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Technische Universität Darmstadt
Fachbereich Maschinenbau

Institut Energiesysteme und Energietechnik
Prof. Dr.-Ing. Bernd Epple

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BMU - Torrefaction

Torrefaction - Qualifizierung torrefizierter biogener Reststoffe für den Einsatz in Kraftwerksfeuerungen

Projektpartner

Mainova, Kraftwerk Mehrum, Torkapparater, Pillard

Ziel

Ziel des Projekts ist es, torrefizierte, biogene Reststoffe für den großtechnischen Einsatz in Kraftwerks-feuerungen zu qualifizieren.

Die Mitverbrennung von Biomasse in Großfeuerungen bietet die Möglichkeit, einen Teil des Stroms CO 2-neutral und mit hohem Wirkungsgrad zu erzeugen. Nur die während des Wachstums aufgenommene Menge an Kohlendioxid wird bei der Verbrennung von Biomasse freigesetzt. Beim Einsatz von biogenen Reststoffen (Abbildung 1, links) kann zudem eine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion vermieden werden, allerdings erfüllen Reststoffe im Allgemeinen nicht die Anforderungen der Kraftwerksbetreiber an Homo-genität und Qualität des Brennstoffs. Eine Möglichkeit, biogene Reststoffe aufzubereiten, bietet dabei die Torrefizierung.

Figure 1: Biomasse Figure 1: Biomasse torrefiziert
Abbildung 1: Links: Biogene Reststoffe (Straßenbegleitschnitt); Rechts: Torrefizierte Biomasse

 

Verfahren

Bei der Torrefizierung wird die Biomasse unter Sauerstoff-Abschluss auf Temperaturen von ca. 200-300 °C erhitzt, wobei vor allem niederkalorische Stoffe und Wasser freigesetzt werden (Abbildung 2). Dadurch er-höht sich der spezifische Heizwert und es verbessern sich die Mahlbarkeit sowie die Lagereigenschaften der Biomasse. Durch eine Pelletisierung verringern sich deutlich das Volumen und somit die Transportkosten für den biogenen Brennstoff. Somit kann Biomasse auch für die großtechnische Stromerzeugung mit hohem Wirkungsgrad wirtschaftlich genutzt werden. Im Rahmen des Projekts soll mit Hilfe von Technikumsanlagen und numerischer Simulation untersucht werden, welchen Einfluss die torrefizierte Biomasse auf den Ver-brennungsprozess hat.

Figure 2: Biomasse
Abbildung 2: Torrefizierungsprozess

Forschung

Im Vorhaben zur Torrefizierung soll ein Hauptaugenmerk auf die Verbrennungseigenschaften wie Zündfähig-keit, Koksausbrand und Emissionen gelegt werden. Ferner wird auf die Vermeidung von Ablagerungen an mineralischen Begleitstoffen und Vermeidung von Korrosionserscheinungen an den Heizflächen der Anlage geachtet. Außerdem soll der Gesamtprozess hinsichtlich CO 2-Bilanz und Wirtschaftlichkeit bewertet werden.

Am EST existiert ein Batchreaktor zur Torrefizierung biogener Reststoffe bei verschiedenen Parametern für weitere Untersuchungen. Der Reaktor ist als zylindrisches Rohr mit 50 mm Innendurchmesser und 1000 mm Länge ausgeführt. Über elektrische Heizungen wird der Reaktor über die Reaktorwand direkt oder indirekt über das eintretende Gas beheizt. Die Trocknung erfolgt mit vorgeheizter Druckluft, während die Torre-fizierung und abschließende Kühlung der Biomasse hauptsächlich in Stickstoffatmosphäre geschieht. Perm-anentgase im Abgas sowie Teerbestandteile werden mit einer Gasanalyse bzw. einer Gaschromatograph-Massenspektrometer-Kombination (GC/MS) gemessen. Abbildung 3 zeigt den Batchreaktor des EST.

Abbildung 3: Batchreaktor des EST

Abbildung 3: Batchreaktor des EST

Mittels TGA werden reaktionskinetische Parameter verschiedener Proben torrefizierter Biomasse ermittelt. Die Proben werden mit defnierter Atmosphäre und Heizrate auf bis zu 900 °C aufgeheizt, während mittels einer Waage der Masseverlust aufgezeichnet wird. Pyrolyse und Koksabbrand können durch Einstellen einer inerten bzw. oxidativen Atmosphäre getrennt betrachtet werden. Aus der Geschwindigkeit der Massenabnahme können die formalen reaktionskinetischen Parameter Aktivierungsenergie, Stoßfaktor und Reaktionsordnung nach dem Arrheniusansatz bestimmt werden. In Abbildung 4 ist das Arrheniusdiagramm eines Versuchs dargestellt. Aus der Steigung der Gerade können Aktivierungsenergie und Stoßfaktor ermittelt werden.

Abbildung 4: Arrhenius-Diagramm der Pyrolyse eines biogenen Reststoffs

Abbildung 4: Arrheniusdiagramm der Pyrolyse eines biogenen Reststoffs. Für die drei Komponenten Lignin, Cellulose und Hemicellulose ist jeweils die Ausgleichsgerade dargestellt. 

In der 1 MW Staubfeuerung des EST werden Mischungen aus Steinkohle und torrefizierter Biomasse verbrannt. Die Mischungen werden vorher in einer Prall-Sichter-Mühle zerkleinert. Bei der Verbrennung der staubförmigen Brennstoffe werden Gaszusammensetzung, Flammenstabilität und Koksausbrand gemessen. Mit einer Gasentnahmesonde wird Gas aus dem Feuerraum entnommen und ein Profil der Gaszusammensetzung in der Flamme erstellt.

 

Publikationen, Vorträge, finale Berichte

  • Alobaid F., Busch J.-P., Ströhle J., Epple B. Investigations on torrefied biomass for the co-combustion in pulverized fired furnaces. VGB-Powertech (S. 50-55) 11/2012.
  • Busch J.-P., Alobaid F., Ströhle J., Epple B. Ermittlung der Reaktionskinetik unterschiedlicher, torrefizierter Biomassen. Konferenz Energetische Biomassenutzung - Neue Technologien und Konzepte für die Bioenergie der Zukunft, Berlin, 05.-06. November 2012.
  • B. Epple, J. Ströhle, F. Alobaid, J.-P. Busch. Experimentelle und Numerische Untersuchungen zur Mitverbrennung torrefizierter Biomasse in Kraftwerksfeuerungen, VGB-Fachtagung „Dampferzeuger, Industrie- und Heizkraftwerke 2012“, Garmisch-Partenkirchen, 2012.
  • J.-P. Busch, F. Alobaid, J. Ströhle, B. Epple: Charakterisierung torrefizierter biogener Reststoffe hinsichtlich der Mitverbrennung in Großfeuerungen, 26. Deutscher Flammentag, Duisburg, 2013.
  • Alexander Stroh, Falah Alobaid, Jan-Peter Busch, Jochen Ströhle, Bernd Epple: 3-D numerical simulation for co-firing of torrefied biomass in a pulverized-fired 1 MWth combustion chamber. Energy (2015)
  • J.-P. Busch, F. Alobaid, A. Stroh, J. Ströhle, B. Epple: Qualifizierung torrefizierter biogener Reststoffe für den Einsatz in Kraftwerksfeuerungen. Schlussbericht zum BMU Forschungsvorhaben: Energetische Biomassenutzung (2010-2014)

Ehemalige Studenten

  • Orkan Akpinar (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Michael Augst (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Joachim Bohn (Bachelorthsis, Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen, Fachrichtung Maschinenbau)
  • Sebastian Brulin (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Patrick Daniel (Masterthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Simon Eckart (Masterthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Lukas Egetmeyer (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Laia Vernet Esquerda (Masterthesis, Erasmusstudentin, Spanien)
  • Theodoros Giakovis (Bachelorthesis, Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen, Fachrichtung Maschinenbau)
  • Stefan Hay (Studienarbeit, Fachbereich Maschinenbau)
  • Dominik Hötl (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Matthias Jakob (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Alexander Kinnel (Studienarbeit, Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen, Fachrichtung Maschinenbau)
  • Verena Kohl (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Andreas Müller (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Heiko Ranzau (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Jakob Schilling (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Patrick Schirmer (Studienarbeit, Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen, Fachrichtung Maschinenbau)
  • Christian Schorr (Bachelorthesis, Studiengang Umweltschutz, FH Bingen)
  • Christian Schröder (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
  • Gunnar Vorwerk-Handing (Bachelorthesis, Fachbereich Maschinenbau)
Zuletzt aktualisiert am Montag, 14. September 2015 um 10:28 Uhr