AiF-FV-Nummer 11755 N

Entwicklung eines Festbettvergasers mit kombinierter Gleichstrom/ Gegenstromführung zur thermischen Nutzung von Biobrennstoffen

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.10.1998 bis 30.09.2000

Forschungsstellen

  • Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V.
    Bliersheimer Str. 58 - 60, 47229 Duisburg
    http://www.iuta.de

Zusammenfassung

Die verstärkte energetische Nutzung von Biomasse, insbesondere von Holz, ist eine der wesentlichen Säulen, um die Vorgaben und nationalen Verpflichtungen der Klimakonferenz von Kyoto zu erfüllen. Es ist eine der vordringlichen Aufgaben, durch eine Intensivierung der Forschung und Technologie(weiter)entwicklung, die energetische Nutzung des Rohstoffes Holz gegenüber den herkömmlichen, nicht CO²-neutralen Energieträgern konkurrenzfähig zu gestalten. Dabei sind insbesondere wirtschaftliche Verbesserungen der Anlagentechniken für die Verbrennung und Vergasung von Holz sowie die Verminderungen der Umweltbelastungen beim Einsatz von Gebraucht- und Restholz zu forcieren. Die wesentliche Aufgabe liegt in der Minimierung der Emissionen durch Maßnahmen zur Optimierung der Prozessführung und der Rauchgasreinigung. Darüber hinaus sind Fragen zum Verwertungspotential der Rückstände zu klären. In parallelen Schritten sind Verfahren zur Aufbereitung und Behandlung von biogenen Brenn- und Reststoffen zu erproben. Die energetische Verwertung nachwachsender Rohstoffe nutzt die während des Wachstums durch Photosynthese gebundene Energie, wobei das assimilierte CO² wieder freigesetzt wird. Insofern gelten nachwachsende Rohstoffe im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen als CO²-neutral. Beim Einsatz fossiler Brennstoffe zur Energieerzeugung wird das über viele Jahrtausende aus der Atmosphäre entzogene CO² spontan freigesetzt. Zusätzlich werden durch den Einsatz nachwachsender Rohstoffe die Ressourcen an fossilen Brennstoffen geschont. Unter nachwachsenden Rohstoffen wird ein breites Spektrum von Pflanzenarten, aber auch biogenen Reststoffen und Althölzern verstanden. Den mengenmäßig größten Stoffstrom der biogenen Brennstoffe stellen in Deutschland auf absehbare Zeit die Althölzer. In den skandinavischen Ländern und in den osteuropäischen Ländern stellen Holz und Holzabfälle eine für die Zukunft wichtige Energiequelle dar. In verschiedenen Studien und Erhebungen der letzten Jahre wurde das Alt- und Restholzaufkommen in der Bundesrepublik Deutschland mit 4 bis 11 Millionen Tonnen pro Jahr beziffert. Werden Alt- und Resthölzer bislang vornehmlich in Müllverbrennungsanlagen und Deponien entsorgt, so steht der Entsorgungsweg der Deponierung aufgrund der Vorgaben der TA Siedlungsabfall in absehbarer Zeit nicht mehr zur Verfügung. Daher ist es notwendig, unverzüglich Entsorgungs- oder besser Verwertungsalternativen zu schaffen. Die stoffliche Verwertung von Alt- und Restholz ist aufgrund der begrenzten Aufnahmekapazität des Marktes und der aus dem wachsenden Verbraucherbewusstsein entstehenden Qualitätsanforderungen an die Werkstoffe begrenzt. Die Verbrennung in konventionellen Müllverbrennungsanlagen kann nicht als sinnvoll angesehen werden. Der Energieinhalt der Hölzer wird in diesen Anlagen nicht optimal genutzt, da Müllverbrennungsanlagen auf eine möglichst emissionsarme Beseitigung heterogener Abfallstoffe ausgelegt sind. Des weiteren treten beim Einsatz von Holz Probleme durch den vergleichsweise hohen Heizwert, bezogen auf den Heizwert heterogen zusammengesetzter Abfälle, auf. Um den Energieinhalt des anfallenden Holzes technisch und wirtschaftlich optimal zu nutzen, werden dezentrale Anlagen benötigt, die eine energetisch optimale und emissionsarme thermische Verwertung des homogenen Brennstoffes garantieren. Für die Realisierung eines solchen Konzeptes stehen die Verbrennungstechnik und die Vergasungstechnik zur Verfügung. Bei der thermischen Verwertung von Holz besitzt die Vergasungstechnik gegenüber der Verbrennung prinzipiell Vorteile, da aus dem produzierten Schwachgas mit einem Gasmotor oder einer Gasturbine direkt Strom erzeugt werden kann. Der dabei erreichbare Wirkungsgrad ist wesentlich größer als bei einem Dampfkraftprozess (Kau1994). Aufgrund des relativ niedrigen Heizwertes von Holz im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen sollten lange Transportwege aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten vermieden werden. Daher bietet sich die direkte Verwertung in kleinen und mittleren Unternehmen der holzver- und bearbeitenden Industrie an. Dazu sind die Anlagen so zu konzipieren, dass ein kontinuierlicher Betrieb ohne zusätzliches Personal gewährleistet werden kann. Bei Festbettvergasern treten bislang allerdings Schwierigkeiten bei der direkten Nut-zung des entstehenden Schwachgases auf. Das maßgebliche Problem ist der hohe Gehalt an hochmolekularen organischen Verbindungen im Schwachgas. Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Entwicklung eines Vergasungsverfahrens, in dem die Prinzipien der Gegenstrom- und Gleichstromvergasung kombiniert werden sollten. Die Verschaltung muss so erfolgen, dass die jeweiligen Stärken dieser beiden Verfahren genutzt werden können und ein Produktgas erzeugt wird, das für die direkte motorische Nutzung ohne aufwendige Gasreinigung geeignet ist. Ausgangspunkt für die Auslegung und Konstruktion des Kombi-Vergasers und seiner Anlagenkomponenten waren in erster Linie die Ergebnisse mathematischer Berechnungen, thermodynamischer Gleichgewichtsbetrachtungen und Stoffbilanzen. Auf der Grundlage dieser Berechnungen erfolgte die detaillierte Konstruktion der Vergasungsanlage sowie die Auslegung aller zusätzlich benötigten Aggregate. In einem ersten Schritt wurde der Gegenstromreaktor des Kombi-Vergasers aufge-baut und an dieser Anlage Versuche durchgeführt. Die Erfahrungen aus diesen Versuchen waren in zweierlei Hinsicht wertvoll, einmal weil sich in der realisierten Anlage die Erwartungswerte bezüglich der Schwachgaszusammensetzung einstellten und zum anderen weil das Auslegungsmodell bestätigt wurde. Andererseits war aus dem Betrieb des Gegenstromvergasers das Problem des Kondensatanfalls aufgrund der Verfahrensführung besonders deutlich geworden. Beim Kombi-Vergaser sollte dieser aufgrund der dort vorliegenden thermodynamischen Zustände geringer ausfallen, dafür sollte sich aber ein erhöhter Staubgehalt ergeben. Aus diesem Grund wurde in die Gasreinigungsstrecke des Kombi-Vergasers zusätzlich ein Zyklonabscheider in-tegriert. Die Inbetriebnahme des kombinierten Gleichstrom-/Gegenstromvergasers verlangt die Abstimmung des Anfahrverhaltens der beiden Reaktorkomponenten. Neben dem Ziel eines stabilen stationären Betriebsverhaltens ist das Erreichen eines optimalen Betriebszustandes eine Herausforderung an die Prozessführung. Das dazu notwendige Expertenwissen konnte während der durchgeführten Versuchsfahrten ständig verbessert und die Anlagentechnik kontinuierlich weiterentwickelt werden. Ein wesentliches Ergebnis ist die Realisierung einer exakten Abstimmung der Ver-weilzeit in den Reaktoren und der Zufuhr des Vergasungsmittels. Die Reproduzier-barkeit dieser Anpassung konnte in den fortlaufenden Versuchen bestätigt werden. Das Ziel, mit dem Kombi-Vergaser ein Brenngas für die direkte motorische Nutzung zu erzeugen, das nicht aufwendig aufbereitet werden muss, wurde weitgehend er-reicht. Allerdings müssen hinsichtlich der Standzeit und der Betriebssicherheit noch weitere Anstrengungen unternommen werden. Daneben besteht noch Potential in der Steigerung des Heizwertes und der Leistung der Anlage.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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