Polytechnik

Wird Biomasse unter Sauerstoffausschluss einer Temperatur von über 200 Grad Celsius ausgesetzt, entsteht Synthesegas. Synthesegas ist ein wichtiges Nebenprodukt bei einem Verfahren zur thermischen Behandlung von Biomasse in Reaktoren unter Sauerstoffausschluss, (=Pyrolyse) wie zB bei Torrefizierung oder Carbonisierung, und das aus mehreren Gründen. Bei der Weiterverarbeitung wird erhebliche Energie freigesetzt, die für verschiedene Zwecke genutzt werden kann. Die Nichtnutzung dieser Energie wäre eine direkte Verschwendung von Energieressourcen und damit von Geld. Darüber hinaus darf Synthesegas aufgrund seiner Schädlichkeit nicht in seiner ursprünglichen Form in die Atmosphäre freigesetzt werden. Seine Aufbereitung erfordert höhere Investitionen, wodurch die Verluste auch auf diesem indirekten Weg steigen.

In diesem Fall stellt sich die Frage, was mit Synthesegas in einer Torrefizierungs- oder Karbonisierungsanlage sinnvoll wäre. Die Antwort ist einfach: Synthesegas in speziell dafür vorgesehenen Kammern verbrennen und Energie aus diesem Prozess gewinnen. Die entscheidende Frage jedoch wäre, wie man aus einer minderwertigen Energiequelle die maximale Energiemenge gewinnen, die Investition rechtfertigen und Synthesegas in eine nachhaltige Energiequelle verwandeln kann.

Die typische Zusammensetzung von Synthesegas umfasst neben Wasser, Wasserstoff und Stickstoff unter anderem auch Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, verschiedene Kohlenwasserstoffe und Methan. Abhängig vom Eingangsrohrstoff der Pyrolyse können zusätzliche Chlor, Schwefel und andere Schadstoffe im Gas enthalten sein. Prozessabhängig ist das Gas zusätzlich stark teer- und staubbeladen. Der typische Heizwert von Synthesegas liegt zwischen 7-15 MJ/kg.

Polytechnik hat eine spezielle Brennkammer entwickelt, die aus Synthesegas, das bei der Torrefizierung oder Carbonisierung entsteht, die maximale Energiemenge gewinnen kann. Um diese innovative technische Lösung für ein komplexes Problem zu veranschaulichen, werden drei grundlegende Bereiche unterschieden.

• Adiabatische Brennkammer
  Design und Eigenschaften der Brennkammer sind auf das zu verwendende Synthesegas zugeschnitten, dessen Zusammensetzung je nach Rohstoff und Produktionsprozess variiert. Synthesegas enthält verschiedene Elemente mit unterschiedlich hoher Brenngeschwindigkeit, was eine Flammenstabilisierung erfordert. Bestimmte Elemente des Synthesegases benötigen zudem eine höhere Temperatur zur Zündung, während andere den Heizwert reduzieren und die Flammentemperatur beeinflussen. Der Feuchtigkeitsgehalt, d. h. Wasserdampf, beeinträchtigt die Stabilität der Flamme und die Emissionen unmittelbar. Die Verbrennungsoptimierung wird durch eine spezielle Konstruktion erreicht, die sich an die Eigenschaften des Synthesegases anpasst.
  Die Synthesegas-Brennkammern von Polytechnik sind mit einer extrem temperaturbeständigen Schamottierung ausgekleidet. Der Schamott schützt die Kammer vor schnellem Verschleiß schützt, reduziert Wärmeverluste und erhöht somit die Verbrennungseffizienz, verteilt die Wärme gleichmäßig, verhindert Hotspots und stabilisiert die Temperatur in der Kammer.

• Optimaler Gasfluss
  Bei der Entwicklung der Lösungen von Polytechnik werden CFD-Computersimulationen eingesetzt. Diese nutzen numerische Methoden und Algorithmen zur Analyse des Synthesegasflusses als Prozess des Wärme- und Stoffaustauschs innerhalb der Kammer. Durch diese virtuellen Experimente werden detaillierte Einblicke in die Prozesse in der Kammer gewonnen und Lösungen entwickelt. Basierend auf den Ergebnissen werden speziell entwickelte Brenner für Synthesegas entwickelt, die eine optimale Verbrennung und damit eine optimale Energiefreisetzung ermöglichen.

• Optimierung des Verbrennungsprozesses durch kontrollierte Luft- und Rezirkulationsgas Beimischung
  Die spezielle Düsengeometrie optimiert die Synthesegas-Luft-Mischung. Der dadurch erzielte Drall erhöht die Turbulenz und Vermischung, beschleunigt die Verbrennung und reduziert die Bildung von Hotspots, die zu NOx-Emissionen führen können. Die Verteilung des Rezirkulationsgases, das in die Primär- oder Sekundärluft oder direkt in die Flammenzone eingedüst werden kann, beeinflusst die Qualität der Verbrennung. Durch die Optimierung und Stabilisierung der Flammentemperatur sowie die Reduzierung der Sauerstoffkonzentration werden die zurückgeführten Rauchgase chemisch kontrolliert. Und schließlich wird durch die Positionierung und Geometrie der Düsen für Sekundär- und Tertiärluft eine gestufte Verbrennung erreicht, die unter anderem zu einer deutlichen Reduzierung der Schadstoffemissionen führt.

Praxisbeispiel:

Das kürzlich fertiggestellte Taaleri-Projekt in Finnland, derzeit die größte Torrefizierungsanlage Europas, ist ein Beispiel für eine solche Kammer.