Biokohle – Klimaretter/MogggelpackungVTYXDDFEOQ-1031201117513-ULZUFZFRFJ}.pdf · HTC-Biokohle Übersicht - Einführung - Input-Materialien und Untersuchungsmethoden - Charakterisierung

Biokohle – Klimaretter/Mogelpackung g g72. Symposium des ANS – 05./06. Oktober 2011

HTC-Biokohle aus organischen Abfällen

Professor Dr.-Ing. Hans-Günter Ramke

Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort HöxterFachgebiet Abfallwirtschaft und Deponietechnik

Prof. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik

ANS Biokohle 2011HTC-Biokohle

Oktober 2011Folie 1


HTC-Biokohle Übersicht

Einführung- Einführung

- Input-Materialien und Untersuchungsmethoden

- Charakterisierung der HTC-Biokohlen

- Einflüsse der Prozessführung- Einflüsse der Prozessführung

- Nutzung der HTC-Biokohlen als Bodenhilfsstoff

- Energetische Nutzung der HTC-Biokohlen

- FazitFazit



Oktober 2011Folie 2

Einführung gTätigkeiten der Arbeitsgruppe

Arbeiten auf dem Gebiet der HTC- Arbeiten auf dem Gebiet der HTC- seit 2007

- DBU-Projekt zur Bioabfall-Carbonisierung (2007 – 2009)

- BMBF-Projekt zur energetischen Nutzung von HTC-Biokohle ( it 2009)(seit 2009)

- DBU-Projekt zur landbaulichen Nutzung von HTC-Biokohle(seit 2009)(seit 2009)

- Industriekooperation mit der KELAG/TFC (seit 2011)

mehrere Kleinprojekte zur Carbonisierung- mehrere Kleinprojekte zur Carbonisierung

- bis 10/2011 13 Projekt- und Bachelorarbeiten



Oktober 2011Folie 3

Einführung gDBU-Projekt - Projektübersicht

Titel- TitelMachbarkeitsstudie zur Energiegewinnung aus organischen Siedlungsabfällen durch hydrothermale Carbonisierungg y g

- ProjektträgerDeutsche Bundesstiftung UmweltDeutsche Bundesstiftung Umwelt

- LaufzeitJ li 2007 J i 2009Juli 2007 - Juni 2009

- Berichthttp://www.hs-owl.de/fb8/fachgebiete/abfallwirtschaft/html/schwerpunkte/hydrothermal.html



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Einführung gProjektbeteiligte

Federführung HTC Versuche und Abfallwirtschaft- Federführung, HTC-Versuche und AbfallwirtschaftProf. Dr.-Ing. H.-G. Ramke, HS Ostwestfalen-Lippe, Höxter

- Grundlagenwissenschaftliche BegleitungProf Dr M Antonietti Dipl -Ing D Blöhse MPI GolmProf. Dr. M. Antonietti, Dipl. Ing. D. Blöhse, MPI Golm

- Verfahrenstechnische FragestellungenDr.-Ing. H.-J. Lehmann, Beratender Ingenieur, Berlin

- Abwassertechnische FragestellungenAbwassertechnische FragestellungenProf. Dr.-Ing. Joachim Fettig, HS Ostwestfalen-Lippe, Höxter



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Input-Materialien und MethodenBatch-Reaktor

Autoklav, Volumen 25 L, mit Steuerung



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Input-Materialien und Methoden Untersuchungsprogramm

Übersicht- Übersicht- Aufzeichnung der Prozessparameter

- Massen-, Kohlenstoff- und Energiegehaltsbilanzen

- Carbonisierung ausgewählter Stoffe (> 250 HTC-Versuche)

- AnalysenG bild t ti l- Gasbildungspotential

- Eigenschaften der „HTC-Biokohle“

- Untersuchungen der flüssigen Phase

- Untersuchungen des Gasphase



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Input-Materialien und Methoden Input-Materialien - Teil 1

Einsatzstoffe (organisch)- Einsatzstoffe (organisch)- Standardmaterialien - Maissilage/Rübenschnitzel

- Rübenschnitzel/Stroh/Gärrest

- Siedlungsabfälle - Bioabfall (Grüne Tonne)Siedlungsabfälle Bioabfall (Grüne Tonne)

- Grünabfälle, Strauchschnitt

- Industrie, Landwirtschaft - Treber, Holzspäne, Stroh

- Schlämme - Gärreste, KlärschlämmeSchlämme Gärreste, Klärschlämme



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Oktober 2011Folie 9


Bioabfall –Input- und Outputmaterial



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Grünschnitt –Input- und Outputmaterial




Charakterisierung der HTC-Biokohlen gUntersuchungsprogramm

Untersuchungsparameter- Untersuchungsparameter- Wassergehalt - Trocknung bei 105 °C

- Glühverlust - Glühen bei 550 °C

- Elementgehalte - CHN: ElementaranalyseElementgehalte CHN: Elementaranalyse

- O = GV – (Corg + H + N)

- organischer Kohlenstoff - TOC = TC – TIC (SCHEIBLER)

- Brennwert - adiabatisches Kalorimeter

- Gasbildungspotential - GB21 bzw. VDI 4630




Charakterisierung der HTC-Biokohlen gInkohlungsdiagramm




Charakterisierung der HTC-Biokohlen gKohlenstoff-Brennwert-Diagramm




Charakterisierung der HTC-Biokohlen gProximatanalyse (wasserfrei)

100%

70%

80%

90%flüchtige BestanteileCfixAscheanteil

40%

50%

60%

70%

[% G

ew.]

10%

20%

30%

40%

Ante

il [

0%

10%

IN

OU

T IN

OU

T IN

OU

T IN

OU

T IN

OU

T

Ref

.

ÜSS Rechengut FS+Grünschnitt Strauchschnitt Grünschnitt Braun-ÜSS Rechengut FS+Grünschnitt Strauchschnitt Grünschnitt Braun-kohle

ÜSS - Überschussschlamm, FS - Faulschlamm




Charakterisierung der HTC-Biokohlen gKohlenstoffbilanz

Kohlenstoffverteilung (Landbau) der Versuchsreihe BioabfallProf. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik



Charakterisierung der HTC-Biokohlen gBewertung der „Biokohle“

Eigenschaften- EigenschaftenDie erzeugten HTC-Produkte („HTC-Biokohlen“) sind in der Regel hinsichtlich ihrer Hauptbestandteile und Brennwerte alsRegel hinsichtlich ihrer Hauptbestandteile und Brennwerte als braunkohleartig zu bezeichnen.

- KohlenstoffeffizienzDie Kohlenstoffeffizienz der HTC, also das Ausmaß des V bl ib d K hl t ff i d f t Ph (d HTCVerbleibs des Kohlenstoffs in der festen Phase (den HTC-Biokohlen), hängt von den Substraten, den Versuchsbedin-gungen, den nachfolgenden Entwässerungsverfahren sowie den durch den Einsatzzweck definierten Anforderungen ab.




Charakterisierung der HTC-Biokohlen gEntwässerungsversuch - 1

- Zylinder 8,0 cm- Druck ca. 15 bar

- Füllhöhe 3,1 cm- Probenmasse ca. 160 g

Versuchsaufbau zur Bestimmung des EntwässerungsverhaltensProf. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik



Charakterisierung der HTC-Biokohlen gEntwässerungsversuch - 2




ProzessführunggProzessvarianten - Standard 1




Prozessführung gProzessvarianten - Standard 2




ProzessführunggKohlenstoff-Brennwert-Diagramm




ProzessführunggTendenzen

Steigerung der Carbonisierungsintensität- Steigerung der Carbonisierungsintensität- höhere Reaktionstemperatur

längere Reaktionszeit- längere Reaktionszeit

- erhöhte Carbonisierung und Energieverdichtung

Ab h d K hl t ff t il i d f t Ph- Abnahme der Kohlenstoffanteile in der festen Phase

- harte Biomassen benötigen höhere Temperaturen (> 200 °C)

- Prozesswasserkreislaufführung- Steigerung der Energieverdichtung- Steigerung der Energieverdichtung

- verbesserte Entwässerbarkeit





Nutzung als Bodenhilfsstoff gProjektübersicht - Teil 1

DBU Projekt- DBU-ProjektRezyklierung organischer Abfälle nach Hydrothermaler Carbonisierung (HTC) auf landwirtschaftlichen Flächen zurCarbonisierung (HTC) auf landwirtschaftlichen Flächen zur Bodenverbesserung und C-Sequestrierung

- Laufzeit: 3 Jahre, ab 01.04.2009

- Ansprechpartnerin: Dipl -Ing Anika Hendricks- Ansprechpartnerin: Dipl.-Ing. Anika Hendricks

- ZielUmfassende Prüfung der agronomisch-ökologischenEigenschaften von HTC-Biokohle zur landbaulichen Verwertung.





Nutzung als Bodenhilfsstoff gProjektübersicht - Teil 2

Projektpartner- Projektpartner- Institut für Zuckerrübenforschung, Uni Göttingen

Federführung und FeldversucheFederführung und Feldversuche

- FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik, HS OWLCarbonisierungsversuche, HTC-Biokohle Charakterisierungg , g

- Julius-Kühn-Institut, BraunschweigGefäß- und Systemversuche

- Institut für Biologie, FU BerlinBodenbiologie

- Willi Schlitt GmbH & Co. KG, Antrifttal HTC-Herstellung





Nutzung als Bodenhilfsstoff gWasserhaltekapazität - Teil 1

Maximale Wasserkapazität

- Methode

Maximale Wasserkapazität

- nach BGK, modifiziert

- 30 mL-Plexiglaszylinder

- Bestimmung der Rohdichtenach Fall-Verdichtung

- Sand + 10 Gew -% BiokohleSand + 10 Gew. % Biokohle

- 5 Wiederholungen





60,0

40 0

50,0

ät [G

ew.-%

]

30,0

40,0

serk

apaz

itä

10 0

20,0

xim

ale

Was

s

0,0

10,0

d Ref.2/1

804/1

808/1

802/1

804/2

004/2

204/2

50

0VA+

2/180

4/180

8/180

2/180

4/200

4/220

4/250

4/180

Max

Maximale Wasserkapazität bei Zugabe von 10 % HTC-Biokohle

Sand R

RSnm 2/

RSnm 4/

RSnm 8/

RSnm 12

/RSnm

4/RSnm

4/RSnm

4/RSnm

4/18

0VBT 2/BT 4/BT 8/BT 12

/BT 4/BT 4/BT 4/

S_BT_4

/





Relative Veränderung WKmax bei Zugabe von 10 % HTC-BiokohleProf. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik




Ergebnisse Tests maximale Wasserkapazität- Ergebnisse Tests maximale Wasserkapazität- Maximale Wasserkapazität von Sand wird durch

Applikation von HTC Biokohle deutlich erhöhtApplikation von HTC-Biokohle deutlich erhöht

- Bei Einmischung der frischen Kohle deutlich bessere Ergebnisse g

- Verbesserungen der WKmax besonders durch mildcarbonisierte HTC-Biokohlen

- Bestimmung der nFK sinnvoll (oder pF-Kurven)




Nutzung als Bodenhilfsstoff gAuslaugverhalten und Nährstoffhaltekapazität - Teil 1

Auslaugverhalten und Nährstoffhaltekapazität- Methode

Sä len ers che

Auslaugverhalten und Nährstoffhaltekapazität

- Säulenversuche- 120 mm, h = 20 cm- Beregnung mit 6 · 60 mm/h

- Durchführung

- Bachelorarbeit Hermann RegehrBachelorarbeit Hermann Regehr- Projektarbeit Julia Pascal





Gesamtübersicht Auslaugverhalten Nitrat - DurchbruchskurvenProf. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik




Prozentualer Austrag des Nitrats nach Aufgabe der DüngelösungProf. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik




Ergebnisse der Tests zum Nitrat “Rückhalt“:- Ergebnisse der Tests zum Nitrat-“Rückhalt“:- Holzkohle (Soel) 0%

- Torf ca. 55%

- HTC-RS (TM!) ca. 8%

- Bei HTC-BT (FM) wurde nur 1% im Perkolat gefunden, was darauf hindeutet, das 99% gespeichert wurden

- Untersuchung auf Nitrit hat „Verschwinden“ des Nitrats nicht geklärt

→ Neue Auslaugversuche mit Untersuchung der Festphase→ Neue Auslaugversuche mit Untersuchung der Festphase




Nutzung als Bodenhilfsstoff gKurzzeitiges Abbauverhalten - Teil 1

Kurzzeitiges Abbauverhalten

- Methode

Kurzzeitiges Abbauverhalten

- Bestimmung der Atmungsaktivität AT28

- SENSOMAT-SystemSENSOMAT System

- Animpfung mit Kompost- je 3 Wiederholungen

- Auswertung in Abhängigkeitvon der Probeneinwaage

- „Aufstockungsmethode“





Aerober Abbautest nach AT28-AufstockungsmethodeProf. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik





12,0

8,0

10,0

% o

TS]

AT-28AT-4

4 0

6,0

baug

rad

[%

0 0

2,0

4,0

Abb

0,0

Pyreg

T 4/250

gewLF

m4/2

50ge

wLFBT 3/

220 g

ewS_R

S_2 ge

wBT 3/

200 g

ewn 1

2/220

gew

SRS_3

M gew

T 4/180

gewLF

m4/1

80ge

wLFAlge

n 12/2

20

Vergleich aerober Abbautest AT4 - AT28

BT

RSnm B S B

Algen S_

BT

RSnm A






Ergebnisse Abbautests- Ergebnisse Abbautests- Methode gut geeignet zur Beschreibung des kurz-

bis mittelfristigen Abbauverhaltensbis mittelfristigen Abbauverhaltens

- HTC-Biokohlen müssen gewaschen werden, um die Abbaubarkeit der festen Phase zu ermitteln

- Tests über 28 Tage aussagefähiger als Tests über 4 Tage

- Abbaubarkeit nimmt tendenziell mit heißer und längererAbbaubarkeit nimmt tendenziell mit heißer und längerer Carbonisierung ab




Nutzung als Bodenhilfsstoff gSchadstoffanalytik - Teil 1

Ergebnisse Schadstoffanalytik- Ergebnisse Schadstoffanalytik- keine PAK, BTX und Chlororganika

- bei der Carbonisierung entstehen verschiedene Phenolhomologe

j h iß d lä di C b i i- je heißer und länger die Carbonisierung, desto höher der Phenolindex

- nur ein Teil des Phenolindex wird durch das Phenolnur ein Teil des Phenolindex wird durch das Phenol verursacht (Screening ProChem: 7 mg von 36 mg)

- die meisten der Inhaltsstoffe der flüssigen Phase sind ggut mikrobiell abbaubar




Nutzung als BodenhilfsstoffgSchadstoffanalytik - Teil 2

Untersuchung der HTC Suspension- Untersuchung der HTC-Suspension

- Untersuchung von fester und flüssiger Phase




Energetische Nutzungg gProjektübersicht - Teil 1

BMBF Projekt Förderlinie FHprofUnd- BMBF-Projekt, Förderlinie FHprofUndVerbesserte energetische Nutzung organischer Industrieabfälledurch Hydrothermale Carbonisierungdurch Hydrothermale Carbonisierung

- Laufzeit: 4 Jahre, ab 01.07.2009

- Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Dennis Blöhse

- Ziel: Gezielte Prozessführung der HTC organischer IndustrieabfälleGezielte Prozessführung der HTC organischer Industrieabfälle zur Herstellung von HTC-Biokohle zur energetischen Nutzung





Energetische Nutzungg gProjektübersicht - Teil 2

Arbeitsprogramm- Arbeitsprogramm- Auswahl organischer Industrieabfälle

(Vorauswahl Test im 25 L Reaktor)(Vorauswahl, Test im 25-L-Reaktor)

- Bau und Betrieb eines quasi-kontinuierlichen Reaktors(Nachweis der Energieautarkie, Optimierung des HTC-Prozesses)( g , p g )

- Ermittlung verfahrenstechnischer Parameter für Großanlage(Reaktionskinetik, Energieeffizienz, Anlagenparameter)

- Untersuchung des Verbrennungsverhaltens(Brennstoffeigenschaften, Verbrennungsverhalten, Abgastests)




Energetische Nutzung g gIndustriekooperation

Ziele der Industriekooperation- Ziele der Industriekooperation- Bau eines quasi-kontinuierlichen Reaktors

für F & E Zwecke (200 L Reaktor)für F & E - Zwecke (200 L-Reaktor)

- Ermittlung von Prozessparametern für Großanlagen (Klärschlamm)( )




Energetische Nutzung g gReaktorspezifikation - Teil 1

Reaktorauslegung- Reaktorauslegung- quasi-kontinuierlich arbeitender Reaktor

- optimiertes Wärmemanagement

- Volumen Reaktionsbehälter 200 L

- Temperaturen bis 250 °C

- Drücke bis 50 bar

- KonzeptDr.-Ing. H.-J. Lehmann(Liebenau)




Energetische Nutzungg gReaktorspezifikation - Teil 2

MobilerMobiler halbtechnischer Versuchsreaktor

09/2011:09/2011: erfolgreicher

kontinuierlicher Betrieb




FazitFazit

Arbeitsstand und Ausstattung- Arbeitsstand und Ausstattung- breites Spektrum an Untersuchungsmöglichkeiten

einschließlich halbtechnischem Durchlaufreaktor- einschließlich halbtechnischem Durchlaufreaktor

- über 250 Carbonisierungen- zahlreiche Tests der HTC-Biokohle

- Weiteres Vorgehen- energetische Optimierung des Prozesses

- Tests der HTC-Biokohlen zur energetischen Nutzung

- Optimierung der HTC-Biokohlen zur landbaulichen Nutzung




AdressenAdressen

Professor Dr -Ing Hans-Günter RamkeProfessor Dr.-Ing. Hans-Günter Ramke

Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort HöxterFachbereich Umweltingenieurwesen und Angewandte Informatikg gFachgebiet Abfallwirtschaft und DeponietechnikAn der Wilhelmshöhe 44, 37671 HöxterTel. 05271/687-130; Telefax 05271/687-200E Mail hans g enter ramke@hs o l deE-Mail [email protected] Web http://www.hs-owl.de/fb8/fachgebiete/abfallwirtschaft/




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