Projekt 14864/01

Entwicklung und Erprobung eines Meßverfahrens zur kontinuierlichen Bestimmung des Teergehaltes in Gasen aus der Vergasung von Biomassen

Projektträger

Universität StuttgartInstitut für Verfahrenstechnik undDampfkesselwesen (IVD)
Pfaffenwaldring 23
70550 Stuttgart
Telefon: 0711/685-3396

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. Als ein Haupthindernis hat sich dabei immer wieder der Teergehalt im erzeugten Gas erwiesen. Werden die Teere nicht vollständig entfernt, kommt es zu starken Verschmutzungen. Trotz der Relevanz des Sachverhalts existieren bislang weder eine einheitliche Definition der Teere noch standardisierte Messverfahren zur Bestimmung des Teergehalts. Die bestehenden Methoden sind sehr zeitaufwendig und erlauben keine kontinuierliche Überwachung der Gasqualität. Von Seiten der Entwickler von Vergasern als auch von potentiellen Anlagenbetreibern besteht starkes Interesse an einem einfachen und schnellen Messverfahren.
Unter anderem in Zusammenhang mit einem von der DBU geförderten Projekt (AZ 09294) wurde am IVD ein Verfahren zur quasikontinuierlichen online-Messung des Teergehalts entwickelt. In der ersten Phase dieses Projektes soll das Verfahren, ausgehend vom derzeitigen Stand, weiterentwickelt werden. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit der Firma Ratfisch. Insbesondere soll die Leistungsfähigkeit erhöht und die erzielbare Genauigkeit aufgezeigt werden. In der zweiten Projektphase soll dann ein Prototyp gebaut werden. Vergleichsmessungen mit anderen Verfahren sollen die Anwendbarkeit des Verfahrens nachweisen. In der dritten Projektphase sollen mit dem entwickelten Teermessgerät Messungen an unterschiedlichen Vergasern (Festbett, Wirbelschicht, Druckvergaser, Laboranlagen, Großanlagen) durchgeführt werden. Diese Messungen ermöglichen erstmals den Vergleich der erzielbaren Gasqualität unterschiedlicher Anlagen. Die Zielwerte für das Messverfahren im Einzelnen sind:
- Nachweisgrenze Teergehalt < 20 mg/m³,
- einfache Kalibrierung,
- Vergleichbarkeit der Ergebnisse mit etablierten Messverfahren,
- hohe Wiederholbarkeit,- Dauereinsatz (mehrere Stunden kontinuierlich),
- tragbarer Prototyp für Feldeinsatz.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Arbeiten lassen sich in drei Phasen einteilen:
Phase I: Verfahrensentwicklung und Optimierung
Phase II: Bau und Erprobung eines Prototypen (zusammen mit der Firma Ratfisch), Vergleichsmessungen
Phase III: Messungen an verschiedenen Anlagen


Ergebnisse und Diskussion

Das Messprinzip des im Rahmen dieses Projekts entwickelten Analysegeräts beruht auf dem Vergleich des Teergehaltes im Produktgas mit dem Gas, aus dem die Teere entfernt werden. Drei identische Probenvolumen werden gleichzeitig mit heißem Gas befüllt. Mit Hochtemperatur-Schaltventilen werden die Probenschleifen in den Gasweg zum Detektor gebracht. Das Gas aus den Probenvolumen 1 bis 3 wird nacheinander zum Detektor geleitet. Das Gas aus Probenvolumen 1 wird direkt zum Detektor (FID) geleitet, das Gas aus Probenvolumen 2 und 3 wird über Filter geführt, auf dem die kondensierbaren und die aromatischen Kohlenwasserstoffe abgeschieden werden. Das Detektorsignal wird über den gesamten Zeitraum aufgezeichnet und für die Probenschlaufen getrennt integriert. Die Anordnung, bis auf die Kon-densationsstrecke, ist auf 300°C beheizt. Ansteuerung der Ventile, Datenaufzeichnung und -auswertung erfolgt mittels einer speziell entwickelten Software und PC.
Das Gerät verfügt über drei Messbereiche (100/50/10g (gesamt C)/m³), die Nachweißgrenze wurde mit 0,2% vom Maximalwert ermittelt. Im kleinsten Messbereich ergibt sich damit ein Nachweißgrenze von ca. 20mg/m³.
Die Kalibrierung erfolgt mit Kohlenwasserstoff/Stickstoff-Gasgemischen (üblicherweise 5% Methan in N2) über 2 separate Kalibriergaseingänge am Gerät.
Es wurden Vergleichsmessungen mit anderen Verfahren (nasschemisch, Absorption (SPA), etc.) durchgeführt. Eine direkte qualitative Vergleichbarkeit verschiedener Methoden ist nur bei konstanten Betriebsbedingungen der Anlagen gegeben.
Mit einem Prototyp des Geräts wurden bereits mehrere Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Betriebsparameter auf die Teerentstehung bei unterschiedlichen Vergasertypen durchgeführt, zusätzlich wurden dabei verschiedene katalytisch (d.h. teermindernd) wirkende Bettmaterialien untersucht. Teergehalte zwischen 200 und 30.000 mg/m³ wurden zuverlässig und wiederholbar gemessen. Die Software erlaubt eine Messdauer über mehrere Stunden ohne Eingriff am Gerät.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Präsentationen:
- Präsentation auf der 1st World Conference and Exhibition on Biomass for Energy and Industry in Sevilla, Spain. 5-9 June 2000: The Continous Tar Analyser - A Suitible Tool for the Development of Gasifiers and Gas Cleaning Systems
- Posterpräsentation auf der ACHEMA, Mai 2000
- Messestand auf dem 3. Internationalen Fachsymposium Entwicklungsstand der Holzvergaser-Technik und Motorische Verbrennung von Holzgas, 14.12.2001
Bezugsmöglichkeit:
Der Teeranalysator wird als 19-Einschubgerät von der Firma Ratfisch hergestellt und zum Erwerb angeboten.


Fazit

Der experimentelle Aufbau des entwickelten Analysesystems ist einfach und die Wiederholbarkeit ist zuverlässig. Das Teermesssystem hat sich in diversen Messkampagnen an unterschiedlichen Vergasern als einsatzfähiges und vielseitiges Werkzeug erwiesen. Für die kommerzielle Verbreitung, besonders unter Berücksichtigung des Einsatzes an kleineren Anlagen, sollten jedoch die Herstellungskosten reduziert werden.