Zur Vergasung feuchter Biomasse unter indirekter Wärmezufuhr (PDF)

Kurzbeschreibung

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.
Description

The energetic utilization of solid biomass provides a way to use local resources. It is an advantage to convert biomass thermo chemically into a combustible gas. Decentralized systems are preferred due to the low energy density of the biogenic solid fuels. Indirectly heated and similar processes are used for the gasification of partially dried or non dried biomass. These processes exhibit problems during the conversion via gasification and secondary degradation of higher hydrocarbons, so that the producer gas is determined significantly the by pyrolysis.

An indirectly heated tubular reactor for the gasification of wet biogenic solid fuels is designed, built and experimentally investigated. The experimental reactor is electrically heated. The study of moist beech wood chips with a water content in a range of 27 % to 55 % at temperatures of 835 °C to 940 °C provides a producer gas, in which the lower calorific value of the dry gas in the entire range of investigation, is of about 11.1 MJ/ m³ ≤± 6 %The percentage (by volume) of hydrogen, which is the main product, is ca. 52.4 % and nearly constant in all investigations.. This applies with greater variation in the use of different biomass where it is appropriate, to achieve a sufficient conversion through gasification.

The radial temperature gradient in the gasification zone has an order of magnitude of 1 K/mm, significantly less than this would be expected due to the endothermic gasification reactions. It can be assumed that the exothermic reactions of secondary degradation provide a significant contribution to the energy balance of the process.

The modeling of stationary process is based on the energy balance. Drying and pyrolysis are calculated for fixed temperatures. The composition of the products of pyrolysis is assumed on the basis of experimental results from the low temperature distillation after ISO 647. The temperature for the secondary degradation is calculated via a kinetic approach of conversion for the gasification.

The gasification zone is calculated iteratively. For the gas phase is assumed a chemical equilibrium, while the conversion of fixed carbon is determined kinetically. The equilibrium composition of the gas is assumed for the energy balance and to determine the heat transfer.

The model is suitable to calculate the stationary state of the indirectly heated gasification by short computing times. Next to the representation of the gas composition, the result of modeling compared with the experimental results is of the same order of magnitude.