Abstract:
Zur Verringerung des Ausstoßes klimaschädlicher Gase (CO2, CH4, etc.) muss die Nutzung fossiler Rohstoffe reduziert werden. Zur Deckung des steigenden Energiebedarfs müssen daher regenerative Quellen erschlossen und genutzt werden, wie zum Beispiel Wind- und Wasserkraft, Sonnenenergie oder Biomassen. Zur Substitution fester fossiler Energieträger sind insbesondere Biomassen wie zum Beispiel Holz aus der Forstwirtschaft gut geeignet. Viele weitere Biomassen können jedoch nicht direkt verwendet werden, weswegen sie in einem vorgelagerten Prozessschritt nutzbar gemacht werden müssen. ... mehrBesonders nachhaltig ist die die Verwertung von vorhandenen organischen Abfallströmen, welche aber häufig sehr heterogen und wasserreich sind, was eine Aufarbeitung aufwendig macht.
Für die Karbonisierung von Biomassen sind verschiedene Verfahren bekannt, darunter die Niedertemperaturpyrolyse und die Hydrothermale Karbonisierung (HTC). Die Niedertemperaturpyrolyse erfolgt über einen breiten Temperaturbereich von 150 bis 500 °C, abhängig von den gewünschten Produkteigenschaften. Die meist trockene Biomasse wird für einen Zeitraum von mindestens 1 Stunde in einer inerten Atmosphäre behandelt, wobei flüchtige Bestandteile entfernt werden, was zu einem festen Kohlenstoffprodukt führt. Bei der Hydrothermalen Karbonisierung findet die Umsetzung in flüssigem Wasser in geschlossenen Gefäßen statt. Bei Reaktionstemperaturen von 180 bis 250 °C entwickeln sich dem jeweiligen Dampfdruck entsprechende hohe Drücke. Nach längeren Verweilzeiten von mehreren Stunden entstehen im flüssigen Reaktionsgemisch fein verteilte Kohlepartikel, welche abgefiltert und getrocknet werden müssen.
In der vorliegenden Arbeit wird ein thermisches Verfahren zur Verwertung von einer großen Bandbreite von Abfallbiomassen vorgestellt, welches ein festes Produkt zum Ziel hat. Das Biomass Steam Processing (BSP) wurde am Engler-Bunte-Institut des Karlsruher Instituts für Technologie im Arbeitskreis von Prof. Dr.-Ing. Henning Bockhorn entwickelt und zeichnet sich durch seine robuste und einfache Verfahrensweise aus. Zu dieser Technologie wurden im Verlauf der Arbeit zwei Patente angemeldet (Deutschland Patentnr. EP2952559A1, 2015; Deutschland Patentnr. EP2390301B1, 2016). Die eingesetzte Biomasse wird bei Atmosphärendruck auf bis zu 350 °C aufgeheizt, wobei Wasserdampf als Reaktionsmedium dient. Nach maximal 120 min sind die Trocknung und die Karbonisierung abgeschlossen und das feste Kohleprodukt kann aus dem Prozess entfernt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf Basis eines bestehenden Technikumsreaktors ein Pilotreaktor mit einem Durchsatz von 25 kg/h konzipiert, gebaut und in Betrieb genommen. Der Pilotreaktor besteht aus einer zweiteiligen Konstruktion, bei der die frische Biomasse während ihrer Übertragung aus einem Vorratsbehälter durch eine Doppelschnecke mechanisch vorkonditioniert wird. Der Reaktorbereich besteht ebenso aus einer Doppelschnecke und wird von außen elektrisch beheizt. Die Reaktionszone ist dabei durch Pendelklappen von der Zuführzone und dem Kohleaustrag getrennt. Die bei der BSP-Umsetzung entstehenden flüchtigen Reaktionsprodukte sowie der optional eingespeiste Wasserdampf werden kontinuierlich aus dem Prozess ausgeschleust und zweistufig in Wärmeübertragern zur nachfolgenden Analyse auskondensiert. Die Pilotanlage wurde auch mit Klärschlamm betrieben, der mit Marktabfällen und Holzpellets als Einsatzstoff gemischt wurde. Dieser Rohstoff hatte einen hohen Wassergehalt (bis zu 85 %). Dabei sollte auch untersucht werden, ob sich das BSP-Verfahren in einem solchen Aufbau für die Verwertung von feuchten, organischen Reststoffen eignet. Es konnten alle Einsatzstoffe in ein karbonisiertes Feststoffprodukt überführt werden. Die Kohle der Klärschlamm-Holzpellet-Mischung erreichte Brennwerte von über 21 MJ/kg, die Kohle der Mischung mit Marktabfällen immerhin noch über 13 MJ/kg, was einer Steigerung von über 110 % respektive 600 % entspricht. Dies ist auf den hohen Feuchtegehalt der Rohstoffe zurückzuführen. Mit kohlenstoffreicheren Eingangsstoffen wie Holz lassen sich noch hochwertigere Biokohlen herstellen, welche ein breites Anwendungsspektrum haben.
Nach der Auswertung der Versuchsdaten wurden mögliche Modifikationen vorgeschlagen, um einen besseren Wärmeeintrag in die Biomasse zu erreichen und feuchte Einsatzstoffe noch effizienter verwerten zu können.
Begleitend zur Planung und Auslegung der BSP-Pilotanlage wurde das Verfahren in der Prozesssimulationssoftware Aspen Plus modelliert. Dabei wurden sowohl die chemischen Reaktionen als auch die Reaktorkonstruktion betrachtet. Durch die Berechnung der für den BSP-Prozess erforderlichen Wärmeströme konnte der Biomasse-Durchsatz in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt und der zur Verfügung stehenden Wärmeübertragungsfläche ermittelt werden. Den größten Einfluss auf die Auslegung hat der an der Biomasse anhaftende Wasseranteil. Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor ist der Anteil der inerten Mineralstoffe im Ausgangsmaterial. Das entwickelte BSP-Modell könnte helfen den experimentellen Aufwand zu reduzieren, indem es die Material- und Wärmeströme bei Verwendung verschiedener Einsatzstoffe berechnet. Die aus der Simulation und den verschiedenen Skalierungsstufen ermittelten Daten und Erfahrungen können zur weiteren Skalierung des Prozesses genutzt werden.
Das BSP-Verfahren eignet sich gut, verschiedene organische Abfallströme mit einer großen Bandbreite an Wassergehalten zu verwerten und in ein kohlenstoffangereichertes Feststoffprodukt umzuwandeln.
Abstract (englisch):
There is a need to reduce the use of fossil resources because of the effect of emissions resulting from such use on the climate and air quality. On the other hand, all available regenerative sources of energy such as wind and water power, solar energy or biomass, needs to be fully exploited in order to meet the increased energy demand. In addition to generation from new sources, the recycling of existing organic waste streams is highly sustainable. Such waste streams are, however, often very heterogeneous and high in water content, which makes their processing a complex process.
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Various processes are known for the carbonisation of biomass, including low-temperature pyrolysis and hydrothermal carbonisation (HTC). Low temperature pyrolysis occurs over a wide temperature range from 150 to 500 °C, depending on the desired product properties. The mostly dry biomass is treated in an inert atmosphere for a period of at least 1 hour, whereby volatile components are eliminated resulting in a solid carbon product. In hydrothermal carbonisation, the conversion takes place in water medium in closed vessels. At reaction temperatures of 180 to 250 °C, high pressures corresponding to the respective vapour pressure develop. After longer residence times of several hours, finely distributed coal particles are formed in the liquid reaction mixture, which needs to be filtered and dried.
This work presents a thermal process aimed at the recycling of a wide range of waste biomass to produce a solid product. The process, namely the Biomass Steam Processing (BSP), was developed at the Engler-Bunte-Institute of the Karlsruhe Institute of Technology in the research group of Prof. Dr.-Ing. Henning Bockhorn and is characterised by its robust and simple procedure. Two patents were filed for this technology in the course of the project (Deutschland Patentnr. EP2952559A1, 2015; Deutschland Patentnr. EP2390301B1, 2016). The biomass used is heated up to 350 °C at atmospheric pressure with steam as the reaction medium. After a maximum retention time of 120 min the drying and the carbonisation are finished and the solid coal product can be removed from the process.
Within the scope of this work, a pilot reactor with a throughput of 25 kg/h was designed, built and operated, taking an existing technical reactor with a smaller throughput as a model. The pilot reactor consists of a two-part design in which the fresh biomass is mechanically preconditioned during its transmission from a storage tank by a double screw. The reactor section also consists of a double screw that is electrically heated from the outside. The reaction zone is separated from the feeding zone and the coal discharge zone by pendulum flaps. The volatile reaction products generated during the BSP conversion as well as the optionally injected steam are continuously discharged from the process and condensed in two-stage heat exchangers for subsequent analysis. The pilot plant was operated using sewage sludge mixed with market waste and wood pellets as input material. This feedstock had a high water content (up to 85 %). Whether the BSP process in such a configuration is suitable for the recycling of moist organic residues could thus be tested. It was possible to convert all input materials into a carbonised solid product. The coal of the sewage sludge-wood pellet mixture reached calorific values of over 21 MJ/kg, the coal of the mixture with market waste still over 13 MJ/kg, which corresponds to an increase of over 110 % and 600 % respectively. This is due to the high moisture content of the raw materials. With carbon-rich input materials such as wood, higher-quality biochar can be produced, offering a wide range of applications.
After the evaluation of data, possible modifications were suggested in order to achieve a better heat input into the biomass and to be able to utilise moist feed materials even more efficiently.
Parallel to the design of the BSP pilot plant, the process was modelled in the Aspen Plus process simulation software. Both the chemical reactions and the reactor design were modelled. By calculating the heat flows required for the BSP process, the biomass throughput could be determined as a function of the moisture content and the available heat transfer area. The moisture content of the biomass was found to have the most influence on the plant design. A further important factor is the share of inert mineral substances present in the input material. The BSP model developed could reduce the experimental effort by helping to calculate the material and heat flows when different input materials are used. The data and experience gained from the simulation and the various scaling steps can be used to further scale up the process.
The BSP method is suitable to recycle different organic waste streams with a wide range of water contents and to convert them into a carbon-enriched solid product.
