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  Holzvergasungs-Technologie

 

2.2 Gasaufbereitung und -verwertung

Holzgas besteht bei der Verwendung von Luft als Vergasungsmittel zu einem großen Teil aus Stickstoff und Kohlendioxid, während der Heizwert durch den Gehalt an den brennbaren Gasen Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2) und in geringen Mengen Methan (CH4) bestimmt wird. Es ist im Normalzustand schon ein sogenanntes „Schwachgas“, also ein Gas mit einem Heizwert, der mit etwa 1,2 Kilo-wattstunden pro Kubikmeter weit unter dem von Erdgas (ca. 10 kWh/m³) liegt.

Kühlungs- und Reinigungstechnik nur in Kombination festzulegen

Reststoffe als Kostenfaktor bei Reinigungstechnik

Einsatz einer Gasfackel zur Verbrennung von Holzgas aus den An- und Abfahrphasen

In heißem Zustand - die Temperatur des Produktgases liegt beim Austritt aus einem Gleichstromvergaser bei mehreren Hundert Grad Celsius - ist die Energiedichte, also der Heizwert pro Volumeneinheit, aber nochmals deutlich niedriger. Eine Kühlung ist daher nicht nur notwendig, um die thermischen Belastungsgrenzen eines Motors nicht zu überschreiten, sondern auch, um die ohnehin beim Einsatz von Schwachgas reduzierte Motorleistung nicht noch weiter herabzusetzen. Bei der Verwertung in einer Gasturbine könnte auf eine Kühlung des Gases verzichtet werden, jedoch sind diese Aggregate im betrachteten Leistungsbereich, sogenannte Mikrogasturbinen, für Holzgas nicht verfügbar.

 


2.2.1 Gasaufbereitung

In der Regel muss damit gerechnet werden, dass im Produktgas nennenswerte Mengen Teer enthalten sind. Bei der Auswahl der Techniken zur Kühlung und Reinigung muss dies berücksichtigt werden, da bei der Abkühlung des Gases auf die für einen Motor notwendige Temperatur der Taupunkt der Teere unterschritten wird und diese damit wieder aus der Gasphase auskondensieren. Auskondensierende Teere bilden eine zähflüssige, klebrige Masse, die, je nachdem, wo sie sich ansammelt, Störungen oder gar Zerstörungen der Komponenten verursachen kann. Damit ist der Einsatz von herkömmlichen Abgaswärmetauschern zur Holzgaskühlung in vielen Fällen nicht ohne Weiteres möglich.
Während bei großen Vergasungsanlagen die Investition in sehr aufwändige Reinigungs und -kühlungsmaßnahmen wie z. B. Nasselektrofilter oder Quenchen in Frage kommt, werden bei kleinen Holzvergasungsanlagen aus Kostengründen häufig einfachere Verfahren favorisiert. Eine erste Kühlungsstufe wird meist vor jedem Reinigungssystem installiert. Darauf folgt entweder ein Filtersystem für heiße Produktgase oder weitere Kühlungsstufen und im Anschluss ein Reinigungssystem für abgekühltes Holzgas. Bei kleinen Holzvergasungsanlagen beschränkt sich die Gasreinigung in der Regel auf die Entfernung von Staub und Teer. Die Beurteilung der Technologien kann anhand des Verhältnisses von Investitions- und Betriebskosten zur erreichbaren Gasreinheit erfolgen. Darin einbezogen ist die Bewertung der dauerhaften Funktionsfähigkeit, der Nutzungsdauer und der Kosten für die Entsorgung der entstehenden Reststoffe.


Trockene Gasreinigungsverfahren

Das Entfernen von Staub aus dem heißen Produktgas ist mit verschiedenen Filtersystemen möglich. Störende Wirkungen von Teeren durch deren Auskondensation können allerdings nur dann relativ sicher vermieden werden, wenn Temperaturen von über 400 °C eingehalten werden können. Dafür kommen Heißgaszyklone in Frage, die mittels Fliehkraft einen hohen Anteil des groben Staubs entfernen können und häufig als erste Reinigungsstufe installiert werden. Heißgas-Elektrofilter kommen aufgrund der meist hohen Investitionskosten in der Regel für kleine Holzvergasungsanlagen nicht in Frage. Auch über 400 °C eingesetzt werden können keramische Filter, deren Lebensdauer, die sogenannte Standzeit, allerdings für Holzgas noch nicht ausreichend geklärt ist. Da zudem der Ersatz der darin verwendeten Filterkerzen sehr teuer ist, kommt als weitere Möglichkeit die Nutzung eines Gewebefilters in Betracht, der allerdings in der Regel nur bis zu einem Temperaturniveau von 250 °C angeboten wird. Um eine von Beginn an gute Filterwirkung zu erzielen und gleichzeitig ein irreversibles Eindringen von Teer in die Filtergewebeschichten zu verhindern, kann ein beschichteter Filter zum Einsatz kommen (sogenanntes Precoating).

Beim Einsatz von Gewebefiltern zur Entfernung von Staub aus einem Gasstrom dringen die Partikel nur anfangs in das Gewebe ein. Nach kurzer Zeit bildet sich an der Oberfläche des Gewebes eine Schicht aus abgeschiedenen Partikeln, der sogenannte Filterkuchen. Dieser übernimmt nun die Filterwirkung und hat sogar in der Regel eine deutlich bessere Abscheideleistung als das eigentliche Filtergewebe. Um diesen Zustand bereits vor Einsatzbeginn zu erreichen, wird beim Precoating der Gewebefilter vorab mit einer Beschichtung, in der Regel einem Mineralpulver, versehen. Da der Filterkuchen nach einer gewissen Zeit zu dick wird und daher, zum Beispiel durch einen Gasdruckstoß mit Stickstoff, entfernt wird, muss danach die Beschichtung, zum Beispiel durch Aufblasung des Mineralpulvers vor der erneuten Durchleitung von Gas, wieder aufgebaut werden. Ein besonderer Vorteil des Precoating liegt bei Holzgas darin, dass Teeranteile, die bei der Einsatztemperatur von Gewebefiltern bereits in kondensierter Form vorliegen können (gebunden an Partikel oder als feinste Tröpfchen) nicht zu einer schnellen Verklebung des Filtergewebes führen, sondern im Precoatingmantel abgeschieden und mit diesem ausgetragen werden können.

Schüttschichtfilter mit Sand oder auch bei niedrigeren Temperaturen mit Sägemehl sind weitere Möglichkeiten zur trockenen Gasreinigung. Abgesehen von der Abscheideleistung ist jedoch bei diesen Verfahren die häufig ungelöste Frage der Regeneration oder Entsorgung des Filtermaterials von großer Bedeutung.

Gaswäsche

Bei der Gaswäsche wird das gekühlte Holzgas direkt durch ein flüssiges Waschmedium oder durch einen Sprühnebel geleitet. Das Waschmedium kann ein organisches Lösungsmittel wie z.B. Biodiesel (RME) oder Wasser sein. Organische Lösungsmittel bieten Vorteile durch die höhere Verdampfungstemperatur und die bessere Reinigungswirkung im Bezug auf Teere. Allerdings sind der höhere Preis eines organischen Lösungsmittels und die durch dessen Einsatz zusätzlich geschaffene mögliche Brandquelle zu beachten. Zudem stellt sich genau wie bei Wasser als Waschmedium die Frage der Regeneration oder Entsor-gung. Die Produktion großer Mengen an mit Stäuben und giftigen Teeren verunreinigten Waschflüssigkeiten ist wegen der Behandlungskosten vor allem unter wirtschaftlichen Aspekten problematisch, wenn der Umgang mit ihnen den kontinuierlichen Betrieb der Anlage nicht stört.

2.2.2 Gasverwertung

Für die Produktion von Strom und Wärme aus Holzgas können prinzipiell Blockheizkraftwerke (BHKW) mit Schwachgasmotoren eingesetzt werden, wie sie zum Beispiel auch bei der Verwertung von Biogas Anwendung finden. Allerdings besitzt Holzgas nicht nur einen geringeren Heizwert als Biogas (ca. 1,2 kWh/m³ zu ca. 5 kWh/m³), sondern ist auch ganz anders zusammengesetzt. Daher muss ohne Motoranpassung beim Einsatz von Holzgas mit geändertem Betriebsverhalten und höherem Verschleiß gerechnet werden. Prinzipiell muss auch bei einer Motoranpassung mit einem Sinken von Leistung und Wirkungsgrad gerechnet werden. Sowohl reine Gasmotoren (Gas-Otto-Motoren mit Zündkerzen) als auch Motoren, die mit Zündöl zur Zünd- und Stützfeuerung (Zündstrahl-Motoren) betrieben werden, kommen in Frage. Zündstrahlmotoren können höhere elektrische Wirkungsgrade erreichen als Gas-Otto-Motoren, bedingen aber tendenziell auch höhere Brennstoffkosten und haben kürzere Lebensdauern.

Sollte das Holzgas mit einem Zündstrahl-BHKW in Strom und Wärme umgewandelt werden, so ist zu beachten, dass gemäß § 27 Abs. 1 EEG zur Zünd- und Stützfeuerung nur Biomasse (also z. B. Pflanzenöl) oder Pflanzenölmethylester eingesetzt werden darf, da andernfalls kein Anspruch auf Vergütung für den erzeugten Strom besteht.

Für beide Motorkonzepte muss das Holzgas gekühlt, staub- und teerarm vorliegen. Über das zum dauerhaften, störungs-und wartungsarmen Betrieb des Motors notwendige Niveau des Staub- und Teergehaltes gibt es keine verwertbaren Aussagen der Motorhersteller. Außer dem Motor und dem darauf abgestimmten Generator verfügt ein BHKW noch über die zugehörigen Schalt- und Steuereinrichtungen sowie Wärmetauscher, um die Wärme aus dem Abgas, dem Motorkühlwasser und dem Schmierölkreislauf abzuführen. Im Idealfall kann diese Wärme, ggf. unter Einbeziehung eines Pufferspeichers, komplett als Heiz- oder Prozesswärme genutzt werden. Andernfalls muss der Betrieb der Holzvergasungsanlage in den Zeiten geringeren Wärmebedarfs eingeschränkt werden oder das BHKW muss über eine Notkühleinrichtung verfügen. Da in An- und Abfahrphasen des Holzvergasers die Gasqualitäten sehr eingeschränkt oder zumindest schwankend sind, wird für die unschädliche Beseitigung des in diesen Zeiten produzierten Gases häufig eine Gasfackel installiert, die auch beim Ausfall des BHKW zum Einsatz kommen kann.

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