gasreinigung mehr erforderlich ist. Die untersuchten Betriebsparameter lassen sich hinsichtlich ihres Einflusses auf den Teergehalt im Gas in folgende Reihenfolge bringen:

Dolomitbett >> Kalkbett >> Luftzahl > Temperatur > ZWS > Dolomiteindüsung > Brennstoffaufbereitung > Brennstoffart > Gasgeschwindigkeit > Feuchte

Durch den Einsatz von Dolomit als Bettmaterial werden Teergehalte von 250 mg/m³ erzielt, bei denen ein direkter Einsatz in einem Gasmotor denkbar ist. Wegen der geringen Festigkeit des Dolomits muß allerdings kontinuierlich Bettmaterial zugegeben werden. Die dadurch entstehenden zusätzlichen Kosten dürften jedoch durch die Einsparungen bei der Gasreinigung mehr als aufgewogen werden.
Für aschearme Brennstoffe, wie z.B. Holz, ist damit ein Weg aufgezeigt, durch Biomassevergasung Strom und Wärme mit gutem Wirkungsgrad zu erzeugen.
Weitere Forschung ist auf dem Gebiet der Katalysatoren erforderlich, um ein Material zu finden, daß bei möglichst niedrigem Preis die guten katalytischen Eigenschaften des Dolomits mit den mechanischen Eigenschaften von Quarzsand verbindet.