AiF-FV-Nummer 15779 BG

Brenngaserzeugung aus Abfällen der Biodieselproduktion mit überkritischem Wasser zur Verwertung mit einem Verbrennungsmotor

Status & Laufzeit

Abgeschlossen: 01.09.2008 bis 30.06.2012

Forschungsstellen

  • Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V.
    Bliersheimer Str. 58 - 60, 47229 Duisburg
    http://www.iuta.de

  • TU Bergakademie Freiberg Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik Lehrstuhl Hochtemperaturanlagen
    Gustav-Zeuner-Str. 7, 09596 Freiberg
    http://www.tu-freiberg.de/~iwtt/

Zusammenfassung

Ziel des F&E-Vorhabens war die Entwicklung einer Technikumsanlage, mit der Rohglyzerin, das als Koppelprodukt bei der Biodieselproduktion anfällt, durch chemische Umsetzung (Reformierung) mit überkritischem Wasser (SCWR – Super Critical Water Reforming) zu einem hochkalorischen Brenngas umgewandelt werden kann. Das Brenngas sollte anschließend in einem Motor-BHKW thermoenergetisch nutzbar sein. Bei der Konstruktion der Anlage lagen die Schwerpunkte auf der • Realisierung der Reaktorbeheizung über einen Porenbrenner, welcher mit verschiedenen Brennstoffen betrieben werden kann, auf der • Nutzung des Wärmeinhalts des Produktgases zur Vorheizung der Edukte (Glycerin-Wasser- Gemisch) und auf der • Integration der Anlagenkomponenten (Porenbrenner, Vorheizer, Reaktor) zu einem kompakten System. An der Forschungsstelle 1 (IUTA) erfolgten die Auslegung, Konstruktion und der Aufbau des Reaktorsystems; an der Forschungsstelle 2 (TU Bergakademie Freiberg, TUBAF) erfolgten die Entwicklung und der Aufbau eines Porenbrenners, mit welchem der Reaktor beheizt wird. Kernpunkte der Arbeiten an der Forschungsstelle IUTA waren die Entwicklung eines geeigneten Reaktorkonzepts (aufgeteilt in Vorheizer, Heizzone und Reaktionszone), dessen wärmetechnische Auslegung, die Konstruktion der Reaktorkomponenten, der Aufbau der Anlage und der Demonstrationsbetrieb. Die begleitend durchgeführten Untersuchungen zur Reformierbarkeit von Rohglyzerin ergaben, dass Rohglyzerin vor der Reformierung für einen dauerhaften und sicheren SCWR-Anlagenbetrieb durch geeignete Verfahren entsalzt werden muss. Daher wurde der Demonstrationsbetrieb mit wässrigen Lösungen reinen Glyzerins durchgeführt. In zukünftigen Arbeiten kann entsalztes Rohglyzerin eingesetzt werden. Die Reformierung des Glyzerins verlief wie erwartet weitestgehend problemlos mit Umsätzen von bis zu 75%. Das gewonnene Brenngas wies allerdings einen unerwartet hohen CO-Gehalt (bis zu 40 Vol.-%) und einen entsprechend geringeren Gehalt an H2 (bis zu 35 Vol.-%) und CO2 (bis ca. 10 Vol.%) auf. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die von der Stahloberfläche katalysierte Shift-Reaktion (Reaktion von CO und H2O zu H2 und CO2) wegen des niedrigen Oberflächen- zu Volumen-Verhältnisses im Reaktor nur in einem geringem Umfang abläuft. Je nach weiterer Verwertung des Produktgases ist dies kein Nachteil, da der Brennwert dadurch sogar geringfügig steigt. An der Forschungsstelle TUBAF wurde ein Porenbrenner entwickelt und gebaut, der sowohl mit Erdgas (Methan), als auch mit wasserstoffhaltigen (Schwach-)Gasen betrieben werden kann. Dabei ist ein Wasserstoffanteil von bis zu 50 Vol.-% möglich. Die Auslegung erfolgte unter Beachtung der verbrennungstechnischen Charakteristika der Brennstoffe. Das Abbrandverhalten und die dem Brennraum vorgelagerte Mischzone wurden numerisch untersucht. Die experimentellen Untersuchungen des Brenners mit den Brenngasen verliefen ohne Komplikationen. Für die angegebenen Leistungsbereiche konnte für beide Brenngase ein stabiler emissionsarmer Betrieb nachgewiesen werden. Erdgas ist hierbei als Brennstoff für Anund Abfahrprozesse in einem Leistungsbereich von 3 bis 10 kW einsetzbar, das mit der SCWRAnlage gewonnene Brenngas erlaubt prinzipiell einen normalen Anlagenbetrieb im Bereich von 6 bis 12 kW. Damit kann dieser Brenner auch für die direkte Verbrennung industrieller Prozessgase, z. B. von Kuppelgasen eingesetzt werden. Eine in dem Vorhaben auch angestrebte direkte Verbrennung von Rohglyzerin in einem Porenbrenner war nicht möglich, da die poröse Brennermatrix (aus siliziuminfiltriertem Siliziumcarbid SiSiC) durch den anorganischen Anteil im Rohglycerin in kürzester Zeit zerstört wird. Die Verbrennung des Rohglyzerins in einer Al2O3 Schüttung erwies sich als möglich, ist jedoch noch optimierungsbedürftig. Die geplante Kopplung der SCWR-Anlage mit dem Motor-BHKW konnte nicht realisiert werden. Zu starke Druckschwankungen auf der Produktgasseite und eine zeitlich nicht ausreichend stabile Produktgaszusammensetzung machen eine direkte Einspeisung in den Motor unmöglich. Es ist ein Gas-Zwischenspeicher notwendig, um diese Instabilitäten auszugleichen. Das Ziel des Vorhabens wurde teilweise erreicht.

Förderhinweis

Das Forschungsvorhaben der Forschungsvereinigung Umwelttechnik wird / wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Dokumente