Biomass Steam Processing - Konzeption und Entwicklung eines Verfahrens zur Karbonisierung von Biomasse
Creators: name: Steinbrück, Johannes
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2019
Subjects: Biomasse
Karbonisierung
Biokohle
Kohle

description: 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. Besonders 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.