Brennstoffbereitstellung


1. Einleitende Einordnung der Festbettvergasung

Die Realisierung biomassebasierter Kraftwerke (Dampfkraftprozesse) im Leistungsbereich bis 20 MWel stellt hohe Ansprüche an die KWK und die Brennstoffbereitstellung. Die anfal­lende Prozesswärme bei elektrischen Wirkungsgraden von maximal 30% (bezogen auf den Energiegehalt im Brenn­stoff) bedarf ausgedehnter Fernwärmenetze mit einem hohen konti­nuierlichen Wärmebedarf. Kann die ganzjährige Wärmenutzung nicht sichergestellt werden, so bleiben die Kraftwerke bei stromgeführter Fahrweise weit hinter den optimalen, im KWK-Betrieb realisierbaren, Gesamtwirkungsgraden zurück. Zudem steigen die logistischen Auf­wendungen zur Bereitstellung des Brennstoffes überproportional zur Anlagengröße.

Die Vergasung bietet die Möglichkeit der Biomassenutzung mit ähnlich hohen elektrischen Wirkungsgraden in kleineren Leistungsbereichen für den dezentralen Einsatz.

Die Vergasung bietet die Möglichkeit der Biomassenutzung mit ähnlich hohen elektrischen Wirkungsgraden in kleineren Leistungsbereichen für den dezentralen Einsatz.

2. Verfahrensbeschreibung

Das PYROFORCE^®-Verfahren ist nach dem gleichen System aufgebaut wie alle anderen thermochemischen Konversionsanlagen zur kombinierten Bereitstellung von Strom und Wärme. 
Die wesentlichen Prozessschritte sind die Brennstoffbereitstellung, die Vergasung, die Gasaufbereitung und die Gasnutzung.

Systemaufbau einer Stromerzeugung durch Vergasung biogener Festbrennstoffe

 

3. Brennstoffspezifikation

In den bisher realisierten PYROFORCE^®-Anlagen werden die Hackschnitzel fertig aufbereitet angeliefert. Dazu wird Waldholz im Idealfall nach einjähriger Lagerung (Reduktion des Was­sergehaltes) gehackt. Die Auswahl des richtigen Hackers ist für die Erzeugung von Hack­schnitzeln mit definierten Eigenschaften von Bedeutung. Es können Scheiben-, Trom­mel- und Schneckenhacker eingesetzt werden. Letztere produzieren die besten Schnitzel, jedoch werden die Endstücke von Stämmen nicht immer vollständig zerkleinert und müssen ggf. abgeschieden werden. Neben der Wahl des Hackverfahrens ist die Herstellung von Qualitätsschnitzeln insbesondere durch eine angepasste Maschineneinstellung, Bedienung und Instandhaltung zu erreichen. Die Aufbereitung von Altholz erfolgt mittels Schredder oder Zerspaner, da diese auch bei höherem Fremdkörperanteil (z. B. Steine und Metalle) keinen Schaden nehmen. Geschreddertes Altholz muss noch weiter aufbereitet werden. Ei­nerseits muss der Fremdbesatz, andererseits der Feinanteil und Übergrößen, abgeschieden werden. Trommel- und Sternsiebe haben sich hier bewährt. Für die Vergasung sind je nach Gesetzeslage in der Regel Althölzer der Kategorien A1 und A2 zugelassen, die zu den Bio­massen zählen. Die Verwendung von A3, A4 und PCB-Altholz ist demnach nicht zulässig, sollte jedoch technisch kein Problem darstellen.

   Beschreibung der Altholzkategorien 

Atholzkategorie	Beschreibung	Beispiele
A1	naturbelassenes oder lediglich mechanisch bearbeitetes Altholz, das bei seiner Verwendung nicht mehr als unerheblich mit holzfrem­den Stoffen verunreinigt wurde	Möbel aus Massivholz ohne Leimplatten
A2	verleimtes, gestrichenes, be­schichtetes, lackiertes oder ander­weitig behandeltes Altholz ohne halogenorganische Verbindungen in der Beschichtung und ohne Holzschutzmittel	Spanplatten (zugelassen, aber aus technischen Gründen nicht für die Ver­gasung geeignet), Möbel ohne PVC-Anteile, Innentüren, Dielen
A3	Altholz mit halogenorganischen Verbindungen in der Beschichtung ohne Holzschutzmittel	Möbel mit PVC-Kanten oder PVC-Be­schichtungen
A4	mit Holzschutzmitteln behandeltes Altholz, wie Bahnschwellen, Leitungsmasten, Hopfenstangen, Rebpfähle, sowie sonstiges Altholz, das aufgrund seiner Schadstoffbe­lastung nicht den Altholzkategorien A I, A II oder A III zugeordnet wer­den kann, ausgenommen PCB-Altholz	Bahnschwellen, Leitungsmasten, Dach­sparren, Fenster, Außentüren, Zäune, Gartenmöbel aus Holz
PCB - Altholz	Altholz, das PCB im Sinne der PCB/PCT-Abfallverordnung ist und nach deren Vorschriften zu entsor­gen ist, insbesondere Dämm- und Schallschutzplatten, die mit Mitteln behandelt wurden, die polychlo­rierte Biphenyle enthalten	Mit Steinkohlenteerölen imprägnierte Masten, Bahnschwellen, Dämmplatten

Die Einhaltung der Hackschnitzeldefinition ist für den Vergasungsprozess unabdingbar. Ein zu hoher Feinanteil erhöht den Druckabfall im Reaktor, so dass es nach Leistungseinbussen auch zum Erliegen des Vergasungsprozesses kommen kann. Spanplatten und andere ver­leimte Materialien zerfallen im Reaktor und sind somit dem Feinanteil zuzuordnen. Minera­lischer Fremdbesatz wie Sand und Steine hat ähnliche Auswirkungen. Überlängen führen zu Ausfällen in den Förderorganen.

   Auszug aus der Hackschnitzeldefinition für PYROFORCE^®-Anlagen

 

Angelehnt an	Hauptanteil	Feinanteil und Leimholzplatte	Überlängen	Maximale Länge	Maximale Diagonale im Querschnitt
	min. 80 %	max. 2 %	max. 1 %
G 45	8 bis 45 mm	< 5 mm	> 63 mm	125 mm	25 mm
G 63	8 bis 63 mm	< 5 mm	> 100 mm	200mm*	30 mm
G 100	11,2 bis  100 mm	< 5 mm	> 200 mm*	250 mm*	35 mm

 * Für einen störungsfreien Betrieb nicht geeignet

Für einen sicheren Betrieb der Vergasung ist neben der Stückigkeit auch die Brennstoff-Feuchte u der Hackschnitzel entscheidend. Diese sollte zwischen 10 und 15% atro liegen. Bis 28% atro wird die Vergasung nicht wesentlich gestört, es fällt jedoch zusätzliches Kon­densat an, welches in dieser Menge nicht mehr prozessintern rezirkuliert werden kann.
Die Brennstoff-Feuchte u bezieht sich auf die Trockenmasse und kann auch Werte über 100% erreichen, Gl.1. Sie ist vom Wassergehalt w zu unterscheiden. Dieser bezieht sich auf die Frischmasse, Gl.2.

Brennstoff-Feuchte:

Gl.1

Wassergehalt:

Gl.2

Der Aschegehalt im Brennstoff variiert bei Holzhackschnitzeln nur gering und liegt in der Re­gel unter 1% der Trockenmasse, ausgenommen bei Holz aus Kurzumtriebsplantagen. Auf­grund des höheren Rindenanteils bei noch jungem Holz liegt hier der Ascheanteil bei ca. 2%. Für den Vergasungsprozess ist der Aschegehalt im Brennstoff jedoch weniger entschei­dend, vielmehr der Ascheerweichungspunkt. Dieser muss über der maximalen Temperatur von ca. 1300° C in der Oxidationszone im Reaktor liegen. Liegt die Ascheerweichungstempe­ratur darunter, wie zum Beispiel bei der Rinde von Laubhölzern, kommt es zu Ablagerungen im Feuerraum und am Rost, sowie zu Störungen der Ascheaustragssysteme.

4. Brennstofflagerung und Förderung 

Die zur Vergasung bestimmten Hackschnitzel müssen wettergeschützt gelagert werden. Dies kann direkt in dem überdachten Tagesbunker oder in einer Halle erfolgen. Das notwen­dige Lagervolumen ist von der Verfügbarkeit des Brennstoffes abhängig. Tendenziell sollte der Vorrat bei altholzbetriebenen Anlagen größer ausfallen, da dieses zyklisch anfällt. Eine Lagerkapazität von vier bis sechs Wochen wird empfohlen. Bei Waldholz kann diese kleiner ausfallen. Hier ist es auch möglich Stammholz im Freigelände zu lagern und nach Bedarf zu hacken.

Die Förderung in den Tagesbunker erfolgt mittels Radlader oder direkt via LKW. Eine Ein­bindung in ein Hallenfördersystem (Krananlage mit Greifer) ist ebenfalls möglich.

Holzschnitzellagerung mit integriertem Fördersystem (Krananlage) in der Holzverstromungsanlage Nidwalden, Schweiz (links); Lagerung direkt auf dem Schubboden mit ebenerdiger Befüllung bei der Pyrotherm GmbH in Güssin, Österreich (links)

Die Förderung des Brennstoffes innerhalb der Vergasungsanlage basiert auf einer Kombina­tion verschiedener Förderorgane. Der Förderprozess beginnt im Kurzvorratsbunker, der ge­gebenenfalls auch für die gesamte Bevorratung ausgelegt ist. Der Austrag erfolgt mit einem Schubboden, dessen Schubstangen den gesamten rechteckigen Lagerbodenbereich ab­decken. Die Hackschnitzel werden dabei entweder direkt an einen quer zum Austrag ver­laufenden Kettenförderer übergeben oder mittels einer Dosierschnecke in diesen gefördert.

Detail eines Mitnehmers vom Schubboden (links); Übergabe vom Schubboden auf den Ketten­förderer vor Montage der Abdeckung (rechts)

 

Alternativ zum Kettenförderer kann die Höhendifferenz zwischen Kurzvorratsbunker (Tages­bunker) und Vorlagebehälter auch mit einem Elevator überwunden werden. Der Einsatz von Förderbändern ist bei entsprechenden Platzverhältnissen zu bevorzugen. Schnecken sind nur bedingt zur Steigförderung geeignet, da sie das Fördergut erheblich belasten und damit den Feinanteil erhöhen. Je nach dem, ob und wie eine Trocknung (bei Waldholz erforderlich) in das System integriert wird, ist eine weitere Höhenförderung erforderlich. Nach der Höhenförderung werden die Holzschnitzel an den Vorlagebehälter übergeben. Dies erfolgt von oben durch einfache Abwurföffnungen im Kettenförderer. Der Vorlagebehälter ist mit einem sog. Krehlarm ausgestattet, dieser verhindert durch Rotation eine Brückenbildung. Mit dem Vorlagebehälter werden die Hackschnitzel innerhalb eines Blockes auf die Reaktoren verteilt und anschließend mit den Zuführschnecken zur Schleuse gefördert.

Der Vorlagebehälter zur Verteilung der Hackschnitzel (links); Innenaufnahme vom Vorlagebehäl­ter, es sind der Krehlarm und eine Auslauföffnung zu erkennen (rechts)

 

Die Zuführschnecken sind ohne durchgehende Welle ausgeführt (Seelenlos) um auch Über­größen transportieren zu können. Darüber hinaus verfügen sie über eine automatische Re­versiereinrichtung. Als letztes Element der Förderkette befindet sich die Schleuse über dem Reaktor. Sie hat die Aufgabe, die Hackschnitzel in den Reaktor einzubringen und diesen gleichermaßen gegenüber der Umwelt abzudichten. Ab hier beginnt der im Unter­druck laufende und nach Außen hin abgeschlossene Vergasungsprozess.

Zuführschnecke vom Vorlagebehälter zur Reaktorschleuse (links); Abwurfschacht über der Reaktorschleuse (mitte); Reaktorschleuse zwischen Zuführschnecke und Reaktor (rechts)