Biom2 (Phys. + Therm. Prozesse, 2.VL) Flashcards
1
Q
Umwandlungspfade für energetische Biomassennutzung: Welche physikalische Prozesse gibt es im Wesentlichen? (3)
A
Verdichtung
Zerkleinerung
Abpressung
2
Q
Umwandlungspfade für energetische Biomassennutzung: Physikalische Prozesse wie Verdichtung, Zerkleinerung und Abpressung werden zur Erzeugung welcher Produkte eingesetzt? (3)
A
Pflanzenöl
Scheitholz, Häcksel etc.
Briketts, Pellets etc. (unser Fokus)
(allgemeine dienen sämtliche physikalische Prozesse eigentlich im späteren zur Nutzung in thermochemischen Prozessen)
3
Q
Allgemein dienen eigentlich sämtliche physikalische Prozesse dazu Produkte zu erzeugen, die dann in ?(1)? Prozessen genutzt werden können.
So werden Scheitholz, Häcksel, Briketts, Pellets etc. in der ?(2)? eingesetzt.
Pflanzenöle können sowohl in der ?(3)? als auch in der ?(4)? und ?(5)? eingesetzt werden
A
(1) thermochemischen
(2) Verbrennung
(3) Verbrennung
(4) Vergasung
(5) Verflüssigung, Umesterung
(siehe slide 2)
4
Q
?? sind mit oder ohne Bindemittel bzw. Presshilfsmittel aus zerkleinerter fester Biomasse gepresste Biobrennstoffe zu verstehen, bei denen es sich meist um ein Schüttgut handelt
–> haben gewöhnlich eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von in Europa üblicherweise 6 bzw. 8mm und weisen gebrochene Enden auf (DIN ISO 16559)
A
Pellets
5
Q
?? sind mit oder ohne Bindemittel aus zu Partikeln aufgearbeiteter fester organischer Masse gepresste Biobrennstoffe in quaderförmiger oder zylindrischer Form
–> Einheiten bei denen es sich überlicherweise um ein Stückgut handelt
–> gelegentlich kommen auch andere, z.B. achteckige Querschnittsformen vor
A
Briketts
6
Q
Pellets –> meist Schüttgut oder Stückgut?
Briketts meist Schüttgut oder Stückgut?
A
Pellets –> meist Schüttgut
Briketts –> meist Stückgut
7
Q
Blockfließbild einer Holzpelletproduktion
–> slide 4
A
…
8
Q
Holzpelletproduktion
Im ?? will man verschiedene Größen im Hackgut voneinander abtrennen (Klassierung).
A
Übergrößensieb
9
Q
Holzpelletproduktion
Im Übergrößensieb will man verschiedene Größen des Hackguts voneinander abtrennen (Klassierung).
Welche Verfahren können hier zur Klassierung bspw. verwendet werden?
A
Prinzip eines horizontalen Querstrom-Windsichters
–> siehe slide 5
Siebverfahren (Plansiebverfahren, Trommelsiebverfahren, Scheibensiebverfahren, Sternsiebverfahren)
–> siehe slide 6
10
Q
Erkläre das Prinzip eines horizontalen Querstrom-Windsichters zur Klassierung!
A
Ein horizontaler Luftstrom wird verwendet um schwergutfreies Material von Schwergut zu trennen.
Schwergutfreies Material wird vom Luftstrom mitgerissen, während schwere Partikel durch den Luftstrom hindurchfallen und als Schwergut aussortiert werden
-> siehe slide 5
(Es gibt allgemein sowohl Querstrom- als auch Gegenstromwindsichter)
11
Q
Holzpelletproduktion
Plansiebverfahren (Horizontalsieb) zur Klassierung
–> Zunahme der Siebweiten entgegen der Materialflussrichtung.
–> siehe slide 7!!
A
…
12
Q
Holzpelletproduktion
Trommelsiebverfahren zur Klassierung
–> Zunahme der Siebweite in Materialflussrichtung
–> siehe slide 7!!
A
…
13
Q
Beim Trommelsiebverfahren nimmt die Siebweite in Materialflussrichtung ab.
Wahr/Falsch?
A
FALSCH
Zunahme der Siebweite in Materialflussrichtung
14
Q
Beim Plansiebverfahren (Horizontalsieb) nehmen die Siebweiten entgegen der Materialflussrichtung zu.
Wahr/Falsch?
A
Wahr
15
Q
Wenn bei der Palettierung Siebe eingesetzt werden, dann würde bspw. beim Plansiebverfahren lediglich ein Sieb verwendet werden, weil nur die groben von den feinen Materialien abgetrennt werden sollen. Genauso würde auch beim Trommelsiebverfahren nur eine Lochgröße verwendet werden mit der das gröbste Material aus der Trommel ausgetragen wird und das feine Material unterhalb der Trommel (also nachdem es durch Löcher hindurch gefallen ist) von Laufbändern abgetragen wird.
A
…
16
Q
Holzpelletproduktion
Nachdem das Hackgut durch das Übergrößensieb (Siebverfahren oder Windsichter) klassiert wurde, können die Übergrößen in der ?(1)? verwendet werden, die später für die ?(2)? benötigt wird, während das restliche Gut in den ?(3)? kommt und erneut klassiert wird.
A
(1) Feuerung
(2) Trocknung
(3) Magnetabscheider und/oder Allmetallabscheider kommt
17
Q
Holzpelletproduktion
An einem gefällten Baum könnten sich noch Metalle befinden. Diese Metalle würden bei weiteren Zerkleinerungen im späteren Prozessverlauf zu einer erheblichen Beschädigung der eingesetzten Maschinen beitragen.
Aus diesem Grund muss sichergestellt werden, dass keine Metalle im Stoffstrom mehr vorhanden sind.
Dies kann auf zwei Arten sichergestellt werden: ??
A
Magnetabscheider
und/oder
Allmetallabscheider (mit z.B. Druckluftseparierung)
18
Q
Magnetabscheider (Klassierung)
Es gibt einen Magnet oberhalb des Förderbandes mit Stoffstrom, über den wiederum selbst ein Förderband läuft.
Die magnetischen Stoffe im Stoffstrom auf dem unteren Förderband werden vom Magneten angezogen und aufgrund des oberen Förderbandes (um den Magneten) abtransportiert und neben dem Förderband mit Stoffstrom herabgelassen und aufgesammelt. Auf dem Förderband mit Stoffstrom verbleibt das Fe-Metall-freie Material.
–> siehe slide 8!!
A
…
19
Q
Allmetallabscheider (mit Druckluftseparierung) (Klassierung)
Sobald ein Metalldetektor ein Metallstück im Stoffstrom detektiert, steuert er z.B. ein nachgelagertes Ausblas-System an.
Da die Wegstrecke und Laufgeschwindigkeit des Stoffstroms bekannt ist, kann der Druckstoß des Ausblas-Systems relativ genau angesteuert werden.
Der Druckstoß stößt dann die Metallverunreinigungen aus dem Material heraus.
–> Es kann natürlich vorkommen, dass direkt neben den Metallverunreinigungen auch ein nicht-metallischer Partikel ist, welcher dann ebenfalls mit angestoßen wird.
–> siehe slide 8
A
…
20
Q
Holzpelletproduktion
Nach der erneuten Klassierung im Metallabscheider kommt das überbleibende Material in die ?(1)?, welche mithilfe der ?(2)? vollzogen wird. Zur ?(2)? können wiederum die zuvor aussortierten ?(3)? oder ggf. auch die zuvor bei der ?(4)? abgetrennte ?(5)? als Brennstoff genutzt werden.
A
(1) Trocknung
(2) Feuerung
(3) Übergrößen
(4) Entrindung
(5) Rinde
–> siehe Ablaufschema nochmal auf slide 7
21
Q
Holzpelletproduktion
Nach der Trocknung gelangt das Material in ein ?(1)?.
Es kann auch sein, dass der Prozess der Holzpelletierung erst hier beginnt, nur dann muss eine ständige Anlieferung und Ablagerung der ?(2)? erfolgen.
A
(1) Trockenspanlager
(2) Hobelspäne
22
Q
Holzpelletproduktion
Nach der Trockenspanlagerung kommt die ?(1)?.
Hier werden Mühlen genutzt. Diese kommen meist dann zum Einsatz, wenn die Zielkorngröße im Bereich von weniger als ?(2)? liegt.
Je nach Ausgangsmaterial und Verwendungszeck werden unterschiedliche Prinzipien angewendet: ?(3)? oder ?(4)?
A
(1) Trockenvermahlung
(2) 10mm
(3) Die Schlagzerkleinerung (bei Hammermühlen)
(4) Die schneidende Zerkleinerung (bei Schneidmühlen)
23
Q
Holzpelletproduktion - Trockenvermahlung - Schneidmühle (schneidende Zerkleinerung)
Das (getrocknete) Material wird über ein Förderband in die Schneidmühle hineingegeben und bewegt sich dann in der Schneidemühle.
Es gibt an den Armen befestigte Schneidewerkezeuge. Dieses Schneidewerkzeug läuft nicht direkt am Boden/Außenhülle lang, sondern bewahrt einen gewissen Abstand. Dieser Abstand definiert im Wesentlichen dann die gewünschte ?(1)?. Der Abstand kann entsprechend vorab eingestellt werden.
Der jeweilige Arm treibt das Material vor sich her und schneidet es entsprechend mit dem Schneidewerkzeug ab. Im unteren Teil der Schneidemühle befindet sich eine Art Matrix, durch die das Material hindurchfällt, sobald es klein genug geschnitten ist. Ist es noch nicht klein genug bleibt es in der Mühle und wird vom nächsten Arm bearbeitet.
A
(1) Zielkorngröße
–> siehe slide 10!
24
Q
Holzpelletproduktion - Trockenvermahlung - Hammermühle (Schlagzerkleinerung)
Das (getrocknete) Material wird über ein Förderband in die Hammermühle hineingegeben und bewegt sich dann darin.
Es liegt hier keine schneidende, sondern eine schlagende Zerkleinerung vor.
Die Hammer laufen auf der Matrix unten lang und schlagen das Material durch die Matrix hindurch.
Wenn das Material durch einen Hammer noch nicht ausreichend zerkleinert wurde, um durch die Matrix hindurchgeschlagen zu werden, bleibt es in der Mühle und wird vom nächsten Hammer weiter bearbeitet.
–> siehe slide 10
A
…
25
Nach der Trockenvermahlung, kommt die ?(1)?, wo ein Eintrag von ?(2)? und ?(3)? erfolgen kann.
(1) Konditionierung
(2) Wasser
(3) Additiven
26
Holzpelletproduktion - Konditionierung
Vor der eigentlichen Pressung muss das zerkleinerte Material konditioniert werden. Diese Konditionierung dient wozu?
Dient der Einstellung des gewünschten Wassergehaltes, der Mischung bzw. der Homogenisierung von Rohstoff und den ggf. zugegebenen Presshilfsmittel(n) sowie den möglicherweise zugemischten Additiven (zur Beeinflussung der verbrennungstechnischen und damit der chemisch-stofflichen (Brennstoff-)Eigenschaften)
27
Holzpelletproduktion
Nach der Konditionierung gelangt das bearbeitete Material wo?
In den Pressen
28
Beschrifte den Ablauf auf slide 4!!
...
29
Holzpelletproduktion - Presse
Arbeitsprinzip einer Kollergangpresse mit Fachmatrize
Material wird über eine Förderschnecke hinzugeführt. Es fällt auf die Koller oder zwischen diese auf die Flachmatrize. Die Walze rotiert sodass auch die Koller rotieren.
Das Material verdichtet sich und wird weiter zerkleinert (wenn es noch nicht klein genug war)
Koller treiben Material vor sich her und wenn das Pressmaterial ausreichend verdichtet wurde, gelangt es durch die Öffnungen der Matrize hindurch. Dabei wird das Material durch das Hindurchpressen durch die Kanäle stark verdichtet.
Durch die Verdichtung kommt es auch zu einem Temperaturanstieg des Materials, weshalb vorab in der ?(1)? das Wasser hinzugefügt wurde. Das Wasser verdampft und entweicht. Dies führt zu einer leichten Abkühlung, die ausreicht, um eine Entzündung des Materials zu vermeiden.
(1) Konditionierung
--> slide 14
30
Prinzip einer Produktionsanlage für Holzpellets
--> hier nur Prozess, der mit bereits zerkleinertem Rohmaterial startet
--> Beschrifte slide 15!
...
31
Holzpelletproduktion - Produktionsanlage
Wenn man mit bereits zerkleinerten und getrockneten Rohstoffen startet (z.B. Sägemehl), dann ist der spezifische Verbrauch an Energie, die für die Palettierung benötigt wird nur ?(1)? % des Energiegehaltes welcher sich in den Pallets befindet.
--> Die Energie wird hierbei hauptsächlich durch die Palletierpresse verursacht
Wenn allerdings der gesamte Prozess ab der Entrindung betrachtet wird, dann wird recht viel Energie für die Trocknung aufgewandt, wodurch der Energieverbrauch insgesamt deutlich ansteigt und der Energieverbrauch der gesamten Anlage ungefähr ?(2)? % des Energiegehalts in den Pallets ausmacht.
(1) 1,5
(2) 14%
32
Brikettierung ist im wesentlichen der gleiche Prozess wie bei der Pelletierung. Bei der Brikettierung werden einfach nur größere Presseinheiten geformt.
...
33
Nenne Vorteile der Brikettierung und Pelletierung! (6)
Eine hohe volumetrische Energiedichte und die damit verbundenen logistischen Vorteile
Günstige Fließ- und Dosiereigenschaften
Ein geringer Wassergehalt im Brennstoff und deshalb eine hohe Lagerstabilität (d.h. kein bzw. kaum biologischer Abbau)
Die einfache Möglichkeit zur Verwendung von Zuschlagstoffen zur Veränderung der chemisch-stofflichen und/oder physikalisch/mechanischen Brennstoffeigenschaften
Eine geringe Staubentwicklung bei Umschlagsprozessen
Eine hohe Brennstoffhomogenität (d.h. Normung bzw. Standardisierung bestimmter Brennstoffparameter ist vergleichsweise einfach möglich)
34
Umwandlungspfade der energetischen Biomassenutzung:
In welche Prozesse können Thermochemische Prozesse grundlegend unterschieden werden? (3)
Verbrennung
Vergasung
Verflüssigung, Umesterung
35
Umwandlungspfade der energetischen Biomassenutzung
--> Beschrifte slide 18
...
36
Konversion von Biomasse
--> siehe slide 19!!
...
37
Thermochemische Konversionsverfahren - Aufbau von Holz
-> slide 20
...
38
Thermochemische Konversionsverfahren zur Biomassennutzung
1) Durch Verbrennung können welche Produkte entstehen?
2) Durch Vergasung können welche Produkte entstehen?
1) elektrischer Strom, Nutzwärme, Abgas, Asche
2)
--> Nutzwärme, Reststoffe, elektrischer Strom, Nutzwärme
--> Brenn-, Kraft- und Chemierohstoffe; sekundäre Wertstoffe
39
Thermochemische Konversionsverfahren zur Biomassennutzung
Beschrifte slide 21!!
...
40
Thermochemische Konversionsverfahren
Bei der thermischen Umsetzung von festen, organischen Brennstoffen laufen immer die folgenden Prozesse ab: ?? (4)
Trocknung (100°C)
Pyrolyse/Entgasung (> 200°C)
Vergasung (> 600°C)
Verbrennung (> 700°C)
-> siehe Abb. slide 24
41
Thermochemische Konversionsverfahren - thermische Umsetzung von festen, organischen Brennstoffen
Beschreibe den Prozess der Trocknung!
Durch Erwärmung wird dem feuchten Brennstoff das Wasser entzogen.
Die Umwandlung des im Brennstoff enthaltenen Wassers benötigt Energie (2,257 kj/kg Wasser)
42
Thermochemische Konversionsverfahren - thermische Umsetzung von festen, organischen Brennstoffen
Die für den Prozess der Trocknung benötigte Energie stammt oft woher?
Oft von hintergelagerten Prozessen
(z.B. stellt die Verbrennung einen Teil der Energie für die Trocknung da)
43
Thermochemische Konversionsverfahren - thermische Umsetzung von festen, organischen Brennstoffen
1) Beschreibe den Prozess der Pyrolyse/Entgasung!
2) Welche festen Rückstände fallen an?
1) Bei weiterer Erwärmung (also nach Trocknung und bei >200°C) werden flüchtige Verbindungen ausgetrieben, es kommt zur Bildung von Schwelgasen, die auch toxisch aromatische Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten können.
2) Koks und mineralische Reststoffe
44
Thermochemische Konversionsverfahren - thermische Umsetzung von festen, organischen Brennstoffen
Beschreibe den Prozess der Vergasung!
Bei weiterer Erwärmung (bei > 600°C) wird der aus dem Entgasungsprozess (Pyrolyse) zurückbleibende feste Kohlenstoff (Koks) mit dem vorhandenen Wasserdampf und Kohlendioxid zu brennbaren Gasen umgesetzt.
45
Thermochemische Konversionsverfahren - thermische Umsetzung von festen, organischen Brennstoffen
Beschreibe den Prozess der Verbrennung!
Oxidation der Brenngase zu Abgas unter Freisetzung von Wärme (bei > 700°C)
46
Thermochemische Konversionsverfahren - Unterschiede Verbrennung, Vergasung und Pyrolyse
Wie ist der Verlauf des Biomassenanteils?
Bei der Trocknung wird ein Teil der Biomasse in Form von Wasser reduziert, welches verdampft.
Bei der pyrolytischen Zersetzung entgasen die flüchtigen Bestandteile. Hier findet die größte Reduktion des Biomasseanteils statt.
Bei der Vergasung wird ein Teil der Biomasse in Restkoks umgesetzt.
Übrig bleibt die Asche
--> Die Oxidation (Prozess der Verbrennung) beinhaltet sowohl die pyrolytische Zersetzung als auch die Vergasung. Nach Beendigung der Oxidation ist Biomasse vollständig umgesetzt
slide 25!!
47
Thermochemische Konversionsverfahren - Unterschiede Verbrennung, Vergasung und Pyrolyse
Welche Menge an Sauerstoff (Luft) ist erforderlich für eine vollständige Oxidation (Verbrennung)?
Stöchiometrische Menge
48
Thermochemische Konversionsverfahren - Unterschiede Verbrennung, Vergasung und Pyrolyse
Stöchiometrische Menge an Sauerstoff (Luft) erforderlich für vollständige Oxidation (Verbrennung)
Bei unterstöchiometrischer Zufuhr anderer Reaktionsverlauf.
1) Wie berechnet man lambda?
2) Wie groß muss Lambda für eine vollständige Oxidation (Verbrennung) sein?
3) Wie groß ist Lambda bei der Pyrolyse?
4) Wie groß ist Lambda bei der Vergasung?
1) lambda = msubeff / msubstöch
mit:
- msubeff: effektive Luftmenge
- msubstöch: stöchiometrische Luftmenge
2) lambda > 1
3) lambda = 0
4) 0 < lambda < 1
49
Thermochemische Konversionsverfahren - Unterschiede Verbrennung, Vergasung und Pyrolyse
Pyrolyse: thermische Zersetzung ?? Vergasungsmittel
Vergasung: unterstöchiometrische Umsetzung ?? Vergasungsmittel
Verbrennung: überstöchiometrische Umsetzung ?? Vergasungsmittel
Pyrolyse: thermische Zersetzung OHNE Vergasungsmittel
Vergasung: unterstöchiometrische Umsetzung MIT Vergasungsmittel
Verbrennung: überstöchiometrische Umsetzung MIT Vergasungsmittel
--> slide 13 ansehen + beschriften!
50
Thermochemische Konversionsverfahren - Pyrolyse
1) Als Pyrolyse werden alle Prozesse bezeichnet, welche?
2) Werden externe Reaktionsmittel zugegeben?
3) Was sind die Endprodukte der Pyrolyse?
1) Nach dem Verfahrensschritt der Pyrolyse abgebrochen werden
2) Nein! (Im Gegensatz zur Vergasung keine Zugabe von externen Reaktionsmitteln)
3) Pyrolysekoks, Pyrolyseöl, Pyrolysegas
51
Thermochemische Konversionsverfahren - Pyrolyse
Wovon hängt die Reaktionskinetik ab? (3)
Ausgangsstoff
--> therm. Leitfähigkeit von Holz, spezifische Wärmekapazität, Wassergehalt
Aufheizgeschwindigkeit (Heizrate)
Reaktortemperatur
52
Thermochemische Konversionsverfahren - Pyrolyse
Der heterogene Aufbau der Biomasse (Zellulose, Hemizellulose und Lignin) bewirkt komplizierte Pyrolysereaktion aufgrund?
unterschiedlicher Bindungsenergien
53
Thermochemische Konversionsverfahren - Pyrolyse Zusammensetzungsabhängigkeit
Zersetzungsgrad unterschiedlicher im Holz befindlicher Stoffe (Cellulose, Hemicellulose, Lignin)
Beschreibe den Zersetzungsgrad der drei Stoffe in Abhängigkeit zur Temperatur!
Die Zersetzung von Lignin beginnt als erstes. (Bereits bei unter 200°C) Die Zersetzungsrate ist im Temperaturverlauf allerdings relativ langgezogen und bei 500°C sind nur ca. 50% des Lignin umgesetzt.
--> aufgrund der sehr hohen Druckstabilität nur schwierig zu zersetzen
Die Zersetzung von Hemicellulose setzt bei ungefähr 200°C ein und findet sehr rapide statt. Bei 500°C ist die Hemicellulose zu 100% umgesetzt.
Die Zersetzung der Cellulose beginnt als letztes und findet ebenfalls sehr rapide statt. Bei 500°C ist ca. 95% der Cellulose umgesetzt.
--> slide 31 ansehen!!
54
Warum unterscheidet sich die Pyrolyse einer Holzart von der einer anderen Holzart?
Da jede Holzart eine andere Zusammensetzung der Holzbestandteile Cellulose, Hemicellulose, Lignin aufweist.
55
Thermochemische Konversionsverfahren - Pyrolyse Zusammensetzungsabhängigkeit
Bis ca. 300°C Erhalt der ?(1)? Struktur.
Ab ca. 400°C Ausbildung von? ?(2)?
(1) fibrillaren
(2) kristalline Graphitstruktur
56
Thermochemische Konversionsverfahren - Pyrolyse
Nenne zwei unterschiedliche Pyrolysearten mit denen wir uns beschäftigt haben?
"Langsame Pyrolyse"
"Flash-Pyrolyse" (Schnelle Pyrolyse)
57
Thermochemische Konversionsverfahren - "Langsame Pyrolyse"
Ausgangsstoff: Festbrennstoff (z.B. Holz)
1) Was stellt den 1.Schritt dar?
2) Was stellt den 2.Schritt dar?
3) Welche Produkte werden mit der "Langsamen Pyrolyse" erzeugt und welcher Verteilung liegen sie vor?
1) Trocknung (ca. 100°C)
2) Thermische Zersetzung (ca. 300 - 600°C)
3)
Pyrolysegas (ca. 81%)
Pyrolyseöl (ca. 0 - 5%)
Pyrolysekoks (ca. 14%)
58
Thermochemische Konversionsverfahren - "Flash-Pyrolyse" (Schnelle Pyrolyse)
Ausgangsstoff: Festbrennstoff (z.B. Holz)
1) Was stellt den 1.Schritt dar?
2) Was stellt den 2.Schritt dar?
3) Welche Produkte werden mit der "Flash - Pyrolyse" erzeugt und welcher Verteilung liegen sie vor?
1) Entgasung (ca. 475°C)
2) Verflüssigung (durch schnelle Gasabkühlung)
3)
Pyrolysegas (ca. 15-20 %)
Pyrolyseöl (ca. 65 - 75 %)
Pyrolysekoks (ca. 10 - 15 %)
59
Thermochemische Konversionsverfahren - Pyrolyse Reaktionspfade
Insgesamt werden 3 verschiedene Reaktionspfade unterschieden. (k1, k2, k3)
1) Festbrennstoff (z.B. Holz) --> k1 --> Produkte?
2) Festbrennstoff (z.B. Holz) --> k2 --> ?? --> k4 --> Produkte??
3) Festbrennstoff (z.B. Holz) --> k3 --> Produkte??
4) Wie unterscheiden sich die Aktivierungsenergien der jeweiligen Reaktionen? (E1,E2,E3)
1) --> k1 --> (Holz-)Kohle + CO2 + H2O
2) --> k2 --> Flüssigkeit (schweres Heizöl) --> k4 --> Gase (CO + H2 + CH4)
3) --> k3 --> Gase (CO, H2, CH4 etc.)
4) E1 < E2 < E3
(k4 sehr langsam bei Temperaturen < 650°C)
--> siehe slide 33!
60
Thermochemische Konversionsverfahren - Pyrolyse Reaktionspfade
1) Welche Reaktion dominiert bei niedrigen Temperaturen? Was ist dabei das Hauptprodukt?
2) Welche Reaktion dominiert bei mittleren Temperaturen? Welche Produkte bilden sich vorwiegend?
3) Welche Reaktion bei hohen Temperaturen? Wozu führt die Reaktion vorwiegend?
1) Reaktion 1 (k1) (konventionelle Pyrolyse)
--> Hauptprodukt: Holzkohle
2) Reaktion 2 (k2)
--> Bildung vorwiegend flüssiger Produkte
--> Gasbildung (k4) durch sek. Crack-Reaktion möglich
3) Reaktion 3
--> führt vorwiegend zur Bildung von Gasen
61
Thermochemische Konversionsverfahren - Schnelle/Flash-Pyrolyse
Sehr schnelle bis mittelschnelle ?(1)? der Biomassepartikel (Heizrate bis ?(2)?) auf 450 bis 600°C
?(3)? Aufenthaltsdauer der Pyrolyseprodukte in der heißen Reaktionszone
Schnelle Entfernung von ?(4)?
--> Heißes ?(4)? wirkt katalytisch
--> sonst entstehen unerwünschte Sekundärreaktionen (?(5)?reaktionen) der Produkte zu ?(6)? und ?(7)?
Schnelles ?(8)? der heißen Dämpfe um Ausbeute zu erhöhen
Nebenprodukte ?(9)? und ?(10)? lassen sich im Prozess nutzen - Trocknung Wassergehalt des Holzes sollte unter 10% liegen.
(1) Aufheizung
(2) 1000°C/s
(3) Kurze (1 bis 3s)
(4) Koks
(5) Crackreaktionen
(6) Wasser
(7) Kohlenstoffdioxid
(8) Abkühlen
(9) Koks
(10) Gas
62
Thermochemische Konversionsverfahren - Schnelle/Flash-Pyrolyse
Hat in der Regel folgende drei Stufen: ??
Vorbehandeln
--> Ganze Biomasse: Asche entfernen, Imprägnieren
--> Biomasse trennen: Pulping, Bioraffinerie
Pyrolysieren
--> Prozessparameter: Temp., Druck, Atmosphäre
--> Zugabe von Katalysatoren
Veredeln:
--> Physikalisch: gestufte Kondensation, Extraktion
---> Chemisch: Derivatisierung, Hydrodeoxygenierung, Vergasung
siehe slide 36!!
63
Thermochemische Konversionsverfahren - Schnelle/Flash-Pyrolyse
Welche Parameter beeinflussen das Hauptprodukt (Öle)? (5)
Beeinflussung der Ölqualität durch:
- Auswahl und Vorbehandlung der Biomasse
- Auftrennung der Biomasse in unterschiedliche Fraktionen
- Anpassung Prozessparameter
- Einsatz von Katalysatoren
- Physikalische und chemische Nachbehandlungsverfahren
64
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen für die Schnellpyrolyse
Die Reaktoren ermöglichen im Allgemeinen was? (3)
- eine schnelle Reaktion
- eine gute Wärmeübertragung
- einen schnellen Abtransport der Produkte
65
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen für die Schnellpyrolyse
Warum ist der schnelle Abtransport der Produkte von Bedeutung?
Da es sich um sehr kurze Reaktionszeiten handelt.
66
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen für die Schnellpyrolyse
Warum werden hier häufig Reaktoren eingesetzt, die Sand als Wärmeträgermedium nutzen?
Da der erhitzte Sand die Wärmeübertragung an die fein gemahlenen Biomassepartikeln verbessert.
67
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
In welche Konzepte können die Reaktortypen im Wesentlichen unterschieden werden? (3)
Gas fluidisierte Reaktortypen
--> mit stationärer Wirbelschicht
--> mit zirkulierender Wirbelschicht
mechanisch fluidisierte Reaktortypen
--> mit Drehkonus
--> mit Doppelschnecke
flächenbeheizte Reaktortypen
--> mit ablativer Pyrolyse
--> mit Vakuumpyrolyse
68
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
Gas fluidisierte Reaktortypen mit stationärer Wirbelschicht.
Keine rotierenden oder bewegten Anlagenkomponenten.
Durch Förderschnecke wird Biomasse eingebracht.
?(1)? notwendig.
Feste Biomasse wird in dem 450 - 500°C heißem Sandbett der ?(2)? zersetzt.
Im ?(3)? erfolgt Abscheidung von Koks/Sand
Abkühlung des heißen Gases durch ?(4)?.
siehe/beschrifte slide 39!
(1) Fluidisierungs-/Permanentgas
(2) Wirbelschicht
(3) Zyklon
(4) Quencher
69
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
Gas fluidisierte Reaktortypen mit stationärer Wirbelschicht.
Erzeugte Produkte und Verwendung?
Koks zum Heizen oder zur Abfuhr
Gas zur Rückfuhr, Abfuhr oder zum Abfackeln
Bioöl
70
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
Gas fluidisierte Reaktortypen mit zirkulierender Wirbelschicht.
Sehr hohe ?(1)? zwischen 400 und 4000 kg/h
Vorteil: ?(2)?
Produktöl besitzt mehr Feinkoks
eingetragene Biomassepartikel 1 bis 3mm
Zwei ?(3)? notwendig
Abkühlung des heißen Gases durch ?(4)? zur ?(5)?
(1) Durchsatzleistungen
(2) extrem hohe Aufheizraten und sehr kurze Produktverweilzeiten realisierbar
(3) Zyklone
(4) Quencher
(5) Öl-Gewinnung
-> slide 40 ansehen + beschriften!
71
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
Gas fluidisierte Reaktortypen mit zirkulierender Wirbelschicht.
Die zirkulierende Wirbelschicht stellt eine Erweiterung der stationären Wirbelschicht dar.
...
72
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
Gas fluidisierte Reaktortypen mit zirkulierender Wirbelschicht.
Warum sind anders als bei der stationären Wirbelschicht zwei Zyklone notwendig?
Da aufgrund der hohen Durchstromraten nicht nur ein Austrag der Gase, des Koks und des Öls stattfindet, sondern auch ein Austrag des Bettmaterials (also des Sandes)
Nur lesen:
Der erste Zyklon wird also benötigt, um die gasförmigen und flüssigen Produkte von sämtlichen festen Materialien zu trennen (Pyrolysegas und -öl strömen in den Quencher zur Kühlung, während die festen Produkte (Sand und Koks) in den zweiten Zyklon strömen.
Im zweiten Zyklon wird der heiße Sand zurückgeführt und das Koks abgetrennt. ODER (wie in Abb. auf slide 40) es wird Luft hinzugefügt, sodass der Koks direkt verbrannt wird und nur noch der heiße Sand hineinbefördert wird.
73
Was ist der positive Effekt der deutlich stärkeren Verwirbelung bei der zirkulierenden Wirbelschicht als bei der stationären Wirbelschicht?
Die Wärmeübertragung zwischen den Biomassepartikeln und dem Sand ist nochmal wesentlich besser(!)
74
Das Pyrolysekoks ist bei der zirkulierenden Wirbelschicht deutlich feinteiliger als bei der stationären Wirbelschicht.
1) Was ist der Grund dafür?
2) Was ist daran problematisch?
1) Die starke Verwirbelung in der zirkulierenden Wirbelschicht führt zu einem größeren Abrieb und damit zu kleineren Partikeln.
2) Manche Partikel im ersten Zyklon werden mitgerissen und befinden sich im Produkt aus Öl und Gas. (Es sind daher weitere Abtrennungsschritte notwendig)
75
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
Mechanisch fluidisierte Reaktortypen mit rotierendem Konus (Drehkonus)
Die benötigte Wärmeenergie wird durch eine mechanische Fluidisierung des Wärmeträgers ?(1)? in einem Reaktor mit ?(2)? auf die ?(3)? übertragen.
Durch die ?(4)? wird das Gemisch an die heiße (beheizte) Innenwand (des inneren Konus) gedrückt.
Durch die Rotation des inneren Konus wird der Feststoff (Biomasse + Sand) langsam nach oben bewegt und durch den ständigen Wärmeeintrag aus der Innenwand des Konus und aus dem heißen beigeführten Sand findet der ?(5)? statt. Auf dem Weg nach oben (im inneren Konus) wird also die ?(6)? thermisch zersetzt.
Die heißen Dämpfe (im Wesentlichen bestehend aus Öl und Gas) verlassen den Konus an der ?(7)?. Anschließend kommt es zur Abkühlung des heißen Gases durch einen ?(8)? zur Öl-Gewinnung. Dabei wird die Flüssig- und Gasphase aufgespalten. Das Gas kann anschließend wieder durch einen Elektrostatischen Kondensator gehen. Außerdem kann das Gas auch wieder rückgeführt werden und z.B. für die Beheizung der Wand des inneren Konus eingesetzt werden.
Der ?(9)? und das ?(10)? fällt über den oberen Rand des inneren Konus in den äußeren Konus und verlässt diesen am unteren Rand.
Das Sand-Koks-Gemisch wird zusammen mit Luft dann wieder in den Brenner geblasen. Dort wird das Pyrolysekoks verbrannt und damit der Sand wieder aufgeheizt, um ihn anschließend erneut in den rotierenden, inneren Konus hineinfallen lassen zu können.
(1) Sand
(2) rotierendem (inneren) Konus
--> der auf einer Welle von einem Motor angetrieben wird
(3) Biomasse
(4) Zentrifugalkräfte
(5) Pyrolyseprozess
(6) Biomasse
(7) Oberseite
(8) Quenchkühler
(9) Sand
(10) Pyrolysekoks
--> siehe slide 41!!
76
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
Bei Gas fluidisierten Reaktortypen mit zirkulierender oder stationärer Wirbelschicht kommen Elektrostatische Abscheider zum Einsatz. Welche Funktion haben sie?
Lösen Aerosole aus dem Gas heraus und führen es dem Biogas zu.
-> siehe slide 40!
77
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
Flächenbeheizte Reaktortypen mit ablativer Pyrolyse/Wirkung
Ablation bedeutet was? (allgemein und in diesem Fall)
Die Entfernung des Material durch Hitzeeinwirkung
--> Biomassezersetzung durch Kontakt mit heißer Oberfläche
78
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
Flächenbeheizte Reaktortypen mit ablativer Pyrolyse/Wirkung
Bei Reaktoren mit ablativer Wirkung ist die Partikelgröße unwichtig.
Wahr/Falsch?
Wahr (z.B. auch Hackgutzufuhr)
79
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
Flächenbeheizte Reaktortypen mit ablativer Pyrolyse/Wirkung
Ablation bedeutet die Entfernung eines Materials durch Hitzeeinwirkung. Bei der ablativen Pyrolyse meint es also die Biomassezersetzung durch Kontakt mit einer heißen Oberfläche.
Konkret bildet sich beim Anpressen der festen organischen Masse an einer heißen Oberfläche an der Grenzfläche zunächst ein flüssiger Film aus. Im Späteren wird durch weiteren Wärmeeintrag dieser flüssige Film verdampft. Diese Verdampfung ist dann die pyrolytische Zersetzung. Der heiße Dampf geht dann wieder in einen Quenchkühler um die Auftrennung in Öl- und Gasphase zu gewährleisten.
Es ist kein ?? zur Entfernung der flüchtigen Pyrolyseprodukte notwendig.
Transportgas
-> slide 43+44!!
80
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen der Schnellpyrolyse
Mechanisch fluidisierte Reaktortypen mit Doppelschnecke
Biomasse wird im Reaktor mit ?(1)? als Wärmeträger gemischt.
Dieser wird sehr stark aufgeheizt (500°C), da keine weitere Wärmezufuhr im Doppelschneckenreaktor stattfindet.
Innerhalb des Doppelschneckenreaktors findet eine schnelle pyrolytische Zersetzung statt (< 3s).
Die entstehenden ?(2)? und leichte ?(3)? werden dabei aus dem Reaktor geblasen. (Koksabscheidung in ?(4)?)
?(5)?: darunter ist ein Gemisch aus dem Pyrolyseöl und dem parallel dazu entstehenden Pyrolysekoks zu verstehen.
heißem, quasi mechanisch fluidisiertem Sand
(2) Pyrolysedämpfe
(3) Kokspartikel
(4) Zyklonen
(5) Pyrolyse-Slurry
--> slide 42!
81
Funktionsweise Elektroabscheider
Welche Funktion hat er bei der Pyrolyse?
Flüssige Stoffe aus dem Gas herausfiltern, um diese dem eigentlichen Produktstrom (dem Öl) noch zuführen zu können.
(((Aerosole: Mischungen von festen oder flüssigen Partikeln („Schwebeteilchen“) in einem Gas oder Gasgemisch))
82
Funktionsweise Elektroabscheider
Am Anfang des Elektroabscheiders sind ?(1)?. Diese werden dann mit Hilfe eines ?(2)? aufgeladen. Die Partikel schlagen sich dann im späteren Verlauf an sogenannten ?(3)? nieder. Am Ende verlässt den Elektroabscheider ein ?(4)?, das frei von Partikeln ist.
--> Natürlich werden sich bei den ?(3)? immer mehr Partikel ansammeln, welche dann entfernt werden müssen.
(1) ungeladene Partikel
(2) elektrischen Feldes
(3) Niederschlagselektroden
(4) Reingas
--> siehe slide 44!
83
Thermochemische Konversionsverfahren - langsame Pyrolyse
Zur Bereitstellung vorwiegend fester Sekundärenergieträger.
Zwei Arten: ??
Verkohlung
--> vollständige Pyrolyse
--> zur Gewinnung von Biomassekoks/Holzkohle
Torrefizierung
--> Ist eher eine Trocknung und langsame partielle Pyrolyse
84
Thermochemische Konversionsverfahren - langsame Pyrolyse - Verkohlung
Ein Teil der Biomasse wird zur Bereitstellung der ?(1)? verbrannt.
Bei dieser pyrolytischen Zersetzung entstehen auch ?(2)? (u.a. Methanol, organische Säuren, Phenole, Carbonyle)
Als Rückstand bzw. Produkt erhält man ?(3)?
(1) Wärme
(2) leichtflüchtige Bestandteile
(3) Holzkohle
85
Thermochemische Konversionsverfahren - langsame Pyrolyse - Verkohlung
Weltweit werden knapp 52 Mio. t Holzkohle (2017) erzeugt; dabon werden in Entwicklungs- und Schwellenländern knapp 90% erzeugt.
Nutzung von Holzkohle: ?? (3)
Energetische Verwendung zur Zubereitung von Speisen (größter Teil der weltweit produzierten Holzkohle)
Verwendung als Reduktionsmittel für die Herstellung von Roheisen
Verwendung als Aktivkohle zur Filterung (innere Oberfläche stark wird dabei im Vergleich zu herkömmlicher Holzkohle stark vergrößert)
86
Holz vs. Holzkohle (Veränderung)
Gewicht: ??
Volumen: ??
Heizwert: ??
Gewicht: Holzkohle nur noch 20% des Holzgewichtes
Volumen: 50% geringer ggü. des Holzes
Heizwert: Verdopplung ggü. des Holzes
86
Thermochemische Konversionsverfahren - langsame Pyrolyse - Torrefizierung
?(1)? Pyrolyse bei Temperaturen von 200 - 300°C
Geringe ?(2)? und ?(3)?
Ziel: ?(4)?
(1) Unvollständige
(2) Aufheizgeschwindigkeit (< 50°C/min)
(3) Reaktorverweilzeiten im Minutenbereich (<60min)
(4) Biomasse für die weitere Konversion vorzubereiten
-> siehe slide 34!
87
Thermochemische Konversionsverfahren - langsame Pyrolyse - Torrefizierung
Im Temperaturfenster der Torrefizierung geht vor allem die Zersetzung welches Bestandteiles der Biomasse von statten?
Hemizellulose
88
Thermochemische Konversionsverfahren - langsame Pyrolyse - Torrefizierung
Nach der Torrefizierung weeist die torrefizierte Biomasse im Vergleich zu naturbelassenen festen Biobrennstoffen u.a. die folgenden Unterschiede/Vorteile auf: ?? (4)
Erhöhten Heizwert / Erhöhte Energiedichte durch Zunahme des Kohlenstoffgehaltes
Verbesserte Mahlbarkeit
hydrophobe Eigenschaften (d.h. deart behandelte Biomasse nimmt kaum noch Wasser auf <5%)
keine biologische Aktivität durch eine quasi "Sterilisation"
(siehe Tabelle slide 51)
89
Thermochemische Konversionsverfahren - Reaktortypen für die Schnellpyrolyse
--> siehe Vor- und Nachteile der jeweiligen Reaktortypen (slide 38!!)
...
90
Thermochemische Konversionsverfahren - Vergasung
Als Vergasung werden alle Prozesse bezeichnet, welche?
...nach dem Verfahrensschritt der Vergasung abgebrochen werden.
91
Thermochemische Konversionsverfahren - Vergasung
Was sind die Endprodukte der Vergasung? (3)
Geringerer Teil an Wärme als bei der Verbrennung
Gasförmiger Brennstoff (Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Methangas, Kohlendioxid und Wasserdampf)
Je nach Vergasungsmittel (reiner Sauerstoff, Luft, Wasserdampf etc.) ist auch ein erheblicher Teil an Stickstoff enthalten
92
Thermochemische Konversionsverfahren - Vergasung
Nenne ein paar Vergasungsmittel und das resultierende Produktgas.
Sauerstoff (1/2 O2)
--> Produktgas: CO
Wasserdampf (H2O)
--> Produktgas: CO + H2
Kohlenstoffdioxid (CO2)
--> Produktgas: 2CO
(...)
--> Überblick siehe slide 54
93
Thermochemische Konversionsverfahren
Vergasungen können unterteilt werden in?
autotherme Vergasungen
allotherme Vergasungen
--> siehe slide 55
94
Thermochemische Konversionsverfahren - autotherme Vergasungen
Hier handelt es sich um Prozesse, wo von außen keine Wärmezufuhr benötigt wird, weil im Inneren sowohl ?(1)? als auch ?(2)? Reaktionen ablaufen.
(1) exotherme
(2) endotherme
95
Thermochemische Konversionsverfahren - allotherme Vergasungen
Wärmezufuhr von i.d.R. ?(1)? wird benötigt, weil es sich dabei in der Vergasung um eine ?(2)? Reaktion handelt.
(1) 1000°C (?)
(2) endotherme
96
Thermochemische Konversionsverfahren - Vergasertypen
Vergaser können unterschieden werden nach: ?? (5)
Art des Kontakts zwischen Vergasungsmittel und Biomasse (Festbett, Wirbelschichten, Flugstrom)
Art der Wärmebereitstellung (autotherm oder allotherm)
Eingesetzte Vergasungsmittel
Druckverhältnisse im Vergasungsreaktor (atmosphärischer oder erhöhter Druck)
Anzahl der Stufen
97
Thermochemische Konversionsverfahren - Wirbelschichtvergaser
Was ist der wesentliche Unterschied zwischen einem zirkulierenden Wirbelschichtvergaser und dem Flugstromvergaser?
Der Flugstromvergaser benötigt kein Bettmaterial
98
Thermochemische Konversionsverfahren - Vergasertypen nach Art des Kontakts zwischen Vergasungsmittel und Biomasse
Welche Vergaser können unterschieden werden?
Festbettvergaser
-> Gegenstromvergaser
-> Gleichstromvergaser
Wirbelschichtvergaser
-> stationäre Wirbelschicht
-> zirkulierende Wirbelschicht
Flugstromvergaser
--> siehe Abb. auf slide 57-59!!
98
Thermochemische Konversionsverfahren
Festbettvergaser sind dadurch definiert, dass sich beim Festbett die Brennstoffpartikel nicht durch die Gasströmung bewegen. Der Brennstoff wird in das Festbett hereingegeben und bewegt sich nach unten. Die Biomassepartikel sind in einer festen Schicht im Festbettvergaser positioniert und wirbeln nicht herum.
Ermöglicht wird dies entweder indem die einströmende Luft nicht mit so hohen ?(1)? versehen wird oder indem die hereingelassenen Brennstoffpartikel relativ ?(2)? belassen werden, sodass sie sich nicht nicht innerhalb des Vergasertypens verwirbeln.
(1) Strömungsgeschwindigkeiten
(2) groß
99
In Wirbelschichtvergasern werden größere Biomassepartikel eingesetzt als bei Festbettvergasern.
Wahr/Falsch?
FALSCH
--> kleinere
100
Thermochemische Konversionsverfahren - Wirbelschichtvergaser
Bei Wirbelschichtvergaser ist eine viel bessere Durchmischung möglich als bei Festbettvergasern, aber es wird dafür was benötigt?
Ein Bettmaterial (wie z.B. Sand), welches eine bessere Wärmeübertragung ermöglicht!
101
Thermochemische Konversionsverfahren - Wirbelschichtvergaser
mit stationärer Wirbelschicht: Brennstoffpartikel (bzw. Biomassepartikel) werden mit der Luft mitgerissen und verwirbeln in einem stationären Bereich.
mit zirkulierender Wirbelschicht: Anströmgeschwindigkeit ist hier noch höher, sodass die Biomassepartikel noch viel stärker verwirbeln.
--> es handelt sich dann um eine zirkulierende Wirbelschicht
...
102
Thermochemische Konversionsverfahren - Flugstromvergaser
Bei einem Flugstromvergaser ist der Brennstoff (die Biomasse) noch viel mehr vermahlen. Liegt als Brennstoffstaub vor. Zusammen mit der Luft (Sauerstoff oder Wasserdampf) wird der Brennstoffstaub in einer so hohen Geschwindigkeit eingeblasen, dass er durch den Reaktor sozusagen hindurchfliegt und durch diese noch stärkere Verwirbelung als bei der zirkulierenden Wirbelschicht, kommt es zu einer sehr guten Vermischung und darum wird für einen Flugstromvergaser kein ?? benötigt.
Bettmaterial
--> Aufbau slide 57
103
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser
Abbildung sowohl zum Gegenstromvergaser als auch zum Gleichstromvergaser beschriften können!! (slide 58-60)
...
104
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser - Gegenstromvergaser
Brennstoff wird als gasdurchlässige Schüttung in den Reaktor hineingegeben und sinkt aufgrund der Schwerkraft herunter!
In der obersten Zone, der ?(1)? kommt es zum Wasserentzug.
In der darunter liegenden ?(2)? kommt es zur Entstehung flüchtiger ?(3)? und zur Bildung von ?(4)?.
In der ?(5)? darunter kommt es zur Bildung von ?(6)?.
In der ?(7)? darunter kommt es wiederum zu einer ?(8)?und zur Bildung von ?(9)?. Durch die Verbrennung und den in den in der Nähe gelegenen Einlass des Vergasungsmittels (z.B. Luft) wird ?(10)? für die darüberliegenden Zonen bereitgestellt.
Am unteren Ende befindet sich ?(11)?(thermisch nicht zersetzbare Bestandteile)
Am oberen Ende befindet sich ein Auslass für das ?(12)?, welches in der Reduktionszone erzeugt wurde.
(1) Aufheizungs- und Trocknungszone
(2) Pyrolytischen Zersetzungszone
(3) Gase und Dämpfe
(4) Koks
(5) Reduktionszone
(6) CO, Methan (CH4) und H2
(7) Oxidationszone
(8) Verbrennung
(9) CO2 und H2O
(10) Wärme
(11) Asche
(12) Produktgas
105
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser - Gegenstromvergaser
Nenne alle Zonen von oben nach unten, die der Brennstoff durchläuft! (5)
Aufheizungszone- und Trocknungszone
Pyrolytische Zersetzungszone
Reduktionszone
Oxidationszone
(Asche)
106
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser - Gegenstromvergaser
Am oberen Teil des Vergasers befindet sich der Auslass des Produktgases.
Welchen Vorteil bietet das?
Vorteil:
Das Produktgas, welches in der Reduktionszone erzeugt wurde durchläuft die beiden Zonen darüber und dient dazu diese aufzuheizen. Hierdurch kühlt sich das Produktgas ab und hat beim Auslass "nur noch" 100-200°C, was den Gegenstromvergaser relativ effizient macht, weil man einen Großteil der Temperatur intern noch nutzen konnte.
107
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser - Gegenstromvergaser
?(1)? Strömung des Brennstoffes zum Oxidationsmittel (Luft) in Richtung des Produktgas-Auslasses
Entgegengesetzte
108
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser - Gleichstromvergaser
?? des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel (Luft) in Richtung des Auslasses des Produktgases.
Gleichströmung
109
Thermochemische Konversionsverfahren - Festbettvergaser - Gleichstromvergaser
Brennstoff als gasdurchlässige Schüttung in Richtung Boden des Reaktors und sinkt aufgrund der Schwerkraft in Richtung Boden des Reaktors.
In der obersten Zone, der Aufheizungs- und Trocknungszone kommt es zum ?(1)?.
In der darunter liegenden ?(2)? kommt es zur Entstehung flüchtiger ?(3)? und zur Bildung von ?(4)?.
In der ?(5)? darunter werden bis zu 1000°C erreicht und langkettige Makromoleküle werden thermisch aufgebrochen und kurzkettige Verbindungen geschaffen. Herausforderung ist es immer teerreiche in teerarme gasförmige Bestandteile umzuwandeln. Der ?(6)? befindet sich ebenfalls in dieser Zone. Es kommt zur Bildung von ?(7)?.
In der ?(8)? darunter kommt es wiederum zur Bildung von CO, Methan (CH4) und H2.
Unterhalb der Reduktionszone befindet sich dann der Produktgas-Auslass.
Ganz unten am Reaktor befindet sich die ?(9)? (thermisch nicht zersetzbare Bestandteile).
Die ?(10)? umfasst die Reduktionszone und die Oxidationszone.
(1) Wasserentzug
(2) Pyrolytischen Zersetzungszone
(3) Gase und Dämpfe
(4) Koks
(5) Oxidationszone
(6) Einlass des Oxidationsmittels (Luft)
(7) CO2 und H2O.
(8) Reduktionszone
(9) Asche
(10) Vergasungszone
(Abb. slide 60)
110
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser - Gleichstromvergaser
Nenne alle Zonen von oben nach unten, die der Brennstoff durchläuft! (5)
Aufheizungs- und Trocknungszone
Pyrolytische Zersetzungszone
Oxidationszone
Reduktionszone
(Asche)
111
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser
Beim Gegenstromvergaser befindet sich die Oxidationszone unterhalb der Reduktionszone. Beim Gleichstromvergaser ist es genau umgekehr.
Wahr/Falsch?
Wahr
112
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser - Gegenstromvergaser
Nenne die Vorteile eines Gegenstromvergasers! (3)
Hoher Wirkungsgrad, da geringe Abgastemperatur
Geringer Partikelgehalt (keine Asche, kein Flugkoks) im Abgas
Flexibel in der Bestückung (Korngröße, Wassergehalt)
113
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser - Gegenstromvergaser
Nenne die Nachteile eines Gegenstromvergasers! (2)
Hoher Teergehalt (Gas geht durch Pyrolysezone)
--> Gasreinigung aufwendig
Hoher H2O-Gehalt (Gas läuft durch Trocknungszone)
114
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser - Gleichstromvergaser
Nenne die Vorteile eines Gleichstromvergasers! (1)
Geringer Teergehalt im Abgas
--> Gasreinigung einfach
115
Thermochemische Konversionsverfahren - Fettbettvergaser - Gleichstromvergaser
Nenne die Nachteile eines Gleichstromvergasers! (4)
Geringer Wirkungsgrad (hohe Abgastemperatur und schlechte Einkopplung der Wärme in Pyrolysezone)
Hohe Anforderungen an Stückigkeit und Wassergehalt (gleichmäßige Temperaturverteilung)
Höhere Gefahr der Schlackebildung
Notwendigkeit einer gasdruchlässigen Koksschicht
116
Thermochemische Konversionsverfahren - Produktgaszusammensetzung / Vergasungsmittel Luft
Je nach Vergasertyp liegen unterschiedliche Produktgaszusammensetzungen vor! (siehe slide 62+63)
...
117
Thermochemische Konversionsverfahren - Gasreinigung und Gasaufbereitung
Welche primären Maßnahmen gibt es, um eine Gasreinigung und Gasaufbereitung zu verhindern?
((Herstellung von teerarmen, qualitativ hochwertigem Brenngas durch?)
Einsatz mehrstufiger Vergaser
-> kontrollierbare Zustände in den einzelnen Stufen möglich
Einsatz von katalytisch aktiven Materialien direkt im Vergaser
118
Thermochemische Konversionsverfahren - Gasreinigung und Gasaufbereitung
Welche sekundären (nach dem Vergaser) Maßnahmen gibt es, um eine Gasreinigung und Gasaufbereitung durchzuführen?
Einsatz von Zyklonen
Einsatz von Gewebefiltern
Absorption durch z.B. Wäscher oder Nassabscheider
Elektroabscheider
119
Sekundäre Maßnahmen (also nach dem Vergaser) zur Gasreinigung und Gasaufbereitung
Tabelle auf slide 65 durchgehen!!
...
120
Thermochemische Konversionsverfahren - Verbrennung
Als Verbrennung werden alle Prozesse bezeichnet in denen?
Endprodukte?
alle vier Verfahrensstufen (Trocknung, Pyrolyse, Oxidation) vollständig durchlaufen werden.
--> Endprodukte:
- Wärme
- Abgas (Kohlendioxid, Wasserdampf)
(slide 67)
121
Thermochemische Konversionsverfahren - Verbrennung
Verschiedene Verbrennungsprozesse
--> siehe slide 68!!
...
122
Thermochemische Konversionsverfahren - Industrielle Verbrennungsprinzipien
Nenne 4!
Festbettverbrennung
stationäre Wirbelschichtfeuerung
zirkulierende Wirbelschichtfeuerung
Flugstromfeuerung
--> Die Reaktoren arbeiten genauso wie bei der Vergasung oder der Pyrolyse nur das jetzt noch die Verbrennung stattfindet!
--> siehe slide 69!!
123
Thermochemische Konversionsverfahren - Vorschub-Rostfeuerung
Großteilige Biomassesegmente bewegen sich auf einem Vorschubrost fort.
slide 70 beschriften!!
...
124
Thermochemische Konversionsverfahren - Zigarrenbrenner für (Stroh-)Ballen
slide 71 beschriften
...
125
Rechne die Übungen zu Biomasse durch!
...
126
Warum wird Biogas genutzt obwohl es im Vergleich zur Photovoltaik einen sehr deutlich geringeren Wirkungsgrad hat? (Stromerzeugung)
Biogas wird trotz des deutlich geringeren Wirkungsgrades (bei Verstromung) genutzt, weil Biogas nicht nur zur Stromerzeugung genutzt werden kann, sondern auch noch als alternativer Treibstoff oder in einem BHKW oder in einer Gastherme zur Erzeugung von Wärme zum Heizen.
127
?? Verbrennung
--> Benötigte Energie wird nicht von außen hinzugefügt, sondern geht aus der Verbrennung eines Teils der Biomasse hervor
Autotherme
128
Aufgabe mit Vergaser
--> Berechnung des Heizwertes des ergebenden Produktgases
--> Fall 1: unter Verwendung von Luft
--> Fall 2: unter Verwendung von Sauerstoff
--> bei vorliegender Zusammensetzung ist der Heizwert des ergebenden Produktgases unter Verwendung von Sauerstoff deutlich höher als unter Verwendung von Luft
Dennoch lohnt sich die Verwendung von Sauerstoff zur Herstellung des vorliegenden Produktgases nur in welchem Fall? und warum?
Nur dann wenn reiner Sauerstoff bereits zur Verfügung steht
--> z.B. als Abgasprodukt eines Prozessschrittes wie es beispielsweise bei der Herstellung von Wasserstoff mittels Elektrolyse der Fall ist
Warum?
--> Weil die Produktion von reinem Sauerstoff deutlich mehr Energie erfordert als durch den höheren Heizwert bei der Verwendung von Sauerstoff statt Luft gewonnen werden könnte!
