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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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