Projekt 10386/01

Indirekt beheizter Biomassevergaser zur Kraft-WĂ€rme-Kopplung

ProjekttrÀger

UniversitĂ€t KasselInstitut fĂŒr Thermische Energietechnik
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34109 KasselZielsetzung und Anlass des Vorhabens Aufgrund der Preissituation im Energiemarkt wird Biomasse und hier insbesondere Holz fast ausschließlich im WĂ€rmemarkt genutzt. Ein Gesamtkonzept fĂŒr die gekoppelte Bereitstellung von Heizenergie und elektrischer Energie erfordert die Entwicklung einer einfachen und zugleich an die angebotene Biomasse, z. B. Restholz, anpassbaren Vergasertechnik. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, einen Biomassevergaser auf der Basis von Reaktionsrohren zu entwickeln, in dem feuchte Biomasse verwertet werden kann, der indirekt beheizt wird und dessen Produktgas fĂŒr die motorische Verbrennung konditioniert und aufbereitet wird. Der Einsatz feuchter Biomasse erspart die externe Trocknung, und der erhöhte Wasserdampfgehalt soll gezielt zur Vergasung genutzt werden. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer skizzierte indirekt beheizte Biomassevergaser und die Apparate zur Abscheidung von Staub und kondensierbaren, höheren Kohlenwasserstoffen aus dem Produktgas wurden in einem ersten Arbeitsschritt detailliert verfahrenstechnisch ausgelegt und konstruiert. Der Kooperationspartner PrĂŒfling GmbH unterstĂŒtzte die Konstruktion und stellte den kompletten Vergaser mit Nebenapparaten her.Anschließend wurde dieser als Versuchsanlage in der Versuchshalle des Instituts fĂŒr Thermische Energietechnik aufgebaut und mit der erforderlichen messtechnischen Instrumentierung ausgerĂŒstet. Der Vergaser wurde in Betrieb genommen und experimentell untersucht. Wichtige EinflussgrĂ¶ĂŸen des Prozesses sind: die Zusammensetzung der Biomasse, die katalytische Wirkung der Asche, die TemperaturfĂŒhrung der Reaktionsrohre und das Teillastverhalten. Parallel wurde ein kleinerer Laborvergaser aufgebaut und zur DurchfĂŒhrung von Parameterstudien genutzt. Untersucht wurde der Einfluss der Biomasse, des Wassergehaltes und der Vergasungstemperatur auf das Gas und die Prozesstemperaturen. Die gewonnenen Betriebsdaten ermöglichen die Auswahl geeigneter Motoren fĂŒr ein Gesamtkonzept zur Kraft-WĂ€rme-Kopplung. Die MarktfĂ€higkeit und das Marktvolumen insbesondere in Hinblick auf die Feuerungsleistung und die Investitionskosten wurden abgeschĂ€tzt. Ergebnisse und Diskussion Der indirekt beheizte Rohrvergaser wurde fĂŒr die Vergasung von feuchtem Buchenholz ausgelegt. Es wurden eine gasbefeuerte Technikumsanlage mit einer FeuerungswĂ€rmeleitung von ca. 55 kW und ein elektrisch beheizter Laborvergaser entwickelt. In 6 Versuchsreihen wurden 12 verschiedene Biomassen und Holzkohle auf ihre Eignung zur Vergasung in dem dargestellten Prozess untersucht. Buchenholz wurde unter Zugabe verschiedener Dampfströme und als feuchtes Buchenholz mit 30 - 45 % Wassergehalt bei Temperaturen zwischen 800 und 950°C vergast. Alle untersuchten Biomassen ließen sich als feuchte Biomassen oder als trockene Biomassen unter Zugabe von Wasserdampf zu einem Produktgas mit einem Anteil an Wasserstoff von ca. 50 % und einem Anteil an Methan von = 5 % umsetzen. Der Anteil an Kohlendioxid und Kohlenmonoxid ist stark von den Betriebsbedingungen Temperatur und Wassergehalt bzw. Dampfstrom abhĂ€ngig. Höhere Kohlenwasserstoffe konnten in der Regel mittels Gaschromatographie nicht nachgewiesen werden. FĂŒr alle Biomassen und BetriebszustĂ€nde wurde ein Gas mit einem Brennwert im Bereich von 11 - 13,5 MJ/mÂł (STP, stickstofffrei) erzeugt. Die untersuchten Parameter Beheizungs- bzw. mittlere Reaktionstemperatur, Wassergehalt bzw. Dampfstrom und Art der Biomasse haben einen signifikanten Einfluss auf den Brennwert. Bei konstanten Betriebsbedingungen wirkt sich ein unstetiger Betrieb auf die Gasentwicklung, jedoch nicht signifikant auf den Brennwert aus. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass die Parameter Wassergehalt der Biomass und Kohlenmonoxid-Kohlendioxid-VerhĂ€ltnis charakteristisch fĂŒr den Betriebszustand sind. Eine BetriebsfĂŒhrung einer Pilotanlage dĂŒrfte, eine hinreichend hohe Prozesstemperatur vorausgesetzt, anhand dieser Parameter möglich sein. Die Technikumsanlage wurde fĂŒr den Betrieb im Unterdruck ausgelegt, um Leckagen von Kohlenmonoxid und Pyrolysegasen zu vermeiden. Es wurde ein ausfĂŒhrliches Sicherheitskonzept erarbeitet und dieses in einem Gutachten zum Explosionsschutz durch den TÜV Bayern ĂŒberprĂŒft. Bei einer Pilotanlage sollte die Anlage auf den Betrieb im Überdruck ausgelegt werden, um den Aufwand fĂŒr Sicherheitsvorkehrungen und die Regelung der Gasförderung zu vermindern. In diesem Zusammenhang sollten die Komponenten der BiomassezufĂŒhrung hinsichtlich der Dichtheit und aufgetretener Schwierigkeiten bei der Dosierung ĂŒberarbeitet werden. Im Versuchsbetrieb traten Probleme mit der gleichmĂ€ĂŸigen Beheizung der Reaktionsrohre auf. Es wurde ein theoretisches Modell der indirekt beheizten Vergasung von feuchter Biomasse im Gleichstrom-Rohrreaktor zur Beschreibung des instationĂ€ren Prozesses entwickelt. Mit diesem ist es möglich, die Zonenverteilung von Trocknung, Pyrolyse und Vergasung im Reaktionsrohr zu beschreiben. Die Temperatur und die Gaszusammensetzung lassen sich fĂŒr jeden Ort im Reaktor sowie fĂŒr den gesamten Prozess vorhersagen. Die MarktabschĂ€tzung zeigt, dass fĂŒr das untersuchte Verfahren keine Mangelsituation hinsichtlich des Brennstoffs abzusehen ist und sich nutzerseitig große Zielgruppen erschließen lassen. Die zu erwartenden spezifischen Produktionskosten eines Moduls liegen im Rahmen der KostenschĂ€tzungen anderer Anlagentypen. AbhĂ€ngig von dem Jahresnutzungsgrad und den Brennstoffkosten ist ein wirtschaftlicher Betrieb zu erwarten. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation Das Projekt wurde durch VortrĂ€ge, Poster, Artikel und das Internet der Öffentlichkeit prĂ€sentiert. VortrĂ€ge ĂŒber das Projekt wurden bei den 17. OsnabrĂŒcker UmweltgesprĂ€chen und auf der 1st World Conference on Carbon 2000 in Berlin gehalten. Veröffentlichungen erfolgten in den TagungsbĂ€nden der 1st World Conference on Carbon 2000, der DGMK-Tagung Energetische Nutzung von Biomassen 2002 und der Zeitschrift Erdöl Erdgas Kohle im Februar 2002. Fazit Es konnte gezeigt werden, dass die indirekt beheizte Vergasung im Festbett-Rohrreaktor technisch möglich ist und ein aussichtsreiches Verfahren fĂŒr Kleinvergaseranlagen (= 500 kW FWL) zum Betrieb von Blockheizkraftwerken darstellt. Bis zur Marktreife besteht allerdings noch Entwicklungsbedarf, um Probleme der gleichmĂ€ĂŸigen Beheizung und der ZufĂŒhrung des Brennstoffs zu lösen. Das erzeugte Produktgas besteht zu ca. 50% aus Wasserstoff und ist bei geeigneter Wahl der Betriebsparameter bis auf Spuren frei von höheren Kohlenwasserstoffen. Bei bekanntem Wassergehalt des Brennstoffs ist das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid-VerhĂ€ltnis fĂŒr den Prozess charakteristisch.

Übersicht

Telefon

0561/804-0

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Bundesland

Hessen

Fördersumme

198.636,90 €

Förderzeitraum

01.03.1998 - 01.03.2001