Festbett-Laborreaktor

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Kurzbeschreibung

Der Festbett-Laborreaktor ist eine einzigartige Vorrichtung zur grundlegenden Untersuchung hinsichtlich der thermischen Zersetzung, Pyrolyse, Vergasung und Verbrennung von verschiedenen Biomassebrennstoffen. Er besteht aus einer zylindrischen Retorte, die bis auf ca. 800 °C elektrisch beheizt werden kann. Die Heizung wird durch zwei getrennte PID-Controller gesteuert. Der Brennstoff wird in einem zylindrischen Probenhalter (100 mm Höhe, 95 mm Innendurchmesser) eingebracht. Beide Teile sind aus faserverstärktem Siliciumcarbid (SiC)-Keramik hergestellt, um Reaktionen der Produktgase und Asche mit der Wand zu vermeiden. Der Probenhalter für das Brennstoffbett befindet sich auf einer Waage, die verwendet wird, um den Gewichtsverlust der Probe während des thermischen Zersetzungsprozesses zu bestimmen. Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Massenreduktion der Probe während der Pyrolyse / Vergasung / Verbrennungsprozesses kontinuierlich zu messen. Die Probe, typischerweise 100 bis 400g (abhängig von der Dichte), wird in den vorgeheizten Reaktor eingebracht, wodurch hohe Aufheizraten erreicht werden können. Brennstoffbett-Temperaturen werden bei 5 verschiedenen Positionen gemessen, um z.B. die Ausbreitung und die Geschwindigkeit der Verbrennungsfront zu bestimmen.

Kontinuierlich arbeitende FT-IR, ND-IR, FID, CLD und Wärmeleitfähigkeit Analysatoren werden angewandt, um die Konzentrationen von O2, CO, CO2, H2O, H2, OGC, NO, NO2, HCN, NH3, HCl, SO2 sowie verschiedene Kohlenwasserstoffverbindungen während der Konversionsschritte zu messen. Außerdem kann eine diskontinuierliche Teer-Probenahme mit nachfolgender Analyse der Teere angewendet werden. Mit dem Aufbau ist eine umfassende Bestimmung des thermischen Umwandlungsprozesses möglich und zusätzlich können Informationen über zum Beispiel die Freisetzung relevanter NOx-Vorläufer aus dem Brennstoff bestimmt werden. Darüber hinaus werden durch Analysen des Brennstoffes und der Rückstände nach dem Konversationsprozess Informationen über die Freisetzung von leicht flüchtigen aschebildenden Elementen wie S und Cl sowie von teilweise flüchtigen aschebildenden Elementen (K, Na, leicht flüchtige Schwermetalle wie Zn und Pb) gewonnen.

Ansprechperson

Peter Sommersacher

Research Services

Mit dem Festbett-Laborreaktor können grundlegenden Untersuchungen hinsichtlich der thermischen Zersetzung, Pyrolyse, Vergasung und Verbrennung von verschiedenen Biomassebrennstoffen durchgeführt werden. Der Fokus liegt hier auf Brennstoffschüttungen. Ein zylindrischen Probenhalter (100 mm Höhe, 95 mm Innendurchmesser) enthält hier typischerweise 100 bis 400 g (abhängig von der Dichte) an Brennstoff. Der Probenhalter für das Brennstoffbett befindet sich auf einer Waage, die verwendet wird, um den Gewichtsverlust der Probe während des thermischen Zersetzungsprozesses zu bestimmen. Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Massenreduktion der Probe während der Pyrolyse / Vergasung / Verbrennungsprozesses kontinuierlich zu messen. Des Weiteren werden Brennstoffbett Temperaturen bei 5 verschiedenen Positionen gemessen, um die Temperaturverteilung (z.B. Ausbreitung und die Geschwindigkeit der Verbrennungsfront oder Pyrolysefortschritt) im Brennstoffbett zu bestimmen.

Kontinuierlich arbeitende FT-IR, ND-IR, FID, CLD und Wärmeleitfähigkeit Analysatoren werden angewandt, um die Konzentrationen von O2, CO, CO2, H2O, H2, OGC, NO, NO2, HCN, NH3, HCl, SO2 sowie verschiedene Kohlenwasserstoffverbindungen während der Umwandlungsschritte zu messen. Die Messmethoden der zu untersuchenden Produktgase richten sich hier nach dem angewandten Konversationsverfahren. Außerdem kann eine diskontinuierliche Teer-Probenahme mit nachfolgender Analyse der Teere angewendet werden kann. Im Falle von Verbrennungsprozessen ist eine umfassende Bestimmung des thermischen Umwandlungsprozesses möglich und zusätzlich können Informationen über zum Beispiel die Freisetzung relevanter NOx-Vorläufer aus dem Brennstoff kann bestimmt werden. Darüber hinaus werden durch Analysen des Brennstoffes und der Rückstände nach dem Konversationsprozess, Informationen über die Freisetzung von S und Cl sowie von leicht flüchtigen Aschebildender Elemente (K, Na, leicht flüchtige Schwermetalle) gewonnen. Bei Pyrolyse oder Torrefikationsprozessen ist eine Charakterisierung der entstehenden Produktgase, der Teere sowie der festen Rückstände möglich. Auch für diese Anwendungen kann eine Bestimmung der Freisetzung von flüchtigen anorganischen Elementen durchgeführt werden.

Methoden & Expertise zur Forschungsinfrastruktur

Bei Durchführung von Experimenten mit dem Festbett-Laborreaktor können verschiedene Konversionsverfahren (z.B. Pyrolyse, Vergasung und Verbrennung) im Labormaßstab durchgeführt werden. Der große Vorteil hier ist, dass im Labormaßstab kontrollierte Versuchsbedingungen vorliegen. Darüber hinaus beträgt der Aufwand auch nur einen Bruchteil im Vergleich zu Testläufen an Großanlagen.

Bisher wurde eine Vielzahl an verschiedenen Biomasse-Brennstoffen hinsichtlich ihres Verbrennungsverhaltens charakterisiert. Wesentliche Parameter aus diesen Experimenten sind das Konversionsverhalten, entstehende Rauchgaskomponenten, die Freisetzung von NOx-Vorläufern aus dem Brennstoffbett sowie die Freisetzung von relevanten Aerosolbildnern. Anhand dieser Daten sind Rückschlüsse auf das Verbrennungsverhalten des verwendeten Brennstoffes in Großanlagen möglich. Es wurde auch die gezielte Mischung von Biomassebrennstoffen sowie der Einfluss von mineralischen Additiven auf das Verbrennungsverhalten mit diesem Reaktor untersucht. Der Aufbau hat sich bzgl. dieser Untersuchungen bestens bewährt und kann für die Auswahl oder Herstellung von Designbrennstoffen einen wesentlichen Beitrag leisten.

Der Reaktor wurde auch erfolgreich zur Charakterisierung von Pyrolyse und Torrefikationsprozessen eingesetzt. Auch hier können relevante Prozessparameter gewonnen werden, welche auf Prozesse im Realmaßstab umgelegt werden können.