Thermochemische Verfahren zur Erzeugung von Biokohle - ANS eV
Thermochemische Verfahren zur Erzeugung von Biokohle - ANS eV
Thermochemische Verfahren zur Erzeugung von Biokohle - ANS eV
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Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
<strong>Thermochemische</strong> <strong>Verfahren</strong> <strong>zur</strong><br />
<strong>Erzeugung</strong> <strong>von</strong> <strong>Biokohle</strong><br />
73. Symposium des <strong>ANS</strong> e.V.: <strong>Biokohle</strong> im Blick – Herstellung, Einsatz und Bewertung<br />
19. & 20. September 2012 in Berlin<br />
Peter Quicker<br />
Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe<br />
RWTH Aachen<br />
www.teer.rwth-aachen.de<br />
1
Einführung<br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Herstellung <strong>von</strong> <strong>Biokohle</strong><br />
im Internet<br />
2
Einführung<br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Es geht noch einfacher…<br />
Herstellungsrouten<br />
<strong>Biokohle</strong><br />
THERMOCHEMISCH HYDROTHERMAL<br />
3
Einführung<br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Herstellungsrouten<br />
<strong>Biokohle</strong><br />
THERMOCHEMISCH HYDROTHERMAL<br />
4<br />
Quelle: Ramke 2011
Einführung<br />
Produkte<br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Herstellungsrouten<br />
<strong>Biokohle</strong><br />
THERMOCHEMISCH HYDROTHERMAL<br />
5<br />
Quelle: Ramke 2011
Einführung<br />
Produkte<br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Herstellungsrouten<br />
THERMOCHEMISCH HYDROTHERMAL<br />
6<br />
Quelle: Wallmann 2011
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Klassifizierung<br />
<strong>Thermochemische</strong>r Prozesse
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Übersicht klassische thermochemische Prozesse<br />
Trocknung Strahlung aus dem Feuerraum<br />
Konvektion über Luft, Rauchgas<br />
Entgasung<br />
(Pyrolyse)<br />
Flüchtige Bestandteile werden<br />
ausgetrieben (Wasser, Schwelgase,<br />
Kohlenwasserstoffe)<br />
Keine oxidierenden Mittel<br />
Abhängig <strong>von</strong> Wärmezufuhr & VWZ<br />
Vergasung Umsetzung <strong>von</strong> fixem Kohlenstoff<br />
zu gasförmigen Produkten & Gas-Gas-Reaktionen<br />
Wärme, Wasserdampf, Sauerstoff wirken<br />
reaktionsfördernd<br />
Verbrennung Vollständige Oxidation der vorher<br />
entstandenen Gase und des Rest-C<br />
Wesentliche Verbrennungsprodukte:<br />
Kohlendioxid und Wasser<br />
8
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Übersicht klassische thermochemische Prozesse<br />
Trocknung Entgasung Vergasung Verbrennung<br />
H 2O<br />
C xH yO z,<br />
(N, S), Asche<br />
Wärme<br />
= 0<br />
100°C<br />
CO, CH 4, C xH y<br />
CO 2 ,H 2O<br />
Pyrolyseöle<br />
N-, S-haltige Verb.<br />
C mH nO k,<br />
(N, S), Asche<br />
Wärme<br />
= 0<br />
> 250°C<br />
CO, H 2,<br />
CO 2 ,H 2O<br />
CH 4, C xH y,<br />
Teere, NH y, NO x<br />
H 2S, COS<br />
C<br />
(N, S), Asche<br />
Luft, O 2, Dampf<br />
= 0,2 – 0,5<br />
> 600 °C<br />
Wärme<br />
CO 2, H 2O<br />
CO, C xH y,<br />
NO x, SO x<br />
Asche<br />
(N, S)<br />
Luft, O 2<br />
> 1<br />
> 700 °C<br />
9
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Übersicht hydrothermale Prozesse<br />
Medium<br />
TDH HTC VTC HTVf HTVg<br />
H 2O<br />
flüssig<br />
H 2O<br />
flüssig<br />
H 2O<br />
Dampf<br />
H 2O<br />
flüssig<br />
H 2O<br />
überkritisch<br />
T [°C] 180-200 180-250 180-250 250-350 600-700<br />
p [bar] 20-50 10-40 16-42 50-200 250-300<br />
VWZ 20-30 min 2-16 h n.b. 10-15 min 1-5 min<br />
Produkte<br />
Suspension<br />
bioabbaubar<br />
<strong>Biokohle</strong> in<br />
Suspension<br />
<strong>Biokohle</strong><br />
ölige<br />
Flüssigkeit<br />
H 2, CO 2, CH 4<br />
10
0<br />
100<br />
200<br />
300<br />
400<br />
500<br />
600<br />
700<br />
800<br />
900<br />
1000<br />
1100<br />
1200<br />
…<br />
Fermentation<br />
TDH 150-200<br />
HTC 180-250<br />
VTC 180-250<br />
WT 200-300<br />
HTVf 250-350<br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
<strong>Thermochemische</strong> Prozesse: Erweiterte Einteilung<br />
T [°C]<br />
H 2O flüssig<br />
(überkritisch)<br />
HTVg 600-700<br />
Hydrothermale<br />
Prozesse<br />
H2O-Zugabe Wärme<br />
O2-Zugabe H 2O Dampf<br />
Allotherme<br />
Vergasung<br />
Trocknung<br />
Torrefizierung 1)<br />
NTK 380-450<br />
NTP 800<br />
Entgasung //<br />
Pyrolyse<br />
0,2… …0,5<br />
Partielle<br />
Oxidation //<br />
Autotherme<br />
Vergasung<br />
Klassische <strong>Thermochemische</strong> Prozesse<br />
Allothermie Autothermie<br />
1… …2,5<br />
Totale<br />
Oxidation //<br />
Verbrennung<br />
LEGENDE<br />
Pyrolyse:<br />
NTP Niedertemperatur-<br />
MTP Mitteltemperatur<br />
HTP Hochtemperatur-<br />
Pyrolyse<br />
NTK Niedertemperatur-<br />
konvertierung<br />
Hydrothermale<br />
<strong>Verfahren</strong>:<br />
TDH Thermo-Druck-<br />
Hydrolyse<br />
HTC Hydrothermale<br />
Carbonisierung<br />
VTC Vapothermale<br />
Carbonisierung<br />
WT Wet Torrefaction<br />
HTVf Hydrothermale<br />
Verflüssigung<br />
HTVg Hydrothermale<br />
Vergasung<br />
(überkritisch)<br />
1) auchTorrefikation<br />
11
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
<strong>Thermochemische</strong><br />
Prozesse<br />
Pyrolyse
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Pyrolyse – Übersicht<br />
Wärmehaushalt<br />
Insgesamt endothermer Prozess (mit exothermen Phasen)<br />
Beheizung über Wand oder Wärmeträger (Sand, Rauchgase etc.)<br />
Prozesseinteilung<br />
Nach Geschwindigkeit/Gasverweilzeit<br />
Langsame Pyrolyse: Gas-VWZ > 5 s<br />
Konventionelle Pyrolyse: 2 – 5 s<br />
Schnelle (Flash-)Pyrolyse: < 1 s, Aufheizgeschwindigkeit > 1000 K/s<br />
Nach Temperatur<br />
Niedertemperaturpyrolyse: < 500°C<br />
Mitteltemperaturpyrolyse: 500 – 800°C<br />
Hochtemperaturpyrolyse: > 800°C<br />
Produkte<br />
Pyrolysekoks<br />
Pyrolysegas, inkl. nicht kondensierbarer Gase<br />
Pyrolyseöl inkl. wässrige Phase<br />
13
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Pyrolyse – Reaktionspfade<br />
Niedrige Temperaturen<br />
Reaktion 1 dominiert: konventionelle Pyrolyse, Hauptprodukt Holzkohle<br />
Mittlere Temperaturen<br />
Hohe Temperaturen<br />
Reaktion 2 dominiert : Bildung vorwiegend flüssiger Produkte (Flash-Pyrolyse)<br />
Gasbildung (Reaktion 4) durch sekundäre Crack-Reaktionen möglich<br />
Reaktion 3 führt vorwiegend <strong>zur</strong> Bildung <strong>von</strong> Gasen<br />
14<br />
Quelle: Gerdes, Dissertation 2001
Rinde<br />
100%<br />
51,4 % C<br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Pyrolyse im Drehrohr<br />
Ofenwandtemperatur: 700 °C<br />
Eintrag ca. 0,8 kg/h<br />
Koksausbeute: 22 – 36 %<br />
Pyrolysegas<br />
Biokoks<br />
ca. 34%<br />
81-86 % C<br />
15
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Edukt und Carbonisat: Rinde<br />
16
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Pyrolyse – Prozesse & Produkte<br />
PRODUKTE<br />
ENTGASUNG<br />
H 2O<br />
H 2O, CO 2, CO, CH 3COOH,<br />
HCOOH (geringe Mengen)<br />
H 2O, CO 2, CO,<br />
CH 3COOH, CH 3OH,<br />
CH 3COCH 3 (Aceton),<br />
CH 2O (Formaldehyd),<br />
dann CH 4, CH 2= CH 2, H 2<br />
CO, H 2<br />
EXOTHERM ENDOTHERM<br />
ENDOTHERM<br />
H<br />
T [°C] CELLULOSE LIGNIN HEMI VORGÄNGE<br />
CELLULOSE<br />
100<br />
150<br />
200<br />
250<br />
300<br />
350<br />
400<br />
450<br />
500<br />
550<br />
600<br />
Trocknung<br />
Depolymerisation &<br />
Rekondensation<br />
Beginn<br />
Entgasung<br />
&<br />
Carbonisierung<br />
Hauptreaktion<br />
Entgasung<br />
&<br />
Karbonisierung<br />
Abschluss<br />
Hauptentgasung<br />
Nachentgasung,<br />
Gasspaltung<br />
am Koks<br />
Erweichung<br />
Depolymerisation &<br />
Rekondensation<br />
Beginn<br />
Entgasung<br />
&<br />
Carbonisierung<br />
Hauptreaktion<br />
Entgasung<br />
&<br />
Karbonisierung<br />
Abschluss<br />
Hauptentgasung<br />
Nachentgasung,<br />
Gasspaltung<br />
am Koks<br />
Trocknung<br />
Depolymerisation &<br />
Rekondensation<br />
Beginn<br />
Entgasung<br />
&<br />
Carbonisierung<br />
Hauptreaktion<br />
Entgasung<br />
&<br />
Karbonisierung<br />
Abschluss<br />
Hauptentgasung<br />
Nachentgasung,<br />
Gasspaltung<br />
am Koks<br />
Trocknung; Erweichung <strong>von</strong> Lignin<br />
Depolymerisation & Rekondensation der<br />
Bruchstücke im Feststoff<br />
Beginn der Entgasung & Carbonisierung<br />
Bis 300°C erhalt der fibrillaren Biomassestruktur<br />
Hauptentgasung: Schnelle Reaktion<br />
Hauptphase Teerbildung durch Ligninspaltung<br />
880 – 1.600 kJ/kg Holz (wf) Wärmefreisetzung<br />
Evtl. autotherme Temperaturerhöhung bis 400 °C<br />
Oberhalb 400°C Bildung kristalliner Strukturen<br />
Ende Hauptentgasung<br />
Nachentgasung<br />
Gasspaltung am gebildeten Koks<br />
17<br />
Quelle: Bergman et al. 2005
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Zersetzung Buchenholz (TG/MS 20°C/min)<br />
Pyrolyse – Temperaturabhängigkeit<br />
H 2O<br />
CH 3O +<br />
Maximum Zersetzung Hemicellulose<br />
CO<br />
Maximum Zersetzung Cellulose<br />
CO2 18<br />
Quelle: Gerdes, Dissertation 2001
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Pyrolyse – Temperaturabhängigkeit<br />
bis ca. 300 °C Erhalt der fibrillaren Struktur ab ca. 400 °C Ausbildung kristalline<br />
Graphitstruktur<br />
Verhalten<br />
bei Halmgütern<br />
vergleichbar<br />
19<br />
Quelle: Kaltschmitt et al. 2009
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Pyrolyse – Ausbeute und Zusammensetzung (Holz)<br />
20
Gew.-%<br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Pyrolyse im Drehrohr: Ausbeuten<br />
Asche<br />
Koks<br />
[%]<br />
9<br />
7,7<br />
1,3<br />
2,1<br />
21,4<br />
21
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
<strong>Thermochemische</strong><br />
Prozesse<br />
Vergasung
Vergasung<br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Vergasung: Einführung<br />
Imbert<br />
Gas<br />
Luft<br />
Gaserzeuger<br />
Biomasse + O 2 / H 2O<br />
<br />
CO + H 2 + CH 4 + C xH y + CO 2<br />
Teere +<br />
Asche + Koks<br />
23<br />
Quelle: Generatorjahrbuch 1942
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Vergasung – Ablauf<br />
+ Wärme<br />
+ O 2, Luft, H 2O oder CO 2<br />
24<br />
Quelle: Reimert, Schaub 2001
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Vergasung – Hauptreaktionen<br />
Homogene Reaktionen: Gas – Gas H R [kJ/mol]<br />
Homogene<br />
Wassergas-Reaktion: CO + H 2O CO 2 + H 2 - 41<br />
Methanbildung: CO + 3 H 2 CH 4 + H 2O - 206<br />
CO-Oxidation: CO + ½ O 2 CO 2 - 283<br />
H 2-Oxidation: H 2 + ½ O 2 H 2O - 286<br />
Heterogene Reaktionen: Feststoff – Gas<br />
Vollständige Verbrennung: C + O 2 CO 2 - 393<br />
Unvollständige Verbrennung: C + ½ O 2 CO - 110<br />
Heterogene<br />
Wassergas-Reaktion: C + H 2O CO + H 2 + 132<br />
Boudouard-Reaktion: C + CO 2 2 CO + 173<br />
Hydrierende Vergasung: C + 2 H 2 CH 4 - 75<br />
25
<strong>Biokohle</strong><br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Eigenschaften
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Herstellung <strong>Biokohle</strong>: Ausbeuten<br />
27<br />
Quelle: verschiedene
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Zusammensetzung <strong>Biokohle</strong>: Kohlenstoff<br />
C<br />
28<br />
Quelle: verschiedene
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Zusammensetzung <strong>Biokohle</strong>: Sauerstoff<br />
O<br />
29<br />
Quelle: verschiedene
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Zusammensetzung <strong>Biokohle</strong>: Wasserstoff<br />
H<br />
30<br />
Quelle: verschiedene
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Zusammensetzung <strong>Biokohle</strong>: Stickstoffgehalt<br />
N<br />
31<br />
Quelle: verschiedene
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Zusammensetzung <strong>Biokohle</strong>: Asche<br />
A<br />
32<br />
Quelle: verschiedene
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Zusammensetzung <strong>Biokohle</strong>: Heizwert<br />
H u<br />
33<br />
Quelle: verschiedene
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Zusammensetzung <strong>Biokohle</strong>: Flüchtige<br />
Fl<br />
34<br />
Quelle: verschiedene
Fazit<br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe
Fazit<br />
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Herstellungsrouten für <strong>Biokohle</strong>:<br />
■ Klassische thermochemische <strong>Verfahren</strong>: Pyrolyse, (Vergasung)<br />
■ Hydrothermale <strong>Verfahren</strong>: HTC, VTC<br />
<strong>Biokohle</strong> zeigt stark unterschiedliche Eigenschaften,<br />
je nach <strong>Erzeugung</strong>sverfahren<br />
Durch Einsatzstoff & <strong>Erzeugung</strong>sverfahren ist „maßgeschneiderte<br />
Kohle“ erzeugbar, z.B. für<br />
■ Metallurgie: hohe C fix-Gehalte, niedrige Anteile flüchtige Bestandteile, …<br />
■ Energieerzeugung: geringe Energieverluste, Mahlbarkeit, …<br />
■ Bodenverbesserung: langsame C-Freisetzung, Wasserspeicherung, …<br />
■ …<br />
36
Technologie<br />
der Energierohstoffe<br />
Danke für Ihr Interesse!<br />
Peter Quicker<br />
Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Energierohstoffe<br />
RWTH Aachen<br />
www.teer.rwth-aachen.de<br />
37
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