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Ergebnisse Teilprojekt IV:

Brennstoff-Flexibilisierung AER-Vergasung

Abschlussworkshop

Bonn

20./21.11.2013

Stefan Steiert

(Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung

Baden-Württemberg ZSW)

Bearbeiter:

S. Steiert, J. Brellochs, M. Specht (ZSW)

D. Schweitzer, N. Armbrust, N. Poboß, H. Dieter (IFK)

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1. Hintergrund und Stand der Technik

2. Zielsetzung und Arbeitsschwerpunkte

3. Ergebnisse

4. Zusammenfassung und Ausblick

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• Gärreste werden häufig als Dünger in Landwirtschaft eingesetzt

Überdüngung möglich

Erhöhter NO3--Eintrag in Grundwasser möglich

• Potentielle Alternative: Energetische Nutzung mittels Biomassevergasung

• Vollständige Nutzung der Biomasse

• Erhöhung Anteil erneuerbarer Energien

• Nutzung Asche als Dünger möglich

Geschlossener Nährstoffkreislauf

Hintergrund und Stand der Technik

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• Kommerzielle DFB-Biomassevergasung (z.B. Güssing (A), Ulm-Senden)

• Wirbelschicht-Bettmaterial Olivin erfordert Einsatz von Stammholz

• Erzeugung von Strom und Wärme

• Mineralstoffreiche, biogene Reststoffe wie Gärreste haben niedrige

Ascheschmelztemperaturen

• Problem Agglomeration in Wirbelschicht (WS) Prozessunterbrechung

• Problem „Verglasung“ Asche Nährstoffverlust

• AER-Biomassevergasung (Absorption Enhanced Reforming)

• Verwendung natürlicher Karbonate als Wirbelschicht-Bettmaterial

Erhöhung Ascheschmelztemperatur durch CaO-basiertes WS-Bettmaterial

Einsetzbarkeit mineralstoffreicher, biogener Reststoffe

Hintergrund und Stand der Technik

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AER-Verfahren in Zwei-Bett-Wirbelschicht

Dampf Luft

Biomasse

CO2-reiches

Rauchgas

H2-reiches

Brenngas

CaO

CaCO3, Koks

Wirbelschicht

Verbrennung

(CO2-Freisetzung)

Wirbelschicht

AER-Vergasung

(CO2-Abtrennung)

600 - 750°C 750 - 850°C

CO2 Transport

Energie

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AER - Absorption Enhanced Reforming

HR >> 0

Dampfreformierung von Abbauprodukten der Biomasse

CHxOy + (1-y) H2O CO + (0.5x + 1 –y) H2

Simultane HT-CO2-Absorption

CO2 + CaO CaCO3 HR << 0

Wassergas-Shift-Reaktion

HR < 0 CO + H2O CO2 + H2

Gesamtreaktion (600 – 800 °C, 1 bar)

HR 0 CHxOy + (2 - y) H2O + CaO CaCO3 + (0.5 x + 2 - y) H2

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Merkmale AER-Biomassevergasung

• Großes Potenzial an nutzbarer Biomasse

• Holz- und halmgutartige Biomassesorten (mit variabler Feuchte)

z.B. Reststoffe aus Landschaftspflege, Stroh

• Keine Konkurrenz zum Anbau von Nahrungsmitteln

• Vielseitige Optionen der Produktgasnutzung

• Effiziente Strom- und Wärmeerzeugung (Gasmotor mit ORC)

• Erzeugung speicherbarer chemischer Sekundärenergieträger (z.B. SNG)

• Hohe Kaltgaseffizienz aufgrund AER-spezifischer Prozessbedingungen

• Rückführung Austrag (Asche-Kalk-Gemisch) in natürlichen Stoffkreislauf

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• Nachweis Einsetzbarkeit Gärreste in AER-Biomassevergasung

Vielversprechender Ansatz für Bioraffinerie-Konzept

Brennstoff-Flexibilisierung AER-Vergasung

• Ascheerweichungsverhalten: Innovatives Versuchsprinzip Rheometer (ZSW)

Untersuchung Asche von Gärresten in Kombination mit WS-Bettmaterialien

Ziel: Ermittlung kritische Temperatur der Ascheerweichung

• AER-Vergasungsverhalten in stationärer Labor-Wirbelschicht (IFK)

Grundlagenuntersuchungen Teerbildung

Untersuchung Einsetzbarkeit Gärreste

Zielsetzung und Arbeitsschwerpunkte TP IV

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• Unterer Lindenhof (UL) Forschungsbiogasanlage Uni Hohenheim

• Kupferzell (KU) Kommerzielle Reststoffvergärung

• Druckfermentation Uni Hohenheim (UH) Projekt b2g

Gärreste sind im Vergleich zu Holz sehr viel ligninreicher

Eingesetzte Gärreste

Unterer Lindenhof (UL) Kupferzell (KU) Uni Hohenheim (UH)

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• Gärreste nach DIN CEN/TS 14775 bei 550 °C im Muffelofen verascht

• Untersuchte Wirbelschicht-Bettmaterialien

• Quarzsand Inertes Bettmaterial, Referenzfall

• Olivin Bettmaterial DFB-Anlagen (z.B. Güssing)

• Ankerit Potentielles Additiv für Erhöhung Ascheerweichung

• Kalk CaO-basiertes Bettmaterial im AER-Prozess

Ascheerweichungsverhalten

Asche und WS-Bettmaterialien

Quarzsand Olivin Ankerit Kalk

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• Probe: 22,5 g Bettmaterial + 3 g Asche (≈12 Ma-.%)

• Aufheizung Probe bis max. 1200 °C (200 K/h) in N2

• Kontinuierliche Messung Drehmoment durch Rotationsviskosimeter

Ascheerweichungsverhalten

Versuchsaufbau und -methode

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Ascheerweichungsverhalten

Exempl. Versuchsverlauf Strohasche und Quarzsand

• Bei Erreichen der Ascheerweichungstemperatur bilden sich Agglomerate

Drehmoment steigt sprunghaft an

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Rheometer - Gärrestasche und Quarzsand

• Ascheerweichungstemperaturen unterschiedlich: KU < UH < UL

• Ascheerweichungstemperatur KU und UH mit Quarzsand in kritischem

T-Bereich (<950°C) für Einsatz in Wirbelschichtverbrennung

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Rheometer - Gärrestasche und Quarzsand

1 cm

Verbrennung Gärreste KU

mit Quarzsand T=850°C

• Vergleich mit Verbrennung von Gärresten KU am IFK bei 850°C

Ergebnisse Rheometer sind übertragbar

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Rheometer - Gärrestasche und Olivin

• Ascheerweichungstemperaturen Gärreste mit Olivin in kritischem

T-Bereich (<1000°C) für Einsatz in Güssing-Prozess

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Rheometer - Gärrestasche und Kalk

• Ascheerweichungstemperaturen mit Kalk höher als mit Olivin oder Quarzsand

Mit Kalk kein Agglomeration zu erwarten bis T≤1100°C

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AER-Vergasung

Stationäre Labor-Wirbelschicht

• 7 kWth elektrisch beheizte Batch-Versuchsanlage

• Zwei in Reihe geschaltete stationäre Wirbelschichtreaktoren

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3

1

2

56

8

Biomasse

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H2O

Kontinuierliche

Gasanalyse

1 Dosiereinheit

2 Dampferzeuger

3 Vergaser

4 Zyklon

5 Freeboard

6 Karbonator

7 Zyklon

8 Kerzenfilter

Reaktor 1 Reaktor 2

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Grundlagenuntersuchungen Teerbildung Holzpellets

• Ansatz: Räumliche Trennung der Teerentstehung und der Teerreformierung

Vergaser

600 - 750 °C

Sand-Bett Biomasse

Wasserdampf

Konti. Gasanalyse,

nasschemische

Teermessung

Karbonator

600 - 750 °C

CaO-Bett

Konti. Gasanalyse,

nasschemische

Teermessung

• 1. Reaktor: Wasserdampfvergasung im Sand-Bett

• 2. Reaktor: CO2-Absorption und Teerreformierung im CaO-Bett

• Nasschemische Teermessung nach CEN-Standard, gravimetrische und

GC-MS Analyse

• Vergleich mit AER-Vergasung

Vergaser + Karbonator

600 - 750 °C

CaO-Bett Biomasse

Wasserdampf Konti. Gasanalyse,

nasschemische

Teermessung

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Grundlagenuntersuchungen Teerbildung Holzpellets

• Teergehalte sind nach CaO-WS deutlich reduziert CaO katalytisch aktiv

• Teergehalte nach Karbonator (R2) höher als bei der AER-Vergasung

Bei Anwesenheit von CaO entsteht bereits bei der Vergasung weniger Teer

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Gasausbeute AER-Vergasung Gärreste

• Gärreste UL: Austrag aus Wirbelschicht und dadurch nur Teilumsatz

• Gärreste KU: Gasausbeute vergleichbar mit Holz

Einsatz von Gärresten in Wirbelschichten besser kompaktiert/pelletiert

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Produktgas AER-Vergasung Gärreste

• Produktgaszusammensetzung pelletierter Gärreste vergleichbar mit Holz

• Hoher Ligninanteil der Gärreste führt zu erhöhten Gehalten an CH4 und CxHy

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• Ascheerweichungstemperatur abhängig von WS-Bettmaterial und Asche

• Gärreste mit Olivin (<1000°C) und Quarzsand (<950°C) im kritischen

Temperaturbereich für Güssing-Prozess bzw. WS-Verbrennung

• Gärreste mit Kalk sehr viel höhere Erweichungstemperatur (T≥1100°C)

Kalk erhöht Ascheerweichungstemperatur

• Vergleich Ergebnis Rheometer mit realen WS-Experimenten am IFK zeigt

• Agglomeration bei Verbrennung Gärreste KU mit Quarzsand bei 850°C

• Stabiler Betrieb bei AER-Vergasungsexperimenten mit Kalk

Ergebnisse Rheometer sind übertragbar

Rheometer: Schnelltest zum Agglomerationsverhalten

Kalk ermöglicht Einsatz aschereicher Gärreste in AER-Prozess (Tmax=900°C)

Zusammenfassung Rheometer

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Grundlagenuntersuchung Teerbildung

• Durch Anwesenheit des CaO-basierten WS-Bettmaterials entstehen bereits

weniger Teere als mit Quarzsand oder nachgeschalteter CaO-WS

AER-Vergasung: in-situ Teerminimierung durch CaO

Einsetzbarkeit Gärreste in AER-Vergasung

• Erstmalig Einsetzbarkeit von Gärresten bei AER-Vergasung in

Batchversuchen gezeigt

• Gasausbeute und Umsatz von Gärresten werden durch Kompaktierung

bzw. Pelletierung verbessert

• Gasausbeute und -zusammensetzung pelletierter Gärreste vergleichbar mit

Holz

• Erhöhter Ligninanteil in Gärresten führt zu mehr Teeren und KWs

Zusammenfassung AER-Vergasung

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Rheometer

• Untersuchung Einfluss einzelner Aschebestandteile auf Erweichung in

Kombination mit jeweiligem WS-Bettmaterial

Weitere Untersuchungen Vergasung Gärreste notwendig

• Einsatz in AER-Zweibettwirbelschichtvergasung mit kontinuierlicher

Sorbensregeneration

• Einfluss Brennstoffaufbereitung

• Untersuchung Produktgasreinigung für jeweilige Anwendung

Ausblick

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