Das Verfahren

Im ersten Schritt werden die Holzhackschnitzel getrocknet, bevor sie während der Vergasung verschiedene Phasen durchlaufen. Hauptbestandteil sind dabei die Doppelfeuervergasungsreaktoren. Durch eine kontinuierliche Verfahrensprüfung wird die Qualität überprüft und stabil gehalten. Der Prozess wird durch die Reinigung des Holzgases abgeschlossen, das sodann im BHKW verstromt wird.

Teilprozesse der Vergasung
Teilprozesse der Vergasung
Fließschema
Fließschema

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GTS Syngas - Holzgasanlagen

GTS Syngas - Holzgasanlagen


Trocknung

Trocknung der Holzhackschnitzel

Die Trocknung der Holzhackschnitzel oder des geschredderten Altholzes auf eine Restfeuchte von ca. 10% atro erfolgt in der Regel auf dem Schubboden. Bei besonders feuchtem Ausgangsmaterial wie z.B. frischem Waldholz empfiehlt sich eine Vortrocknung durch die Belüftung des überdachten Hackschnitzellagers. Diese Lagerbelüftung ist auch erforderlich um eine Erwärmung und damit einhergehenden Qualitätsverlust der Hackschnitzel zu vermeiden. Bei der Verwendung von Altholz ist dieses nicht erforderlich, da der Restfeuchtegehalt normalerweise zwischen 20% und 30% liegt und die Ware damit Lagerstabil ist. Die Restfeuchte im Altholz entstammt größtenteils dem während des Abrisses von Bauholz und beim Schreddern zugesetztem Wasser (Staubreduktion). Auch bei der Lagerung im Freien nimmt die Holzfeuchte zu.


Verstromung

Prozess thermochemische Holzverstromung


Trocknungszone (20 – 150 °C):

Die Hackschnitzel werden in der Trocknungszone von 10 – 15% atro auf 0% Brennstofffeuchte getrocknet. Das frei gesetzte Wasser verbleibt im Prozess und die Hackschnitzel unterliegen keiner chemischen Veränderung. Es treten jedoch abhängig von der Aufheizrate Mikro­risse und ähnliche physikalische Veränderungen auf.


Pyrolysezone (150 – 500 °C):

In dieser Zone erfolgt unter Luftabschluss die thermisch induzierte, pyrolytische Zersetzung der Makromolekühle (Zellulose, Hemizellulose und Lignin). Im Temperaturbereich von 200 bis 300 °C werden die Makromoleküle aufgebrochen und damit irreversibel zerstört. Es entstehen flüchtige Gase (z. B. CO2, H2 und CH4) und organische Dämpfe. Bei diesen Dämpfen handelt es sich um Kohlenwasserstoffverbindungen wie zum Beispiel Teer und Aromaten, die bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck auskondensieren und als Pyrolyseöl anfallen. Bei 400 bis 500 °C ist die pyrolytische Zersetzung von Holz weitgehend abgeschlossen. Bei dieser Temperatur sind ungefähr 80% des Materials in gas- und dampfförmige Produkte umgesetzt worden. Als Rest bleibt fester Pyrolysekoks übrig, welcher aus Kohlenstoff und Asche besteht.


Oxidationszone (500 – 1300 °C):

Die für die Vergasung und Pyrolyse benötigte Wärmeenergie wird durch eine Teil­verbrennung der Pyrolyseprodukte erzeugt. Diese findet dort statt, wo auch das Vergasungsmittel (Luft) zugeführt wird, nämlich im mittleren und unteren Teil des Reaktors. Die möglichst gleichmäßige Ausbildung der heißen Zone ist für die Gasqualität von entscheidender Bedeutung da das thermische Cracken der langkettigen Kohlenwasserstoffe (Teere) nur hier stattfinden kann. 


Reduktionszone (800 – 1100 °C):

Der Hauptteil der brennbaren Bestandteile des Produktgases wird in der Reduktionszone gebildet. Wasserdampf und Kohlenstoffdioxid werden mit festem Kohlenstoff zu Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid reduziert. Dabei laufen unter anderem die Boudouardreaktion und die heterogene Wassergasreaktion ab. Daneben finden noch eine Reihe weiterer Reaktionen, wie die heterogene Methanbildungsreaktion oder die homogene Wassergasreaktion. Dieses sind zudem leichgewichtsreaktionen in Abhängigkeit von Druck und Temperatur. Da sich die Gleichgewichte der wesentlichen Reaktio­nen bei Temperaturen um 900 °C nahezu vollständig in die gewünschte Richtung verschieben, ist eine ausreichende Wärmezufuhr in die Reduktionszone erforder­lich.


Reaktoren

Reaktoren als Herzstück

Reaktor
Reaktor
Reaktor Schema
Reaktor Schema

Der Doppelfeuervergasungsreaktor ist im Wesentlichen aufgebaut wie ein Gleichstromreaktor. Er verfügt jedoch über eine weitere Oxidationszone in der Höhe des Reaktorrostes. Dadurch wird der Ausbrand der Hackschnitzel optimiert und der Kohlenstoffanteil in der Asche liegt unter 5%, sodass diese problemlos deponiert werden kann. Darüber hinaus können auf diese Weise die Temperaturen in der Reduktionszone im optimalen Bereich gehalten werden. Der Reaktor ist stets bis zur Schleuse gefüllt. Im Unteren Teil befindet sich Asche, darüber Holzkohle und zuoberst Hackschnitzel. Diese durchlaufen anschließend die einzelnen Zonen im Reaktor. Die Vergasungsreaktoren sind als Festbettreaktoren mit diskontinuierlicher Beschickung konstruiert. Sie arbeiten nach dem sogenannten Doppelfeuerprinzip mit zwei Oxidationszonen. Dabei findet im Reaktor als erster Schritt eine Pyrolyse der Holzhackschnitzel statt, deren Produkte dann kontinuierlich in die erste Oxidationszone gelangen. Danach passieren die Verbrennungsgase eine Reduktionszone, in der Luftmangel herrscht und anschließend erneut eine – zweite – Oxidationszone. Bei dem Prozess wird der Kohlenstoff vollständig zu einem Schwachgas, dem Holzgas, umgesetzt, das überwiegend aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff sowie Stickstoff aus der zugeführten Luft besteht und anschließend im Bhkw verstromt wird. In den Oxidationszonen wird genau so viel Luft zugeführt, dass keine Kohle, sondern nur eine rein mineralische Asche übrigbleibt. 


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Reaktor Sirion

Reaktor Sirion 200kW


Holzgasreinigung

Holzgasreinigung

Das bei der thermochemischen Vergasung entstehende Rohgas genügt hinsichtlich seiner Reinheit und Temperatur nicht den Ansprüchen der motorischen Nutzung in einem BHKW. Es wird eine dreistufige Gasaufbereitung eingesetzt, welche aus folgenden Einheiten besteht:

  • Rohgaskühler
  • Filter
  • Reingaskühler (Wäscher)

Fackel im Betrieb mit Roh- und Reingas
Fackel im Betrieb mit Roh- und Reingas

Fackel im Betrieb mit Roh- und Reingas. Die äußeren Brenner zeigen eine blaue Flamme. Der Rohgasbrenner in der Mitte brennt mit deutlich gelb gefärbter Flamme.


Rohgaskühle
Rohgaskühle
Filter
Filter

Aufgrund der optimierten Reaktorgeometrie der Serie III kann auf den Einsatz eines Zyklons zur Partikelabscheidung verzichtet werden. Demzufolge fällt auch keine zu entsorgende Zyklonasche an. Insgesamt arbeitet die Gasaufbereitung kondensatfrei und es fällt ausschließlich die Filterasche als Ausschussmaterial an. Im Folgenden werden die einzelnen Stufen der Gasaufbereitung vorgestellt.

Das Rohgas tritt mit ca. 650 °C aus dem Reaktor aus. Die Abkühlung auf ca. 170 °C erfolgt mit einem Rohrbündelwärmetauscher. Die besondere Herausforderung liegt in der Vermeidung von unerwünschten Kondensationen im Wärmetauscher.

Staubbeladungen im Rohgas werden über einen Gewebefilter abgeschieden, welcher unter anderem auch in der Rauchgasreinigung Verwendung findet. Durch saure Kondensattropfen und Kohlenwasserstoffverbindungen, die bei einer Temperatur von über 160 °C auskondensieren, kann es an dieser Stelle zu Verstopfungen kommen. Daher werden die speziellen Gewebe zuvor behandelt.  Für das sogenannten Precoating wird dem Filter eine angepasste Dosierstation in Kombination mit einer Rezirkulierung vorgeschaltet. Als Precoatingmittel kommt entweder Kalk oder Sorbalit (Mischung aus Kalk und Aktivkohle) zum Einsatz. Die Abreinigung erfolgt abhängig vom Differenzdruck mit Druckstößen.


Reingaskühlung (Wäscher)

Wäscher
Wäscher

Schließlich muss die Temperatur des gefilterten Rohgases auf ein für den Motor angepasstes Niveau eingestellt werden. Dieses liegt für Gasmotoren im BHKW bei 40 °C. Die Kühlung erfolgt mit einem Wäscherkühler. Die Eintrittstemperatur liegt bei ca. 140 °C. Es kann wahlweise mit Wasser oder RME gekühlt werden.

Der Vorteil der Nasskühlung liegt in der effizienten Abscheidung auskondensierter Bestandteile wie Teer und Wasser. Diese werden anschließend in den Reaktor rezirkuliert. Dadurch muss an dieser Stelle kein anfallendes Kondensat entsorgt werden. Das rezirkulierte Kondensat wird im Reaktor erneut vergast und dem, für die Gasqualität positiven, thermischen Einfluss in der Oxidationszone ausgesetzt. Für die Funktion des geschlossenen Rezirkulationskreislaufes ist die Einhaltung der vorgeschriebenen Brennstofffeuchte unerlässlich, da der Kondensatanfall bei Überschreitung zu groß wird.



Strom und Wärme aus Holz

Strom und Wärme aus Holz

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