Was ist ein Biomassevergaser und wie funktioniert er?

Was ist ein Biomassevergaser?

A Biomassevergaser ist ein Reaktor, der festes organisches Material wie Holzspäne, Reishülsen oder landwirtschaftliche Abfälle durch teilweise Verbrennung in einer sauerstoffarmen Umgebung in ein brennbares Gasgemisch namens Produktionsgas (oder Synthesegas) umwandelt. Anstatt die Biomasse vollständig zu verbrennen, begrenzt der Vergaser die Sauerstoffzufuhr auf etwa 100 % 20–40 % dessen, was eine vollständige Verbrennung erfordern würde , wodurch das Material in Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Methan und andere Gase zerfällt, die dann in einem Motor, einer Turbine oder einem Brenner verbrannt werden können.

Dies ist von praktischer Bedeutung, da es Industrien und ländlichen Einrichtungen ermöglicht, Abfallstoffe, die andernfalls entsorgt würden, wie etwa Ernterückstände oder Holzabfälle, in nutzbare Wärme oder Elektrizität umzuwandeln. Ein gut konzipierter Fallstromvergaser, der mit trockenen Holzspänen betrieben wird, kann Folgendes erreichen: Kaltgaswirkungsgrad von 70-85 % Dies bedeutet, dass der größte Teil des ursprünglichen Energiegehalts der Biomasse im Ausgangsgas nutzbar ist und nicht bei der Umwandlung als Wärme verloren geht.

Wie Biomassevergasung funktioniert

In einem Vergaser bewegt sich die Biomasse beim Absinken oder Durchströmen des Reaktors durch vier verschiedene thermochemische Zonen. Das Verständnis dieser Phasen erklärt, warum der Feuchtigkeitsgehalt und die Partikelgröße des Ausgangsmaterials so wichtig für die Gesamtleistung sind.

Trockenzone

Bei 100–200 °C verdampft die in der Biomasse eingeschlossene Feuchtigkeit, bevor eine chemische Zersetzung beginnt. Rohstoffe mit einem Feuchtigkeitsgehalt von über 25 % zwingen den Vergaser dazu, einen unverhältnismäßig großen Teil seiner Wärme für die Trocknung des Materials aufzuwenden, was die nutzbare Gasleistung verringert.

Pyrolysezone

Zwischen 200 und 600 °C zersetzt sich die getrocknete Biomasse thermisch ohne Sauerstoff, wobei flüchtige Gase freigesetzt werden und Kohle zurückbleibt. In dieser Phase entstehen die meisten Teerverbindungen, die später im Gasreinigungssystem behandelt werden müssen.

Verbrennungszone

Eine begrenzte Menge an Luft, die hier eingeblasen wird, verbrennt einen Teil der Kohle und der flüchtigen Stoffe und erzeugt Temperaturen von 1.000–1.200 °C die die direkt darunter ablaufenden endothermen Reduktionsreaktionen antreiben.

Reduktionszone

Bei 700–900 °C reagieren Kohlendioxid und Wasserdampf mit der verbleibenden Kohle zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff, den beiden Gasen, aus denen das Produktionsgas den größten Teil seines Brennstoffwerts macht.

Arten von Biomassevergasern

Vergaser werden hauptsächlich danach klassifiziert, wie sich Luft und Brennstoff relativ zueinander durch den Reaktor bewegen. Jedes Design bringt unterschiedliche Kompromisse in Bezug auf Teerausstoß, Zundereignung und Rohstofftoleranz mit sich.

Zur Stromerzeugung durch einen Motor, Fallstromvergaser sind die am weitesten verbreitete Bauart denn ihr geringer Teerausstoß reduziert die Belastung der Gasreinigungsanlagen und schützt Motorkomponenten vor Verschmutzung.

Rohstoffoptionen und ihre Leistung

Nicht jede Biomasse leistet in einem Vergaser die gleiche Leistung. Feuchtigkeitsgehalt, Aschegehalt und Heizwert bestimmen zusammen, wie viel nutzbares Gas ein bestimmter Rohstoff produzieren wird.

Als praktische Regel gilt, dass das Ausgangsmaterial bis zu einer Temperatur von darunter getrocknet werden sollte 20 % Feuchtigkeitsgehalt vor Eintritt in die meisten Fallstromvergaser, da feuchteres Material den Heizwert des Gases senkt und die Verbrennungszone während des Betriebs vollständig löschen kann.

Zusammensetzung des Produzentengases und Energieabgabe

Das Gas, das einen Biomassevergaser verlässt, ist eine Mischung aus brennbaren und inerten Komponenten. Sein genaues Verhältnis hängt von der Beschickung und dem Vergaserdesign ab, die typische Downdraft-Leistung liegt jedoch in einem ziemlich konstanten Bereich.

Aufgrund dieser Zusammensetzung hat das Produktionsgas einen Heizwert von ca 4,5-5,5 MJ/Nm³ , viel niedriger als bei Erdgas, aber immer noch ausreichend, um einen Ottomotor zu betreiben, wenn er mit dem richtigen Luft-Kraftstoff-Verhältnis versorgt wird, was normalerweise eine Leistungsreduzierung der Motoren um 20–30 % im Vergleich zu ihrer Nennleistung bei Erdgas erfordert.

Anwendungen von Biomassevergasern

Das Produktionsgas aus einem Biomassevergaser kann je nach Umfang und Endziel der Anlage auf verschiedene Arten verwendet werden.

• Stromerzeugung – Erzeugergas treibt einen modifizierten Verbrennungsmotor an, der an einen Generator angeschlossen ist, was in Systemen von 10 kW bis 2 MW üblich ist
• Thermische Anwendungen – direkte Verbrennung von Produktionsgas in Öfen, Öfen oder Kesseln für Branchen wie Ziegelherstellung, Lebensmitteltrocknung und Textilverarbeitung
• Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) – die Abwärme aus dem Abgas- und Kühlsystem des Motors wird zur Trocknung oder Raumheizung zusammen mit der Stromerzeugung erfasst
• Ländliche Koch- und Gemeinschafts-Mikronetze – kleine Festbettvergaser versorgen isolierte Gemeinden, die nicht an ein nationales Stromnetz angeschlossen sind, mit Kochgas oder versorgen sie mit Strom
• Synthesegas-zu-Chemikalien – in größeren Wirbelschichtsystemen kann das Produktionsgas durch zusätzliche katalytische Schritte zu Methanol oder synthetischen Kraftstoffen weiterverarbeitet werden

Unter diesen ist die dezentrale Stromerzeugung im Bereich von 100 kW bis 1 MW nach wie vor die häufigste kommerzielle Anwendung, insbesondere für Anlagen wie Reismühlen oder Sägewerke, die bereits vor Ort Biomasseabfälle als Nebenprodukt erzeugen.

Wichtige Leistungskennzahlen zur Bewertung

Beim Vergleich von Vergasersystemen oder Anbietern geben einige wenige Kennzahlen Aufschluss darüber, ob ein bestimmtes Design unter realen Betriebsbedingungen und nicht nur unter idealen Laborbedingungen zuverlässig funktioniert.

Kaltgaseffizienz

Dies misst den Prozentsatz des Energiegehalts der Biomasse, der im gekühlten, gereinigten Produktionsgas landet. Gut konzipierte Downdraft-Systeme erreichen 70-85 % , während schlecht isolierte oder überdimensionierte Einheiten unter 60 % fallen können.

Spezifische Vergasungsrate

Ausgedrückt in kg verbrauchter Biomasse pro Stunde und Quadratmeter Reaktorquerschnitt, bestimmt dies, wie kompakt ein Vergaser für eine bestimmte Leistungsabgabe sein kann, die typischerweise zwischen 100 und 300 kg/h/m² liegt.

Turndown-Verhältnis

Dies gibt an, wie weit die Leistung gegenüber der Spitzenkapazität reduziert werden kann und gleichzeitig eine stabile Vergasung aufrechterhalten werden kann, wobei die meisten Festbettkonstruktionen a unterstützen Turndown-Verhältnis 3:1 bis 4:1 bevor sich die Gasqualität verschlechtert.

Gemeinsame betriebliche Herausforderungen und Lösungen

Die meiste Minderleistung von Vergasern ist auf eine Handvoll wiederkehrender Betriebsprobleme zurückzuführen, für die es jeweils einen gut etablierten Minderungsansatz gibt.

1. Teerverschmutzung in nachgeschalteten Geräten, die mit einem mehrstufigen Reinigungsstrang, der Zyklonabscheider, Wasserwäscher und Gewebefilter kombiniert, behoben wird
2. Inkonsistente Rohstofffeuchtigkeit, die durch Vortrocknung der Biomasse auf einen Zielbereich mithilfe der aus dem Vergaser oder den Motorabgasen gewonnenen Abwärme behoben wird
3. Asche- und Klinkerbildung bei hohen Temperaturen, dem durch die Auswahl von Rohstoffen mit einem Aschegehalt unter 5 % und der Installation eines rotierenden Rosts zur Ascheentfernung entgegengewirkt wird
4. Die Bildung von Brücken und die Kanalisierung des Kraftstoffs im Trichter werden durch die richtige Partikelgröße (normalerweise 20–100 mm) und mechanische Rührsysteme verhindert
5. Motorverschleiß durch Restpartikel, dem durch Hinzufügen einer letzten Feinfiltrationsstufe begegnet wird, bevor das Gas den Motoreinlass erreicht

Betriebe, die auf einen ordnungsgemäßen Gasreinigungszug verzichten, berichten, dass die Wartungsintervalle für Motoren unter dem Normalwert liegen 4.000-6.000 Betriebsstunden bis unter 1.000 Stunden Damit ist das Reinigungssystem eine der wertvollsten Investitionen in der gesamten Anlage.

Überlegungen zu Kosten und Amortisation

Die Kapitalkosten für ein komplettes Biomassevergasungs-Energiesystem, einschließlich Vergaser, Gasreinigungsanlage und Motor-Generator-Satz, liegen typischerweise zwischen 800 bis 1.500 US-Dollar pro kW der installierten Kapazität, wobei kleinere Systeme aufgrund des festen Anlagenaufwands höhere Kosten pro kW verursachen.

Bei der Verwendung von Abfallbiomasse vor Ort werden die Betriebskosten von der Handhabung und Aufbereitung des Rohmaterials und nicht vom Rohmaterial selbst dominiert, da das Material praktisch frei sein kann, während Trocknung, Zerkleinerung und Transport den Großteil der laufenden Kosten ausmachen. Für Anlagen, die die Dieselerzeugung ersetzen, beträgt die Amortisationszeit 2 bis 4 Jahre werden häufig gemeldet, wenn die Dieselkosten 0,80 US-Dollar pro Liter übersteigen und bereits ein stetiger Abfallstrom aus Biomasse vorhanden ist.

So wählen Sie das richtige Biomassevergasersystem aus

Die Auswahl eines geeigneten Systems hängt davon ab, ob Design und Größe des Vergasers an den verfügbaren Rohstoff und die beabsichtigte Endverwendung angepasst sind, und nicht nur auf der Grundlage der Kapazität.

• Bestätigen Sie, dass der Vergasertyp zu Ihrem vorherrschenden Ausgangsmaterial passt. Loses Material mit geringer Dichte wie Reisschalen benötigt oft ein Wirbelbett statt einer Festbett-Absaugeinheit
• Stellen Sie sicher, dass der Anbieter eine vollständige Spezifikation für die Gasreinigungsanlage bereitstellt und nicht nur den Vergaserreaktor, da die Handhabung des Teers die Zuverlässigkeit in der Praxis bestimmt
• Fordern Sie tatsächliche Kaltgaseffizienzdaten von einer Referenzanlage mit ähnlichem Ausgangsmaterial an, anstatt sich nur auf theoretische Konstruktionszahlen zu verlassen
• Bewerten Sie die Konsistenz der Rohstoffversorgung das ganze Jahr über, da saisonale landwirtschaftliche Reststoffe möglicherweise Lagerkapazität oder einen sekundären Rohstoff erfordern, um Ausfallzeiten zu vermeiden
• Prüfen Sie vorab die Motorkompatibilität und die Anforderungen an die Leistungsreduzierung, da nicht alle Diesel- oder Gasmotoren ohne Modifikation auf den Generatorgasbetrieb umgestellt werden können

Systeme, die von Anfang an richtig dimensioniert und auf die Eigenschaften des Ausgangsmaterials abgestimmt sind, übertreffen durchweg die Systeme, die allein aufgrund der Kapazitätszahlen ausgewählt wurden, da die Leistung des Vergasers viel stärker von der Brennstoffqualität abhängt als die meisten anderen Technologien zur thermischen Stromerzeugung.