Schlüsselwörter
(Englisch)
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Gasification, biochar, combustion, high ash fuels
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Erprobung einer angepassten Verfahrens- und Anlagentechnik für die Vergasung- Verbrennung von Holz, Holzkorkbriketts, Siebüberlauf aus Biogasanlagen und HTC-Kohle aus der hydrothermalen Karbonisierung. Durch die Vergasung dieser Ausgangsstoffe soll ein Brenngas erzeugt werden, dessen Verbrennung fossile Brennstoffe in der Produktion von Prozess wärme ersetzen kann. Im Gas-Brenner soll eine optimale Verbrennung erreicht werden, um Schadstoffemissionen zu minimieren.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The aim of the project is the development and testing of an adapted process and plant technology for the gasification-combustion of wood, briquetted cork briquetted, solids from the sieving process in biogas plants and HTC char from hydrothermal car- bonization. The gasification of these materials should produce a gas, whose combustion could replace the currently used fossil fuels in the production of process heat. The combustion in the gas bumer should be optimized such that low pollutant émissions can be achieved.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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L'objectif du projet est de développer et de tester une technique de procédé et d'installation adaptée pour la gazéification-combustion du bois, des briquettes de liège de bois, du trop-plein de tamisage des installations de biogaz et du charbon HTC issu de la carbonisation hydrothermique. La gazéification de ces matières premières doit permettre de produire un gaz combustible dont la combustion peut remplacer les combustibles fossiles dans la production de chaleur industrielle. Une combustion optimale doit être obtenue dans le brûleur à gaz afin de minimiser les émissions de polluants.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Ausgangslage
Für diverse Anwendungen in der Industrie und der Landwirtschaft wird Prozesswärme benötigt. Im Jahr 2022 lag dieser industrielle Verbrauch bei rund 80 PJ. Neben Strom werden dazu in der Regel fossile Energieträger als Primärenergiequelle zur Bereitstellung von Prozesswärme verwendet. Eine Möglichkeit, wie zukünftig Prozesswärme ökologisch bereitgestellt werden könnte, bildet die Nutzung von biogenen Reststoffen als Energiequelle. Um diese Reststoffe aber emissionsarm zu verbrennen, muss der Brennstoff optimal mit der Verbrennungsluft durchmischt werden, was am besten gelingt, wenn der Brennstoff in gasförmiger Form vorliegt, bzw. zuerst in den gasförmigen Zustand gebracht wird. Ziel dieses Projektes war die Entwicklung und Erprobung einer angepassten Verfahrens- und Anlagentechnik für die Vergasung und nachgeordnete Verbrennung von naturbelassenem Holz, Holzkorkbriketts und dem holzigen Siebüberlauf aus Biogasanlagen sowie optional HTC-Kohle aus der hydrothermalen Karbonisierung zur Erzeugung von Hochtemperaturprozesswärme. So können diese Biomassen für Prozesswärmeanwendungen in der Industrie oder Landwirtschaft eingesetzt werden, was einen Betrag zur erfolgreichen Umsetzung der Energiestrategie 2050 des Bundes leistet.
Brennstoffe
Durch die Brennstoffanalysen wurden für die Untersuchungen im weiteren Projektverlauf die drei Brennstoffe Holzkorkbriketts, Siebüberlauf aus der Kompostierung und Siebüberlauf aus der Vergärung ausgewählt. Die Holzkorkbriketts weisen wegen ihres niedrigen Ascheschmelzpunktes ein leicht erhöhtes Potenzial für Verschlackungen auf, während die Siebüberläufe, wahrscheinlich durch anhaftende Verunreinigungen, einen hohen Ascheanteil und durch jahreszeitliche Schwankungen im Vegetationswachstum eine volatile Zusammensetzung haben. Alle Brennstoffe haben einen im Vergleich zu naturbelassenem Holz erhöhten Stickstoff- und Schwefelgehalt, sodass erhöhte Stickoxid-(NOx) und Schwefeloxidemissionen (SO2) bei der Verbrennung erwartet wurden. Auch der Chlorgehalt ist bei den untersuchten biogenen Abfällen erhöht im Vergleich zu Holz. In besonderem Masse gilt dies für die Holzkorkbriketts, unter anderem, weil sie mit PVC verunreinigt sind. Auch bei verschiedenen Chargen von Siebüberlauf aus der Vergärung konnten hohe Chlorkonzentrationen gemessen werden. Chlor im Ausgangssubstrat kann bei der energetischen Nutzung die Bildung von polychlorierten
Dibenzo-p dioxinen und Dibenzofuranen (PCDD/F) begünstigen.
Versuchsanlage und Substratversuche
Am «Energiepark Grischa» in Chur wurde die Versuchsanlage installiert. Diese besteht aus einem Doppelfeuervergaser der Firma AHT, der in der Lage ist unterschiedliche Biomassen, trotz hohem Aschegehalt und tiefer Ascheerweichungstemperatur, zu vergasen und somit energetisch nutzbar zu machen. Zweiter Bestandteil der Anlage ist ein LowNOx-Brenner der Firma CharcoTec, der das Rohgas aus dem Vergaser verbrennt und der Wärmeproduktion dient. Nach Vorversuchen an dieser Anlage mit allen drei ausgewählten Substraten und mit naturbelassenem Scheitholz als Vergleich konnten die Holzkorkbriketts für die Langzeitversuche empfohlen werden, da sie einen stabilen Betrieb ermöglichten und mit Holz vergleichbar niedrige Emissionen an NOx, SO2, sowie PCDD/F zeigten. In den Langzeitversuchen mit den Holzkorkbriketts wurden aber im Vergleich zu Holz erhöhte NOx- und SO2 Emissionen gemessen und es zeigte sich bei den Brennstoffanalyse der verschiedenen Chargen, dass sie sich in ihrer Qualität bzgl. der Zusammensetzung und der physikalischen Eigenschaften (z.B. Feinanteil) stark unterschieden haben.
Fazit
Die Feldmessungen haben gezeigt, dass der Vergasungs-Verbrennungsprozess für bestimmte biogene Reststoffe mit definierter konstanter Zusammensetzung und Brennstoffeigenschaften (z.B. Stückigkeit, Feinanteil) prinzipiell möglich ist und niedrige Emissionswerte erreicht werden können. Die Emissionen von SO2 und NOx und PCDD/F bei der Verwendung der untersuchten Brennstoffe hängen stark von der Brennstoffzusammensetzung ab. Von Charge zu Charge kann die Zusammensetzung als auch die anderen Brennstoffeigenschaften stark variieren. So hat sich beispielsweise gezeigt, dass sich die im Projektverlauf favorisierten LICO-Holzkorkbriketts aufgrund ihres hohen Feinanteils nicht für einen Langzeitbetrieb in einem Vergaser dieser Bauart eignen. Allenfalls könnte eine Mischung mitnaturbelassenen Holzscheiten oder ein anderes Brikettierverfahren Abhilfe schaffen. Auf jeden Fall muss für eine Verwendung der alternativen Brennstoffe in Vergasern eine Brennstoffspezifikation mit Werten und Toleranzen zur deren Zusammensetzung und den Brennstoffeigenschaften definiert werden und durch geeignete Qualitätssicherungs-Massnahmen im Herstellungsprozess muss sichergestellt werden, dass der Brennstoff der Spezifikation entspricht (analog zu Holzpellets). Wie diese Spezifikation aussehen könnte, sollte Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein. Das Verfahren kann einen ökologischen Mehrwert gegenüber der Behandlung der biogenen Reststoffe in Altholzverbrennungsanlagen darstellen, wenn der Gesamtwirkungsgrad der Vergasungs-Verbrennungsanlage gesteigert wird, z.B. durch die Erzeugung von Strom und Wärme. Zusätzlich besteht eine ökonomische Attraktivität, sofern die Entsorgungskosten für holzige Abfallströme steigen. Unter diesen Umständen kann das getestete Verfahren der kombinierten Vergasung und Verbrennung eine Möglichkeit darstellen, lokal wertvolle Hochtemperatur Wärme für industrielle Anwendungen zur Verfügung zu stellen und damit direkt fossile Energie zu ersetzen.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Initial situation
Process heat is required for various applications in industry and agriculture. In 2022, industrial process heat in Switzerland amounted to around 80 PJ. In addition to electricity, fossil fuels are generally used as the primary energy source for the provision of process heat. One way in which process heat could be provided ecologically in the future is by utilizing solid biomass waste as an energy source. However, in order to burn these wastes with low emissions, the fuel must be optimally mixed with the combustion air, which is best achieved if the fuel is in gaseous form. The aim of this project was to develop and test an adapted process and plant technology for the gasification and downstream combustion of untreated wood, wood cork briquettes and the screened woody overflow from biogas plants as well as optional HTC coal from hydrothermal carbonization for the generation of high-temperature process heat. This would enable their use for process heat applications in industry or agriculture, which would contribute to the successful implementation of the federal government's Energy Strategy 2050.
Fuels
As a result of the fuel analyses, the three fuels, wood cork briquettes, screened overflow from composting and screened overflow from biogas plants were selected for investigation in the further course of the project. The wood cork briquettes have a slightly increased potential for slagging, while the screened overflows have a high ash content due to impurities and additionally have a variable composition due to seasonal fluctuations in vegetation growth. All fuels have an increased nitrogen and sulfur content compared to untreated wood, so that increased nitrogen oxide (NOx) and sulfur oxide (SO2) emissions were expected during combustion. The chlorine content is also higher in the biogenic waste examined as compared to wood. This applies in particular to the wood cork briquettes, partly because they are contaminated with PVC. High chlorine concentrations were also measured in various batches of screen overflow from the biogas plants. Chlorine in the initial substrate can promote the formation of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and dibenzofurans (PCDD/F) during energy recovery.
Test facility and substrate tests
The test plant was installed at the "Energiepark Grischa" in Chur. It consists of a double-fire gasifier from the company AHT, which can gasify different biomasses despite their high ash content and low ash softening temperature and thus enable their energetic utilization. The second component of the system is a LowNOx burner, which burns the raw gas from the gasifier and is used to produce heat. After preliminary tests on this system with all three selected substrates and with untreated logs as a comparison, the wood cork briquettes were recommended for the long-term tests, as they enabled stable operation and showed comparably low emissions of NOx, SO2 and PCDD/F compared to wood. In the long-term tests with the wood cork briquettes, however, increased NOx and SO2 emissions were measured compared to wood and the fuel analysis of the various batches showed that they differed greatly in terms of quality, composition and physical properties (e.g. fines content).
Conclusion
The field measurements have shown that the gasification combustion process is possible in principle for certain waste solid biomasses with a defined constant composition and fuel properties (e.g. lumpiness, fines content) and that low emission values can be achieved. The emissions of SO2 and NOx and PCDD/F when using the investigated fuels depend strongly on the fuel composition. It has been shown that both the composition and the other fuel properties (e.g. fines content) can vary greatly from batch to batch. For example, it has been shown that the LICO wood cork briquettes favored in the course of the project are not suitable for long-term operation in a gasifier of this type due to their high fines content. At best, a mixture with untreated logs or another briquetting process could provide a solution. In any case, for the use of alternative fuels in gasifiers, a fuel specification with values and tolerances for their composition and fuel properties must be defined and suitable quality assurance measures in the manufacturing process must ensure that the fuel meets the specification (analogous to wood pellets). What this specification could look like should be the subject of future investigations. The process can represent an ecological added value compared to the treatment of biogenic residues in waste wood incineration plants if the total efficiency of the gasification incineration plant is increased, for example, by the production of both electricity and heat. It is also economically attractive if the disposal costs for woody waste streams increase. Under these circumstances, the tested process of combined gasification and incineration can represent an opportunity to provide valuable high-temperature heat locally for industrial applications and thus directly replace fossil energy.
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Schlussbericht
(Französisch)
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Situation de départ
La chaleur de processus est nécessaire pour diverses applications dans l'industrie et l'agriculture. En 2022, cette consommation industrielle était d'environ 80 PJ. Outre l'électricité, les énergies fossiles sont généralement utilisées comme source d'énergie primaire pour fournir de la chaleur de processus. L'utilisation de résidus biogènes comme source d'énergie offre une possibilité de fournir à l'avenir de la chaleur de processus de manière écologique. Afin de brûler ces résidus avec un minimum d'émissions, le combustible doit être mélangé de manière optimale avec l'air de combustion, ce qui réussit le mieux lorsque le combustible se présente sous forme gazeuse ou est d'abord amené à l'état gazeux. L'objectif de ce projet est de développer et de tester une technique de procédé et d'installation adaptée pour la gazéification et la combustion en aval de bois naturel, de briquettes de liège et de bois et du refus de criblage ligneux provenant d'installations de biogaz ainsi que, en option, de charbon HTC issu de la carbonisation hydrothermale pour la production de chaleur de processus à haute température. Ces biomasses pourraient ainsi être utilisées pour des applications de chaleur de processus dans l'industrie ou l'agriculture, ce qui contribuerait à la mise en oeuvre de la stratégie énergétique 2050 de la Confédération.
Combustibles
Les analyses des combustibles ont permis de sélectionner trois combustibles pour les études ultérieures du projet : les briquettes de liège, les refus de criblage du compostage et les refus de criblage issus de la méthanisation. Les briquettes de liège présentent un potentiel de scories légèrement plus élevé, tandis que les deux types de refus de criblage ont une forte teneur en cendres, probablement en raison impuretés qui y adhèrent, et une composition volatile en raison des variations saisonnières de la croissance de la végétation. Tous les combustibles ont une teneur en azote et en soufre plus élevée que le bois à l'état naturel, de sorte que des émissions accrues d'oxyde d'azote (NOx) et d'oxyde de soufre (SO2) étaient attendues lors de la combustion. La teneur en chlore des déchets biogènes étudiés est également plus élevée que celle du bois. C'est particulièrement vrai pour les briquettes de liège de bois, notamment parce qu'elles sont contaminées par du PVC. Des concentrations de chlore relativement élevées ont également été observées dans le refus de criblage issu de la méthanisation. Le chlore présent dans le substrat de départ peut favoriser la formation de Polychlorodibenzo-p-dioxine et de Polychlorodibenzofurane (PCDD/F) lors de l'utilisation énergétique.
Installation expérimentale et essais de substrats
L'installation expérimentale a été mise en place au "Energiepark Grischa" à Coire. Elle se compose d'un gazéificateur à double foyer de l'entreprise AHT, capable de gazéifier différentes biomasses malgré une teneur élevée en cendres et une température basse de déformation des cendres, et donc de rendre possible leur valorisation énergétique. Le deuxième élément de l'installation est un brûleur LowNOx qui brûle le gaz brut du gazéificateur et sert à la production de chaleur. Après des essais préliminaires sur cette installation avec les trois substrats choisis et avec des bûches à l'état naturel comme comparaison, les briquettes de liège de bois ont pu être recommandées pour les essais à long terme, car elles permettaient un fonctionnement stable et présentaient des émissions de NOx, de SO2 et de PCDD/F comparables à celles du bois. Lors des essais de longue durée avec les briquettes de liège de bois, des émissions accrues de NOx et de SO2 ont toutefois été mesurées par rapport au bois, et l'analyse du combustible des différents lots a montré que leur qualité était très différente en termes de composition et de propriétés physiques (par exemple teneur en fraction fine).
Conclusion
Les mesures effectuées sur le terrain ont montré que le processus de gazéification suivi d’une combustion est en principe possible pour certains résidus biogènes dont la composition et les propriétés du combustible (par exemple la taille des morceaux, la teneur en fraction fine) sont définies et constantes, et que de faibles valeurs d'émission peuvent être atteintes. Les émissions de SO2 et de NOx et de PCDD/F lors de l'utilisation des combustibles étudiés dépendent fortement de la composition du combustible. D'un lot à l'autre, la composition ainsi que les autres caractéristiques du combustible peuvent varier considérablement. Il s'est avéré, par exemple, que les briquettes de liège de bois LICO, favorisées au cours du projet, ne conviennent pas à un fonctionnement de longue durée dans un gazéificateur de ce type en raison de leur teneur élevée en fraction fine. Tout au plus, un mélange avec des bûches de bois à l'état naturel ou un autre procédé de briquetage pourrait y remédier. En tous cas, l'utilisation des combustibles alternatifs dans les gazéificateurs nécessite la définition d'une spécification du combustible avec des valeurs et des tolérances sur sa composition et ses propriétés, et des mesures d'assurance qualité appropriées dans le processus de fabrication doivent garantir que le combustible correspond à la spécification (comme pour les granulés de bois). La forme que pourrait prendre cette spécification devrait faire l'objet d'études futures. Le procédé pourrait représenter une plus-value écologique par rapport au traitement actuel des résidus biogènes, notamment si le rendement énergétique de l'installation de gazéification et de combustion est supérieur au traitement actuel. En outre, il présente un intérêt économique si les coûts d'élimination des flux de déchets ligneux augmentent. Dans ces conditions, le procédé testé de gazéification et de combustion combinées peut constituer une possibilité de fournir localement de la chaleur à haute température pour des applications industrielles et de remplacer ainsi directement des agents énergétique fossiles.
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