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Gaserzeugung aus Biomasse

Dieses Forschungsprojekt ist eine Kooperation des Instituts für Chemische Technik – Bereich Thermische Abfallbehandlung (ITC-TAB) und des Instituts für Kern- und Energietechnik (IKET) beide Forschungszentrum Karlsruhe, und des Engler-Bunte-Instituts – Bereich Verbrennungstechnik (EBI-VT) der Universität Karlsruhe. Dieses Projekt ist Teil des Gesamtkonzepts zur Erzeugung von Kraftstoffen aus schnellwachsenden Restbiomassen.

In dem vom IKET behandelten Teil des Forschungsprojekts werden die Zerstäubungseigen-schaften und der Vergasungsvorgang von Biomasseslurries untersucht. Diese Slurries sind die Produkte (Pyrolyseöl und -koks) aus dezentralen Schnellpyrolyseanlagen, der 1. Stufe des im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelten zweistufigen Verfahrens.

Slurries können effizienter in einen Druckvergaser eingebracht werden als die ursprüngliche Biomasse, da Sie in flüssiger Form nicht komprimierbar sind und kein Trägergas benötigen. Die Technik des gewählten Flugstromdruckvergasers ist für Salzbraunkohle, einem Brennstoff, der hinsichtlich der Vergasung mit schnellwachsender Biomasse durchaus vergleichbar ist, langjährig erprobt.

Für grundlegende Untersuchungen der Zerstäubung wurde ein geeigneter Prüfstand und eine kleinere drucklose Vergaseranlage(VBK) aufgebaut.
Für die genauere Untersuchung des Sprays und die Entwicklung der Zerstäubungsdüse werden in Kooperation mit der Universität Karlsruhe, an dem dortigen Kaltversuchstand Parameterstudien zum Einfluss der Düsengeometrie, der Stoff- und Partikeleigenschaften und der Massenstromverhältnisse mit optischen Methoden durchgeführt.

Da Pyrolyseöle sehr viele verschiedene Komponenten enthalten und auch in ihren physikalischen Eigenschaften starken Schwankungen unterliegen, ist es für systematische Untersuchungen notwendig, eine Modellsubstanz einzusetzen. In einem parallel entwickelten numerischen Modell lassen sich durch dieses Vorgehen die Anzahl der chemischen Reaktions-Gleichungen und damit die Rechenzeiten klein halten. Daneben bietet ein Einkomponenten-Brennstoff die Möglichkeit, eine wesentlich genauere Bilanzierung des Vergasungsvorgangs durchzuführen, als dies mit einem „Stoffgemisch“ wie Pyrolyseöl möglich ist.
Zur Charakterisierung der Brennstoffeigenschaften werden eine Reihe weiterer Versuchsapparaturen und Einrichtungen ertüchtigt bzw. neu aufgebaut und Versuche durchgeführt.

So sind im Zündlabor des IKET Zündversuche mit Pyrolyseölen und Pyrolyseölslurries durchgeführt worden. Hinzu kamen Untersuchungen zum Flammpunkt und des Siedeverlaufs von Pyrolyseölen und Ethylenglykol sowie die Bestimmung der drei, für die Zerstäubung wichtigen physikalischen Eigenschaften: Viskosität, Dichte und Oberflächenspannung.
Zeitgleich wurde die Entwicklung eines Modells zur numerischen Simulation der Vergasung von Slurries aufgenommen und in das CFD-Programm FLUENT implementiert. Dadurch sind wir nun in der Lage die Vergasung partikelhaltiger Brennstoffe in der VBK zu berechnen. Als Ergebnis erhalten wir die Temperatur- und Speziesverteilung sowie die Gas- und Partikelgeschwindigkeit im Reaktionsraum. Diese werden mit den experimentell ermittelten Daten verglichen und zur Optimierung des numerischen Modells genutzt.

Fluent 1
 
Fluent 2
Fluent 3
   

Abb.5.3: Fluent Rechnung der Geschwindigkeitsverteilung mit 1e-5 Partikel und Tropfendurchmesser und 0,08 m (max. 125 m/s); 0,04m (max. 162 m/s); 0,028 m (327 m/s) Düsenquerschnitt (Austrittsgeschwindigkeit)