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Beschreibung der Biomasse-Kraft-Wärme-Kopplung auf Basis der Biomassevergasung

BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz

Die thermo-chemische Biomassevergasung ist ein Prozess der es zum Ziel hat, einen biogenen Festbrennstoff unter Wärmeeinwirkung möglichst vollständig in ein brennbares Gas umzuwandeln. Die Biomasse wird dabei mit einem Vergasungsmittel (Luft, Sauerstoff, Wasserdampf oder Kohlendioxid), das gebundenen oder freien Sauerstoff in den Prozess einbringt, zur Reaktion gebracht. Durch thermische Aufspaltung und partielle Oxidation entsteht ein Produktgas, das, je nach Ausgangsmaterial, Reaktionsbedingungen und Vergasungsmittel, hauptsächlich aus unterschiedlichen Konzentrationen von Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Wasserdampf (H2O), Methan (CH4) sowie - im Falle der Vergasung mit Luft - Stickstoff (N2) besteht. Zusätzlich zum Produktgas fallen Holzkohle bzw. Asche mit unterschiedlichen Restkohlenstoffgehalten und kondensierbare niedermolekulare Kohlenwasserstoffe, die zusammenfassend meist als Teere bezeichnet werden, als Produkte unvollständiger Vergasung an.

Der Vergasungsprozess besteht aus 4 Phasen:

  • Trocknung
  • Pyrolytische Zersetzung (Pyrolyse)
  • Oxidation
  • Reduktion

Typische Produktgaszusammensetzung

Vergasungstechnologien

Abbildung 1 gibt einen Überblick über die verschiedenen Vergasungstechnologien

Abbildung 1: Überblick über verschiedene Vergasungstechnologien

Festbettvergaser sind dadurch charakterisiert, dass die Brennstoffpartikel durch die Gasströmung nicht bewegt werden. Der Brennstoff liegt also in einer Schüttung im Vergaser vor. Meist wird die Biomasse von oben eingebracht und die verbleibende Holzkohle bzw. Asche unten aus dem Reaktor abgezogen. In der Schüttung bilden sich meist räumlich deutlich unterscheidbare Trocknungs-, Pyrolyse-, Oxidations- und Reduktionszonen aus, die der Brennstoffpartikel – in der Regel von oben nach unten – durchläuft, wodurch sich relativ lange Feststoffverweilzeiten (in der Größenordnung einer Stunde) im Vergaser ergeben. Es gibt auch Sonderbauformen in denen der Brennstoff durch eine Unterschubeinrichtung von unten zugeführt wird. Je nachdem in welche Richtung der Gasstrom relativ zum Brennstoff geführt wird, kann man in Gleich-, Gegen- und Kreuzstromvergaser unterscheiden. In Abbildung 2 sind diese drei grundlegenden Bauarten von Festbettvergasern mit den sich bildenden charakteristischen Reaktionszonen schematisch dargestellt.

Abbildung 2: Schematische Darstellung verschiedener Bauarten von Festbettvergasern mit deren charakteristischen Reaktionszonen

Erläuterungen: links: Gleichstromvergaser; in der Mitte: Gegenstromvergaser; rechts: Quer- oder Kreuzstromvergaser

Quelle: OLOFSSON I., NORDIN A., SÖNDERLIMD U., 2005: Initial Review and Evaluation of Process Technologies and Systems Suitable for Cost-Efficient Medium-Scale Gasification for Biomass to Liquid Fuels, ISSN 1653-0551 ETPC Report 05-02, Energy Technology & Thermal Process Chemistry, University of Umeå, Schweden

In Wirbelschichtvergasern wird mit gegenüber Festbettvergasern wesentlich höheren Gasgeschwindigkeiten gearbeitet. Die Brennstoffpartikel werden in einem vom Vergasungsmittel und ggf. von einem Trägergas (z.B. rezirkuliertem Produktgas) aufgewirbelten Bett aus feinem Sand (meist Quarzsand) vergast. Der Anteil des Brennstoffes im Wirbelbett beträgt dabei in der Regel nur ca. 5-10 Gew.-%. Da sich die Wirbelschicht (z.B. hinsichtlich des Fließverhaltens) ähnlich wie eine Flüssigkeit verhält, spricht man von einem fluidisierten Zustand. Es kommt zu einer intensiven Mischung und Wärmeübertragung zwischen Bettmaterial und eingebrachter Biomasse. Dadurch bilden sich im Bett kaum unterscheidbare Reaktionszonen aus. Trocknung, Pyrolyse, Oxidation und Reduktion laufen vielmehr gleichzeitig und räumlich verteilt ab. Die Temperatur ist in der Wirbelschicht ebenfalls relativ gleichmäßig verteilt, kann über das Luft-zu-Biomasse-Verhältnis gut geregelt werden und liegt typischerweise im Bereich zwischen 700 und 900 °C. Dadurch, dass praktisch die gesamte Oberfläche der im Reaktor anwesenden Biomasse zu jeder Zeit intensiv am Vergasungsprozess teilnimmt, können gegenüber den Festbettvergasern wesentlich kürzere Verweilzeiten der Brennstoffpartikel im Bereich von einigen Sekunden bis Minuten erzielt werden. Daraus folgen deutlich höhere mögliche Durchsatzraten bei gegebenem Bauvolumen.

Abbildung 3: Übersicht Gasreinigungsverfahren

Gasreinigung

  • Zyklon
  • Teercracker
  • Gaskühler
  • Keramikfilter
  • Gewebefilter
  • Gaswäscher
  • E-Filter
  • Kompressor
  • Shift-Reaktor

Das über die Biomassevergasung erzeugte Produktgas enthält in der Regel eine Reihe von Verunreinigungen, die vor der weiteren Nutzung entfernt werden müssen, um Erosion, Korrosion und Ablagerungen in nachgeschalteten Anlagenteilen zu vermeiden. Darunter fallen z.B. kondensierbare Kohlenwasserstoffe (Teere), Partikel (Staub, Ruß, Asche und Bettmaterial), Alkalimetallverbindungen (hauptsächlich Kalium- und Natriumverbindungen), Stickstoffverbindungen (z.B. NH3, HCN), Schwefelverbindungen (z.B. H2S, COS), Halogenverbindungen (z.B. HCl) und Schwermetallverbindungen (z.B. Cd, Zn und Hg; insbesondere beim Einsatz von Altholz).
Der Gehalt dieser unerwünschten Komponenten im Produktgas ist sehr stark vom eingesetzten Vergasungsverfahren, von den Prozessparametern und von der Art und Zusammensetzung des Brennstoffes abhängig. Die Anforderung an die Reinheit des Produktgases ist von der nachgeschalteten Gasnutzung abhängig. Bei der Reinigung entstehen oft Reststoffe (z.B. Filteraschen, mit Teer belastete Abwässer etc.) die entsprechend entsorgt werden müssen.

Abbildung 3: Übersicht Gasnutzungsmöglichkeiten

Gasnutzung

  • Brenner
    • Kessel
    • Öfen
    • Co-Firing
  • Gasmotor
  • Gasturbine
  • Brennstoffzelle
  • Kombiprozess
  • Synthesereaktoren
  • Netzeinspeisung

Das Produktgas aus der Vergasung kann in einer Reihe von verschiedenen Gasnutzungstechnologien in Prozess- bzw. Raumwärme, elektrische Energie und chemisch gebundene Energie (synthetische Energieträger) umgewandelt werden.
Die einfachste Möglichkeit stellt die Verbrennung des Produktgases zur reinen Wärmeerzeugung dar. Um das Produktgas in höherwertige Energie in Form von Elektrizität umzuwandeln, kann es in Stromerzeugungsaggregaten mit externer Verbrennung (z.B. Dampfkraftprozesse, Heißluftturbinen und Stirlingmotoren) oder interner Verbrennung (z.B. Gasturbinen und Gasmotoren) genutzt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das produzierte Gas in fossil befeuerten Kraftwerken mitzuverbrennen (Co-Firing).
Zur Erhöhung der Flexibilität und Erweiterung des Einsatzgebietes kann das Produkt- bzw. Synthesegas auch in katalytischen Reaktoren in standardisierte, flüssige oder gasförmige Energieträger wie Fischer-Tropsch-(FT)-Diesel bzw. synthetisches Erdgas (SNG) umgewandelt werden. Prinzipiell können aus den chemischen Grundstoffen CO und H2 auch andere Chemikalien synthetisiert werden.

Integration des ORC-Prozesses in eine Biomasse-Vergasungsanlage

Eine innovative Möglichkeit um den elektrischen Wirkungsgrad von Vergasungsanlagen zu erhöhen, stellt die Integration von ORC-Anlagen zur Nachverstromung von Abwärme aus Biomasse-Vergasungsanlagen dar.
Abbildung 3 zeigt die Möglichkeit den ORC-Prozess in einen Wirbelschichtdampfvergasungsprozess einzubinden. Dies erscheint aus energetischen wie auch wirtschaftlichen Gründen für Anlagengrößen ab 2,5 MWel sinnvoll. Durch diese innovative Kopplung von KWK-Technologien kann eine Steigerung des elektrischen Anlagenwirkungsgrades von rund 20% erwartet werden.

Abbildung 3: Schematische Darstellung der Einbindung des ORC-Prozesses in einen Wirbelschichtdampfvergasungsprozess
Quelle: REPOTEC Umwelttechnik GmbH, Wien und BIOS BIOENERGIESYSTEME GmbH, Graz

Realisierte bzw. in Realisierung befindliche Projekte

  • Kraft-Wärme-Kopplungsanlage auf Biomassebasis mittels Einbindung eines ORC-Prozesses in einen Wirbelschicht-Dampfvergasungsprozess – Oberwart (Burgenland, Österreich);
    Vorplanung und Genehmigungsplanung des Thermoölsystems und der nachgeschalteten ORC-Anlage
  • Biomasse-Methanierungsanlage (Methan aus Biomasse - Bio-SNG) ausgehend von einem Wirbelschicht-Dampfvergasungsprozess Güssing (Burgenland, Österreich);
    Ausführungsplanung Thermoölsystem
  • Technische, ökologische und wirtschaftliche Bewertung neuer Biomasse-Festbett-Vergasungstechnologien
  • Vergasung und Pyrolyse von festen biogenen Brennstoffen zur Strom- und Wärmeerzeugung – Stand der Entwicklung und techno-ökonomische Bewertung (interne Studie)

Literatur:
DOWNLOADS – Biomassevergasung