Experimentelle Untersuchung der Pyrolyse in einem Drehrohr als Bestandteil einer Vergasungsanlage mit Restkoksverbrennung

Neue mehrstufige Verfahrensansätze zur Vergasung von Einsatzstoffen mit hohem Flüchtigenanteil verzichten bewusst auf die kinetisch langsame Restkoksvergasung, um durch Verbrennung des entstehenden Kokses den Wärmebedarf für die Pyrolyse bereitzustellen. Im Unterschied zu einstufigen Vergasungsprozessen bietet sich für die Durchführung eines solchen Prozesses ein Drehrohrreaktor an.

Im Rahmen dieser Arbeit werden experimentelle Untersuchungen zur Pyrolyse von Einsatzstoffen mit hohem Flüchtigengehalt in einem Labor-Drehrohrreaktor durchgeführt. Mit Buchenholz wird ein typischer Vertreter der Biomassen und mit Trockenstabilat® ein abfallstämmiger Sekundärbrennstoff als Einsatzstoff ausgewählt.

Ziel der Untersuchung ist die Ermittlung der Stoff- und Energiebilanz der Pyrolyse in Abhängigkeit der Betriebsparameter des Drehrohrs. Der Prozess soll so betrieben werden, dass ein möglichst hoher Anteil des chemischen Energieinhalts der Einsatzstoffe in die Gasphase überführt wird. Gleichzeitig muss die erzeugte Menge an Restkoks ausreichen, um über die Verbrennung die Prozessenergie bereitzustellen.

Wesentliche Einflussgröße für die Produktverteilung ist die Drehrohrtemperatur. Die Versuche zeigen, dass bei hohen Temperaturen um 900°C hohe Kaltgaswirkungsgrade erzielt werden können. Die Gasqualität hinsichtlich der Teeranteile reicht jedoch nicht für eine direkte Nutzung in einem Gasmotor oder einer Gasturbine aus. Hier besteht Forschungsbedarf zum Einfluss homogener Sekundärreaktionen in der Gasphase in Abhängigkeit der Drehrohrlänge sowie zum Einfluss der Zugabe katalytischer Materialien zur Schüttung auf die Reduzierung der Teeranteile im Produktgas.

Auf der Basis der experimentell ermittelten Stoff- und Energiebilanzen werden mit einem mathematischen Modell unterschiedliche Verfahrenskonzepte zur Pyrolyse im Drehrohr mit Restkoksverbrennung untersucht. Die indirekte Beheizung des Drehrohrs über heiße Verbrennungsgase ist zur Erreichung hoher Pyrolysetemperaturen von 900°C nicht geeignet.

Vorgeschlagen wird ein Prozess, bei dem das Drehrohr und eine Verbrennungswirbelschicht über einen Kreislauf aus heißer Wirbelbettasche gekoppelt sind. Die in der Wirbelschicht aufgeheizte Asche und der zu pyrolysierende Einsatzstoff werden im Drehrohr aufgegeben. Das entstehende Pyrolysegas wird abgezogen; Asche und entstandener Restkoks werden in die Wirbelschichtfeuerung ausgetragen. Ausgehend von den Ergebnissen der experimentellen Untersuchungen wird der Einfluss einer weiteren Reduzierung der Teeranteile im Produktgas auf die Energiebilanz eines Verfahrens mit Pyrolyse im Drehrohr und Restkoksverbrennung in der Wirbelschicht durch eine chemische Gleichgewichtsberechnung untersucht. Für ein solches kombiniertes Verfahren werden für beide untersuchten Einsatzstoffe - Buchenholz und Trockenstabilat® - bei hohen Temperaturen um 900°C Kaltgaswirkungsgrade im Bereich von max. 70 % prognostiziert.