Jörg Ho - Zur Vergasung feuchter Biomasse unter indirekter Wärmezufuhr

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Produktbeschreibung

Die energetische Nutzung fester Biomasse stellt eine Möglichkeit dar, heimische Ressourcen einzusetzen. Aufgrund der geringen Energiedichte biogener Festbrennstoffen ist es vorteilhaft, diese über thermochmische Wandlung in dezentralen Anlagen in ein Brenngas zu wandeln. Zur Vergasung teil- oder ungetrockneter Biomasse werden indirekt beheizte und vergleichbare Verfahren eingesetzt. Diese weisen Mängel im Umsatz durch Vergasung und durch Sekundärdegradation der höheren Kohlenwasserstoffe auf, sodass das erzeugte Produktgas wesentlich durch die Pyrolyse bestimmt wird. In dieser Arbeit wird ein indirekt beheizter Rohrreaktor zur Vergasung feuchter biogener Festbrennstoffe entworfen, aufgebaut und experimentell untersucht. Die Untersuchung feuchter Buchenholzhackschnitzel mit einem Wassergehalt im Bereich von 27 % bis 55 % bei Temperaturen von 835 °C bis 940 °C liefert ein Produktgas, bei dem der Heizwert des trockenen Gases in dem gesamten untersuchten Bereich bei 11,1 MJ/ m³ ≤± 6 % liegt. Auch der Volumenanteil des im trockenen Produktgas am meisten vertretenen Wasserstoffs ist mit 52,4 % nahezu konstant. Dieses gilt mit größerer Schwankungsbreite auch beim Einsatz verschiedener Biomassen, sofern diese geeignet sind, einen hinreichenden Umsatz durch Vergasung zu erreichen. Der radiale Temperaturgradient in der Vergasungszone in einer Größenordnung 1 K/mm liegt deutlich niedriger als dieses bei ausschließlicher Betrachtung der endothermen Vergasungsreaktionen zu erwarten wäre. Somit kann davon ausgegangen werden, dass die exothermen Reaktionen der Sekundärdegradation einen wesentlichen Beitrag zur Energiebilanz des Prozesses liefern. Die Modellierung des stationären Prozesses erfolgt auf Basis der Energiebilanz. Trocknung und Pyrolyse werden für feste Temperaturen berechnet und bilanziert. Die Produktzusammensetzung der Pyrolyse wird anhand von experimentellen Ergebnissen aus dem Schwelversuch nach ISO 647 angenommen. Für die Berechnung der Temperatur der Sekundärdegradation erfolgt eine kinetische Abschätzung des Reaktionsumsatzes durch Vergasung. Die Berechnung der Vergasungszone erfolgt iterativ. Für die Gasphase wird das chemische Gleichgewicht als eingestellt angenommen, während der Umsatz des Bodenkörpers Kohlenstoff kinetisch bestimmt wird. Auf Basis der Gleichgewichtszusammensetzung wird die Vergasungszone bilanziert und die Vergasungstemperatur neu anhand Wärmeübertragungsrechnung bestimmt. Mit dem Modell lässt sich der stationäre Zustand der indirekt beheizten Vergasung bei kurzen Rechenzeiten berechnen. Neben der Abbildung der Gaszusammensetzung stimmt das Ergebnis der Modellierung in der Größenordnung mit den experimentellen Ergebnissen für die radialen Temperaturgradienten und dem Durchsatz überein.