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Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Biomasseheizkraftwerken auf der Basis von Pyrolyse-, Vergasungs- und Verbrennungsverfahren durch Erhöhung der Brennstoffflexibilität und eine prozessorientierte Bewertung von Biomassen

IGF-Nr. 17223 BG

Gemäß Antragstellung wurden drei Teilziele angestrebt:

Z1: Ermittlung der Brennstoffflexibilität bestehender Anlagen. Welches Verfahren weist welche Flexibilität im Hinblick auf den Austausch von Standardbiomassen auf ?

Z2: Wie muss die Verfahrens- und Apparatetechnik bestehender Anlagen mit möglichst geringem Aufwand geändert werden, um neue Biomassen aufnehmen zu können ?

Z3: Welche verfahrenstechnischen Möglichkeiten ergeben sich beim Einsatz neuer biogener Brennstoffe für die Auslegung von Neuanlagen ?

Z1: Das Ziel, Aussagen über die Brennstoffflexibilität bestehender Anlagen zu ermitteln, wurde erreicht. In unterschiedlichen Verfahren, wie der Pyrolyse im Drehrohr, der Vergasung im Festbett und der Wirbelschicht sowie der Verbrennung auf dem Rost, in der Wirbelschicht und in einer Brennkammer (Staubfeuerung), wurden neben dem Referenzbrennstoff Naturholzhackschnitzel alternative Brennstoffe, wie z. B. Switchgras, Getreidereststoffe, KUP (Pappelholz) oder Gärreste eingesetzt. Anhand der experimentell ermittelten Ergebnisse konnten Aussagen zum Betriebsverhalten mit Hilfe der im Antrag definierten Kriterien getroffen werden. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass Drehrohrpyrolyse, Rostfeuerung (Vorschubrost), Wirbelschichtvergasung und –verbrennung hinsichtlich des Schwankungsbereiches der brennstofftechnischen Eigenschaften eine hohe Brennstoffflexibilität besitzen. Die Brennstoffflexibilität von Staubfeuerungen wird wesentlich durch die Korngröße der Einsatzstoffe limitiert, die in der Regel durch die technischen Spezifikationen, z. B. des Brenners, vorgegeben sind.

Z2: Basierend auf den Ergebnissen zu Z1 können nun in Abhängigkeit der gewählten Apparate und Prozesse prozessorientierte Vorschläge unterbreitet werden, wie die alternativen Biomassen in den bestehenden Verfahren optimal eingesetzt werden könnten.

Die Pyrolyse, unabhängig von der Aufheizrate (langsam oder mittelschnell), weist apparatetechnisch eine hohe Flexibilität bezüglich der Biomassen auf. Brennstofftechnisch/chemische Hindernisse waren nicht zu finden. Wichtig ist, dass das Material zerkleinert und das Eintragssystem auf die mechanischen Eigenschaften ausgelegt ist. Der Verfahrensparameter Temperatur stellte wesentlich die Produktausbeuten hinsichtlich Koks, Permanentgas und Kondensat ein. Mit den Fraktionen sind unterschiedliche Verwertungen in weiteren Prozessen denkbar.

Für die Rostfeuerung (Vorschubrost) gibt es beispielsweise die Option, Biomassen mit niedrigen Ascheerweichungspunkt wie z.B. Getreidereststoffe in einer Mischung mit dem Referenzbrennstoff Holz zu verbrennen, um damit Blockaden durch gesinterte Asche zu verringern. Die Alternative zum Vorschubrost ist ein Wechsel der Technologie, z.B. der Einsatz eines Vibrationsrostes, der auch eine Monoverbrennung von schwierigen Biomassen erlaubt.

Die Wirbelschichtvergasung und –verbrennung bieten verschiedene verfahrenstechnische Maßnahmen, um das thermochemische Verhalten zu optimieren. So können bei der thermochemischen Konversion zur Minimierung des Verschlackungsrisikos Additive wie z. B. Kalk eingesetzt werden. Darüber hinaus kann durch eine gezielte Luft- und/oder Brennstoffstufung bei der Verbrennung eine primärseitige Beeinflussung der NOx-Emissionen erfolgen.
Im Vorhaben konnten alle eingesetzten Biomassen durch Vergasung in einer zirkulierenden Wirbelschicht in 100 h-Dauerversuchen umgesetzt werden.

Um eine Steigerung der Brennstoffflexibilität von Staubfeuerungen zu erreichen, sind in Abhängigkeit von der technischen Ausführung des Brenners ggf. umfangreiche Modifizierungsmaßnahmen erforderlich. Beispiele hierfür sind bewegliche Drallerzeuger oder die nachträgliche Installation von Brennstoff- bzw. Luftlanzen (Brennstoff- und/oder Luftstufung), um prozessseitig das Verbrennungsverhalten zu beeinflussen. Der hohe elektrische Aufwand und die ebenfalls hohen Kosten für die Zerkleinerung, insbesondere von holzbasierten Brennstoffen, machen aber die kommerzielle Umsetzung fraglich. Beide Punkte können durch eine thermische Vorbehandlung der Biomassen wie Torrefizierung oder Pyrolyse reduziert werden.

Z3: Die verfahrenstechnischen Möglichkeiten sind für jede Biomasse in jedem Verfahren separat zu erörtern. Hier können keine pauschalen Aussagen getroffen werden. Dies wird besonders am Beispiel des Einsatzes von Biomassen mit unterschiedlichem Brennstoff-N- und –S-Gehalt in einer Zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung (ZWSF) deutlich. Die erwartete Zunahme der NOx- und SO2-Konzentrationen im Abgas aufgrund steigender Brennstoff-N- und –S-Gehalte konnte nicht beobachtet werden, was auf das Zusammenspiel von komplexen Vorgängen in der Wirbelschicht zurückzuführen ist.
Auch wenn für die Rostfeuerung ermittelt wurde, dass mit Zunahme der Elemente Chlor, Schwefel und Stickstoff im Brennstoff die Emissionen bei der Verbrennung durch HCl, SO2 und NOx steigen werden, ist dennoch die Verteilung insbesondere von Chlor und Schwefel in Gas- und Feststoffphasen, z.B. in Belägen, stark von Stöchiometrie und Temperaturverteilung in den ausgeführten Apparaten sowie der Prozessführung abhängig. Je nach Ziel des Prozesses kann z.B. durch eine vorgeschaltete Pyrolyse die Verteilung der Elemente auf die Gas- bzw. Feststoffphase in Abhängigkeit der Pyrolyseendtemperatur gesteuert werden, um den nachfolgenden Verbrennungsprozess für Gas bzw. den Koks von Schadstoffen zu entfrachten.
Dies wurde am Beispiel von Gärresten in der prozessorientierten Bewertung ausgeführt. Schwierigkeiten mit hohem Flugascheanteil und Belagsbildung/korrosion an Wärmetauscherflächen können vermieden werden, wenn mit der Wirbelschichtvergasung und folgendem Heißgasfilter gearbeitet wird. Bis 840 °C zeigten sich für alle Biomassen keine Sintererscheinungen bei der Filterasche.  Die Zerkleinerung von ausgewählten biogenen Materialien unter einen Partikeldurchmesser von 1 mm war kosten- und energieintensiv. Durch einen thermischen Aufschluss mittels Pyrolyse wurde ein feinkörniger Koks erhalten, dessen Grobteile mit weit geringerem Energieaufwand als die ursprüngliche Biomasse zu mahlen sind. Somit ist z.B. die Verfahrenskombination Pyrolyse-Staubfeuerung aus verfahrenstechnischer Sicht interessant.

Generell gilt, dass bei der Projektierung und Auslegung von Neuanlagen die brennstofftechnischen Eigenschaften im Zusammenspiel mit den dargestellten verfahrens- und apparatespezifischen Randbedingungen berücksichtigt werden müssen. Dabei ist die reine Kenntnis der mit Standardmethoden ermittelten brennstofftechnischen Eigenschaften nicht ausreichend. Vielmehr ist mit Hilfe von Labor- und Technikumsversuchen eine genaue Charakterisierung der dem jeweiligen Verfahren zu Grunde liegenden Teilprozesse notwendig. Dies beinhaltet z. B. die Freisetzungskinetik der flüchtigen Bestandteile in Abhängigkeit von der Aufheizrate, die Zusammensetzung der flüchtigen Bestandteile, das Zündverhalten des Steigerung der Wirtschaftlichkeit von Biomasseheizkraftwerken auf der Basis von Pyrolyse-, Vergasungs- und Verbrennungsverfahren durch Erhöhung der Brennstoffflexibilität und eine prozessorientierte Bewertung der Biomasse Brennstoffes, die Reaktivität des Feststoffabbrandes auf einem Rost usw. Im Rahmen des Projektes wurde dies für unterschiedliche Biomassen untersucht. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse und Daten können von Beginn an in den Engineering-Prozess zur Auslegung von Neuanlagen einfließen. So ist z. B. mit Hilfe der abgeleiteten reaktionskinetischen Daten eine biomassespezifische Adaption von existierenden Modellierungswerkzeugen möglich. Durch gezielte Simulations- und Optimierungsstudien kann so für die in Frage kommenden Brennstoffe unter Berücksichtigung verfahrenstechnischer Randbedingungen eine verbesserte Auslegung von Neuanlagen erfolgen.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema vom 07/11 bis 06/14 an dem CUTEC Institut GmbH (Leibnizstr. 21-23, 38678 Clausthal-Zellerfeld, Tel.: 05323/933-122) unter der Leitung von Dr. St. Vodegel (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. Martin Faulstich) und der TU Dresden, Institut für Energietechnik, Professur für Verbrennung, Wärme- und Stoffübertragung (01062 Dresden, Tel.: 0351/463-33143) unter der Leitung von Dipl.-Ing. D. Bernhardt (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. M. Beckmann) und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Technische Chemie (ITC), Bereich Thermische Abfallbehandlung (Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Tel.: 0721/608-23342) unter der Leitung von Dr. H.-J. Gehrmann (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. H. Seifert) und der Technischen Universität Clausthal, Institut für Energieverfahrenstechnik und Brennstofftechnik, Abteilung Prozessenergie und betriebliche Energiewirtschaft (Agricolastraße 4, 38678 Clausthal-Zellerfeld, Tel.: 05323/72-2297) unter der Leitung von Dipl.-Ing. Y. Poyraz (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. R. Weber)

 

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BMWi-Logo Das IGF-Vorhaben Nr. 17223 BG der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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