Carbonisierungs- und Pyrolysetechnik
Vortrag von Dr. Emmerich [eigentlich Walter Emrich] (Firma Bio-Carbon) beim Seminar Thermochemische Gaserzeugung aus Biomasse 1981 an der KFA Jülich.
Zusammenfassung
Neben der traditionellen Holzverkohlung wurde im industriellen Bereich in den letzten Jahrzehnhten – vornehmlich in den USA – eine moderne Technologie der „Karbonisierung von Biomasse” entwickelt. Die Einsatzmöglichkeiten dieser neuen Technologien sind in Europa und den Entwicklungsländern noch weitestgehend unbekannt.
Zum Teil sind noch Anpassungen an lokale Verhältnisse (kleine – mittlere Anlagen) und spezielle Rohstoffe erforderlich.
Anlass zur Erschliessung neuer Rohstoffquellen in Form organischer Reststoffe aus Land- und Forstwirtschaft, Holzverarbeitung und Agroindustrie waren steigende Holzpreise im Zuge der allgemeinen Preisentwicklung auf dem Energiesektor sowie die zunehmende Verknappung des Holz Angebotes, speziell in Entwicklungsländern.
nach Aussagen der UNO-Konferenz in Nairobi benötigen heute etwa 2 Milliarden Menschen täglich Holz und Holzkohle zum Kochen und Heizen. Schon jetzt finden hundert Millionen von ihnen kein Holz mehr. Der Raubbau an den Holzbeständen verursachte vielerorts irreparable Schäden am ökologischen Gleichgewicht. Die Aufforstungskosten werden auf 1-2 Milliarden Dollar/Jahr gesehätzt.
Ziel der Karbonisierung von Biomasse ist die Nutzbarmachung lokaler, regenerativer Ressourcen zur Erzeugung von Kohle, Öl und Gas. Grosse Mengen an „Biomasse“ werden heute noch sinnlos vernichtet. Durch Karbonisierung wird die Umformung grosser voluminöser Biomassen am Ort des Anfalls in transportable, hochwertige Energieträger zum zentralen und dezentralen Einsatz ermöglicht.
Damit kann – speziell in Entwicklungsländern – ein merklicher Beitrag zur Sicherung der Brennstoffversorgunq der Bevölkerung sowie zur Einsparung von Devisen durch Substitution von Erdoelimporten geleistet werden.
Energiepreise, Entsorgungsauflagen und spezieller Marktbedarf gestatten aber auch in Industrieländern heute schon den wirtschaftlichen Einsatz moderner Karbonisierunqstechnologien.
1 . Ausgangslage
Das Verfahren der Holzverkohlung ist schon Jahrtausende alt. Aus der Hallstattperiode (1100 – 500 v. Chr.) wird von Holzverkohlungen in grösserem Umfang zur Gewinnung von Eisen und anderen Metallen berichtet (Bugge, Dr. G., Die Holzverkohlung)
Die Entwicklung führte von der Gruben- zur Meilerköhlerei, wie sie heute noch weltweit, insbesondere in den Entwicklungsländern, betrieben wird.
- Eine Übersicht über die Verkohlungsverfahren im Anhang.
In den Industrieländern entwickelte sich in letzten Jahrzehnten eine grosstechnische Verkohlungsindustrie, mit der hohe Energieausbeuten der Rohstoffe und eine optimale Nebenproduktgewinnung erreicht wurden.
Zur Zeit reichlicher und kostengünstiger Verfügbarkeit von Kohle, Erdöl und Erdgas, ging die Verarbeitung von Holz und anderen organischen Rohstoffen zu Energieträgern , Industrrie- und Chemierohstoffen – vor allem in Industrieländern – zurück.
Die Verknappung fossiler Energieträger verbunden mit starken Preissteigerungen und zunehmender wirtschaftlicher und politischer Abhängigkeit von den Energie-Lieferländern ließ die energetische Nutzbarmachung heimischer regenerativer Ressourcen jedoch wieder stark an Bedeutung gewinnen,
Bei der traditionellen Meilertechnik und bestimmten industriellen Verfahren kann für die Verkohlung ausschliesslich Holz in Form von Knüppel- und Scheitholz verwendet werden.
Die wachsende Nachfrage nach dem vielseitig verwendbaren Rohstoff Holz führte jedoch zu erheblichen Preissteigerungen und Versorgungsengpässen.
Einsatz neuer TechooIoqien
In der Verkohlunqsindustrie ist daher weltweit ein deutlicher Trend zur Erschliessung neuer Rohstoffquellen in Form organiseher Reststoffe aus den Bereichen Land- und Forstwirtschaft, Holzverarbeitung undAgro-Industrie festzustellen.
Mit Hilfe moderner Karbonisierungstechnoloqien können heute auch alle Holzabfälle , wie z. B . Rinde und Sägemehl, sowie prinzipiell alle organischen Neben- und Abfallstoffe aus Land- und Forstwirtschaft sowie Aqro-Industrie (z .B. Nußschalen, Stroh, Kaffee-, Baumwoll-. Reisabfälle, Bagasse etc.) zu Kohle, Öl und Gas verarbeitet werden.
Besondere Bedeutung der neuen Technologien für die Entwicklungsländer
Diese beachtliche Verbreiterung der Rohstoffbasis auf bislang nicht oder nur unzureichend genutzte Biomassen eröffnet – insbesondere den Entwicklungsländern – neue, konkrete Möglichkeiten zur Sicherstellung der Brennstoffversorgunc) der Bevölkerung sowie zur Substitution vonn Erdölimporten.
Brennstoff in Form von Holz und Holzkohle zählt dort zu den Grundbedürfnissen der Menschen. Der Bedarf steigt ständig. Der Raubbau an den Holzbeständen hat vielfach erschreckende Ausmaße angenommen.
Auf der UNO-Konferenz in Nairobi wurde festgestellt: „Etwa 2 Milliarden Menschen brauchen heute Holz und Holzkohle zum Kochen und Heizen. Schon jetzt finden hundert Milionen von ihnen kein Holz mehr.Nach einer Studie werden in den nächsten zwanzig Jahren 2,3 – 2,5 Milliarden Bewohner der Erde kein Feuerungsholz mehr zur Verfügung haben.
Zur Sicherung des Holzbedarfes auf lange Sicht müsste fünfmal soviel wie derzeit aufgeforstet werden. Die Kosten hierfür werden bis zum Jahr 2000 auf jährlich 1 Milliarde Dollar geschätzt. Die Weltbank rechnet sogar mit jährlich 2 Milliarden Dollar.
Die industrielle Karbonisierung von Biomasse stellt eine wichtige Form alternativer Enerqieqewinnunq dar.
Die Firma BIO-CARBON GmbH ist auf die Planung und Realisierung derartiger Projekt Vorhaben – insbesondere in Entwicklungsländern – spezialisiert.
4.1 Produktionsverfahren
Die Karbonisierung ist ein exothermer Prozess.
Biomasse-Aufbereitung
Die anfallende Biomasse wird zu Stück grossen von ca. 2 – 3 cm Länge und 1 cm Dicke aufbereitet.
Kleinere Teile, wie z. B. Sägemehl, werden beigemischt.
Mit einem Teil des Prozessgases, das bei der Karbonisierung zwangsläufig anfällt, wird die Biomasse dann auf ca. 20 % Feuchtegehalt vorgetrocknet. und über eine Schleuse kontinuierlich in den Konverter eingetragen.
Karbonisierung
Dort findet bei ca, 500 – 600 °C mit gemessenem Luftunterschuss die Karbonisierung statt. Der Konverter arbeitet kontinuierlich 24 h/Tag, kann aber über die Wochenenden abgeschaltet werden.
Produkt 1: Rohkohle
Die Rohkohle wird am unteren Teil des Konverterplanums über eine Schleuse ausgetragen, abgekühlt und dann weiterverarbeitet.
Produkt 2: Pyrolyseöl
Die bei der thermischen Reaktion frei werdenden Gase verlassen den Konverter am oberen Teil. Nach der Reinigung von mitgerissenen Feststoffteilchen gelangen sie in die Wäscher der Anlage, wo sie mit gekühltem Pyrolyseöl ausgewaschen werden . Dabei formen die kondensierbaren Teile des Gases neues Pyrolyseöl.
Produkt 3 : Heizgas
Die nicht, kondensierbaren Anteile des Gases bilden das Heizgas, das zum Vortrocknen der Biomasse und zur Aushärtung der Briketts verwendet wird.
Vom Heizgas-Überschuss (Normalfall) können weitere Verbraucher beliefert werden. Sofern diese nicht vorhanden sind, wird das Überschussgag über einen Kamin abgefackelt.
4.2 Ausbeute und Verwendung der Produkte
Durch Einsatz angepasster Technologien werden Ausbeuten von 80 – 85 % des Energieinhaltes der Biomassen erreicht.
So können z. B. mit einer mittleren Anlage von 10.000 t Biomassedurchsatz/Jahr (20 % Feuchtegehalt) in etwa erzeugt werden:
– 3.000 t Kohle-Rohbriketts/Jahr
Bestens geeignet als Alternativbrennstoff für Holz und Holzkohle in Entwicklungsländern. Damit können ca. 8.000 Familien ganzjährig mit 1 kg Brennstoff/Tag versorgt werden.
Die Kohle kann jedoch z, B. auch als Generatorkohie für die Stromererzeugung einqesetzt werden.
– 2 – 3 Mio l Pyrolyseöl/Jahr
Gut geeignet als Beimischung zu Industrie-Heizöl.
Den Entwicklungsländern werden dadurch neue Möglichkeiten zur Deviseneinsparung und mehr Unabhängigkeit von Erdöl Importen eröffnet.
Die chemische Weiterverarbeitung von Pyrolysgas. dürfte vorerst Industrieländern mit entsprechenden Verarbeitungsanlaqen vorbehalten bleiben
– Heizgas
Die Restenergie in Form von Heizgas wird dem Produktionsprozess zugeführt.
Falls sich in unmittelbarer Nähe der Karbonisierungsanlage ein potentieller Heizgasabnehmer befindet (z.B. Dampfkessel einer Zuckerfabrik), kann anstelle der Pyrolyseölqewinnung das Heizgas direkt eingesetzt werden.
Das Energieäquivalent für die jährliche Produktion an Kohle-Briketts und Pyrolyseöl betragt etwa 3,5 Mio Liter Import-Heizoel.
4.3 Besondere Vorteile des Technologieangebotes der Firma BIO-CARBON
Die Anlagen zeihnen sich – insbesondere im Hinblick auf den Einsatz in Entwicklungsländern – durch eine vergleichsweise einfache und funktionssichere Technologie (vertikaler Schachtofen) aus.
Von besonderem Vorteil ist die mehrfache Flexibilität:
Zum einen können mit der gleichen Technik verschiedenartigste Biomassen, gemischt oder getrennt karbonisiert werden. Damit ist bei jahreszeitlich unterschiedlichem Biomasseanfall eine ganzjährige und wirtschaftliche Auslastung der Anlage gewährleistet.
Zum anderen können ohne zusätzlichen technischen Aufwand die Ausbeuten an den einzelnen Produkten in gewissen Grenzen gesteuert werden. Je nach Bedarf kann z, B. mehr Kohle (15 – 35 %) zu Lasten von Pyrolyseöl/Heizöl gewonnen werden und umgekehrt.
5. Einsatz von Karbonisierunqsanlagen in Industrie- und Entwicklungsländern
Energiepreise, Entsorgungsauflaqen und spezieller Marktbedarf gestatten heute unter bestimmten Voraussetzungen auch in Industrieländern den wirtschaftlichen Einsatz moderner Technologie zur BiomasseKarbonisierung.
Eine dringende Notwendigkeit ist dagegen ihr Einsatz in Entwicklungsländern.
Durch Karbonisierung von Biomasse kann ein merklicher Beitrag zur Sicherung der Brennstoffversorgunq der Bevölkerung sowie zur Substitution importierten Heizöls geleistet werden.
Die Karbonisierung von Biomasse hilft somit, die Holznutzung auf ein ökologisch vertretbares Maß zurückzudrängen und wertvolle Devisen einzusparen.
Nicht zuletzt sei auf die Bedeutung der Herstellung von Aktivkohle hingewiesen, für die ein expandierender Markt auf dem Gebiet des Umweltschutzes, der Wasserreinigung etc. besteht.
Holzverkohlung tpyen
Anhang
I . Produktion von Holzkohle als als einziges Produkt
-
- Erdmeiler
- Unterbodenmeiler Überbodenmeier
- Gemauerte Öfen
- Brasilianischer Bienenkorb
- Brasilianischer Halbbienenkorb
- Hallenöfen
- Missouri Kiln
- Blockofen
- Doppeiwand-Kiln
- Portable Metallkins
- Mark I – V
- Tranchant Top
- Haubenkiln mit und ohne Hebezeug
- Stahlretorte mit Einsatzkorb
- Rollhaubenöfen
II. Produktion von Holzkohle mit Nebenprodukt-Gewinnung
-
-
- Bosnischer Ofen
- mit fixierter Retorte
- mit Wechselretorte
- Wagenretorte
- Zweizylinder-Retorte
- Kontinuierliche Groendal-Retorte US 687.304
- Spülgasretorte
- Reichert-Retorte
- Lambiotte S.I.F.I.C.
- Schnellpyrolyse Retorten
- Horizontaler Drehrohr-Kiln
- Mehrfach-Etagenofen
- Rotary-Disc-Ofen
- Fliessbett-Retorte
- Vertical Flow Converter
- Bosnischer Ofen
-
Die Liste entspricht weitgehend dem Inhaltsverzeichnis der Buches Walter Emrich (andere Schreibweise als bei der KFA) und es git ein Kapitel, in dem die Bio-Carbon Technik vorgestellt wird, wobei für die Karbonisierung das folgende Verfahren eingesetzt wird:
Es werden, neben diesem Beitrag als Quellen genannt.:
(5) W. Emrich, „Recovery of Char and Pyrolysis Oil from
Forestal Waste and Agricultural Residues by Carbonization“, paper presented at the International Recycling Congress, Berlin, FRG, 1982 .
(8) Information provided by Greenwich, Conn., USA 1983. American Can Co.
Die Biografie zeigt, daß Emrich für Degussa gearbeitet hat. Er ging 1970 in die USA: Director Degussa Alabama, Inc., Mobile. President Carbon International, Ltd., Wilmington, Delaware, 1976—1980, Bio-Carbon GmbH, since 1980.
W. Emrich, Sierra Leone. Production of Charcoal Briquettes and Pyrolysis Oil from Agricultural Wastes, UNIDO, Technical Report, 1981.
Emrich W., 1985, Handbook of Charcoal Making, Reidel Publishing Co., Boston.
–
–