Biokohle: Herstellung, Eigenschaften und Verwendung von Biomassekarbonisaten

458 Pages·2016·22.36 MB·German

by  Peter Quicker

Peter Quicker
Kathrin Weber Hrsg.
Biokohle
Herstellung, Eigenschaften und
Verwendung von Biomassekarbonisaten
Biokohle
Peter Quicker • Kathrin Weber
Herausgeber
Biokohle
Herstellung, Eigenschaften
und Verwendung von Biomassekarbonisaten
Herausgeber
Peter Quicker
Lehr- und Forschungsgebiet Technologie Kathrin Weber
der Energierohstoffe Department of Energy and Process Engineering,
RWTH Aachen University Norwegian University of Science and Technology
Aachen, Deutschland Trondheim, Norwegen
ISBN 978-3-658-03688-1 ISBN 978-3-658-03689-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-658-03689-8
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Lektorat: Dr. Daniel Fröhlich
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Vorwort
Peter Quicker und Kathrin Weber
Karbonisate aus Biomasse sind seit einigen Jahren für verschiedene Anwendungsberei-
che ein hochaktuelles Thema. Wie bei vielen heutigen energie- und rohstoffspezifischen
Themen sind die Treiber hinter dieser Entwicklung der Klimaschutz und ökologisch moti-
vierte Ansätze: Die Energiewirtschaft und Industrie streben nach CO-neutralen Brenn- und
2
Rohstoffen, die Landwirtschaft nach effizienten und gleichzeitig ökologisch wertvollen
Düngern und die Abfallwirtschaft sucht Verfahren zur energie- und ressourcenoptimierten
Reststoffverwertung.
Den unterschiedlichen Anwendungsgebieten entsprechend haben sich verschiedene
verfahrenstechnische Ansätze konkretisiert, mit denen Stoffe spezifisch behandelt und Ei-
genschaften gezielt erreicht werden sollen. Neben der klassischen langsamen Mitteltem-
peraturpyrolyse werden hierzu die Torrefizierung und die Hydrothermale Karbonisierung
eingesetzt – zumindest im Versuchs- und Pilotmaßstab.
Diese Herstellungsverfahren, in Prozesstechnik und Thermochemie, sowie die Anwen-
dungsgebiete von Biomassekarbonisaten sind Thema des vorliegenden Buches. Außerdem
werden die Eigenschaften der Karbonisate dargestellt und diskutiert. Der Schwerpunkt der
Ausführungen – hinsichtlich Eigenschaften und Anwendung – liegt auf Karbonisaten aus
der Pyrolyse. Als Holzkohle haben diese Karbonisate schon jahrhundertelange Tradition
und auch aktuell noch große Bedeutung in Herstellung und Anwendung. Die Hydrothermale
Karbonisierung sucht dagegen als relativ neues Verfahren derzeit noch nach geeigneten
Einsatzfeldern. Angesprochen werden auch Karbonisate, die als Nebenprodukte, wie z. B.
bei der Holzvergasung, anfallen.
Ziel des Buches ist es, das Wissen zur Thematik Biomassekarbonisate zu bündeln
und in kompakter Form darzustellen. Insbesondere im Bereich der Anwendung sind
dabei sehr heterogene Themenfelder betroffen – von der Stahlerzeugung bis zur Land-
wirtschaft.
Um bei dieser Themenvielfalt dennoch fachspezifisch kompetente Informationen be-
reitstellen zu können, haben neben den Herausgebern eine ganze Reihe von Fachleuten als
Autoren von Einzelkapiteln an der Entstehung dieses Buches mitgewirkt, für deren meist
hilfreiche Beiträge an dieser Stelle herzlich gedankt werden soll. Ebenso gilt der Dank den
Herstellern der im Buch beschriebenen Karbonisierungsverfahren und weiteren Firmen und
V
VI Vorwort
Personen, die Informationen und (Bild)Materialien für die Veröffentlichung bereitgestellt
haben, sowie dem Verlag, der das Buch ermöglicht hat.
Besonders gedankt sei den Mitarbeitern des Lehr- und Forschungsgebietes Technologie
der Energierohstoffe an der RWTH Aachen sowie der Leitung der Gruppe für Thermische
Energietechnik an der NTNU Trondheim, welche die Entstehung des Buches im täglichen
Berufsalltag unterstützt und gefördert haben.
Aachen und Trondheim im April 2016 Peter Quicker und Kathrin Weber
Abkürzungen, Formelzeichen, Indizes und Einheiten
Abkürzungen
ADE Amazon Dark Earth
AFS Abfiltrierbare Stoffe
APR Aqueous Phase Reforming
BET Brunauer – Emmett – Teller, Erfinder der gleichnamigen Methode zur
Oberflächenbestimmung poröser Körper mittels Gasadsorption
BHKW Blockheizkraftwerk
BImSchG Bundes-Immissionsschutzgesetz
BImSchV Bundes-Immissionsschutzverordnung
BM Biomasse
BMC Biochar-Mineral Complexes
BMK Biomassekarbonisat(e)
BSB Biologischer Sauerstoffbedarf nach 5 Tagen
5
BSB Biologischer Sauerstoffbedarf nach 20 Tagen
20
CSB Chemischer Sauerstoffbedarf
CSR Coal Strength after Reaction
DAEM Distributed Activation Energy Models (Modelle mit verteilter
Aktivierungsenergie)
DDD Dichlordiphenyldichlorethan
DDT Dichlordiphenyltrichlorethan
DIET Direct Interspecies Electron Transfer
DOC Dissolved Organic Carbon (gelöster organischer Kohlenstoff)
DON Deoxynivalenol (Mykotoxin)
DRI Direct Reduced Iron (Eisenschwamm)
DTG Differentialthermogravimetrie
EBC European Biochar Certificate
EPA Environmental Protection Agency (USA)
FIBL Forschungsinstitut für biologischen Landbau (Schweiz)
FLOX Flammenlose Oxidation
VII
VIII Abkürzungen, Formelzeichen, Indizes und Einheiten
FSI Free Swelling Index (Kennzahl zur Charakterisierung des Backvermögens
von Kokskohlen)
FWL Feuerungswärmeleistung
fm Festmeter, bezeichnet einen Kubikmeter fester Holzmasse (ohne
Zwischenräume)
FS Frischsubstanz oder Feuchtsubstanz
HBI Hot Briquetted Iron (Eisenschwamm)
HGI Hardgrove Grindability Index (zur Charakterisierung der Mahlbarkeit)
HTA Hydrothermal Activation (Hydrothermale Aktivierung)
HTC Hydrothermal Carbonization (Hydrothermale Karbonisierung)
HTP Hochtemperaturpyrolyse (> 800 °C)
HTL Hydrothermal Liquefaction (Hydrothermale Verflüssigung)
HTG Hydrothermal Gasification (Hydrothermale Vergasung)
IM Intermediat (Zwischenprodukt)
ISSS International Society of Soil Science (früherer Name der IUSS)
IUSS International Union of Soil Sciences (Internationale Vereinigung
Bodenwissenschaften)
k.A. keine Angaben
KAK Kationenaustauschkapazität
KWK Kraft-Wärme-Kopplung
LBO Lichtbogenofen
LCA Life Cycle Analysis (Lebenszyklusanalyse)
LF (elektrische) Leitfähigkeit
MAP Magnesium-Ammonium-Phosphat
MBR Membranbioreaktor
MRT Mean Residence Time
MTP Mitteltemperaturpyrolyse (500–800 °C)
NDF Neutral Detergent Fiber (Neutrale Detergentien Faser)
n.e. nicht ermittelt
N Gesamtstickstoff
GES
N Gesamtstickstoff, gebunden
GES,b
NO-N Nitrit-Stickstoff
2
NO-N Nitrat-Stickstoff
3
NPK Stickstoff-Phosphat-Kalium(-Dünger)
NTK Niedertemperaturkonvertierung
NTP Niedertemperaturpyrolyse (< 500 °C)
OA Ochratoxin (Mykotoxin)
ORC Organic Rankine Cycle
OS Originalsubstanz
oTS organische Trockensubstanz (org. Trockenrückstand oTR bzw. -masse oTM)
PAK Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe
PCB Polychlorierte Biphenyle
Abkürzungen, Formelzeichen, Indizes und Einheiten IX
PCDD Polychlorierte Dibenzodioxine
PCDF Polychlorierte Dibenzofurane
PCI Pulverized Coal Injection (Kohlenstaubeinblasen im Hochofen)
PGPB Plant Growth Promoting Bacteria
PMI Impact Grindability Index (Prallmahlindex)
P Gesamtphosphor
GES
PO-P Phosphat
4
RAM Redox Active Material (Redox-aktive funktionale Gruppen)
RCP Representative Concentration Pathways (Repräsentative
Konzentrationspfade)
RG Reaktionsgeschwindigkeit
RGK Reaktionsgeschwindigkeitskonstante
RME Rapsmethylester
ROM Run of Mine (Korngröße bei der Kohleanlieferung aus der Mine)
SAF Submerged Arc Furnace
SCWG Super Critical Water Gasification (Überkritische Wasservergasung)
SGOT Serum Glutamin Oxaloacetic Transminase
SGPT Serum Glutamin Phosphat Transminase
SOM Soil Organic Matter
SZF Spaltzugfestigkeit [MPa]
TAN Total Acid Number (Säurezahl)
TCR Thermo-katalytisches Reforming
TDH Thermo-Druck-Hydrolyse
TGA Thermogravimetrische Analyse
THG Treibhausgase
TKN Total Kjeldahl-Nitrogen (Gesamter Kjeldahl-Stickstoff)
TMW Tagesmittelwert
TOC Total Organic Carbon (Gesamter organischer (organisch gebundener)
Kohlenstoff)
TS Trockensubstanz (entspricht Trockenrückstand TR bzw. -masse TM)
UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor (Schlammbettreaktor)
UHP Ultra High Power
ÜSS Überschussschlamm (überschüssiger Belebtschlamm aus der
Abwasserreinigung)
VOC Volatile Organic Compounds (Flüchtige organische Verbindungen)
VTC Vapothermal Carbonization (Vapothermale Karbonisierung)
waf wasser- und aschefrei
wf wasserfrei
WS Wirbelschicht
ZEA Zearalenone (Metabolit der Schimmelpilzart Fusarium)
X Abkürzungen, Formelzeichen, Indizes und Einheiten
Formelzeichen
C Gehalt fixer Kohlenstoff [kg/kg], [Ma.-%]
fix
c Konzentration der Komponente i [mol/m³]
i
d Differenzialoperator für die erste Ableitung [−]
E Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion j [kJ/mol]
A j
Ε Porosität (Verhältnis von Leeraum- zu Feststoffvolumen) [m³/m³], [%]
f(b) Reaktionsintensität [−]
f(g) Umsetzungsrate [−]
H Brennwert (früher oberer Heizwert) [kJ/kg]
o
k Reaktionsgeschwindigkeitskonstante der Reaktion j (RGK) [s−1] 1
j
k Stoßfaktor (präexponentieller Faktor) der Reaktion j [s−1] 1
0j
m Masse [kg]
P Zeit-Temperatur-Einfluss auf die HTC nach [70] [−]
P
Q Wärmestrom [J/s, W]
r Reaktionsgeschwindigkeit (RG) der Reaktion j [mol/m³ s]
j
R allgemeine Gaskonstante [J/mol K]
t Zeit [s]
T Temperatur [K], [°C]
w Massenanteil Komponente i (w = m/m ) [kg/kg], [Ma.-%]
i i i GES
X Stoffmengenverhältnis [−]
Y Massenausbeute Y= mBMK (cid:31)100 [kg/kg], [Ma.-%]
mBM
YE Energieausbeute YE =Y(cid:31) HHooBBMMK (cid:31)100 [kJ/kJ], [%]
YCfix Ausbeute fixer Kohlenstoff YCfix =Y(cid:31) .1−wwACSfiHxBM/ [kJ/kJ], [%]
Indizes
ASH Asche
BM Biomasse
BMK Biomassekarbonisat
C Kohlenstoff
C fixer Kohlenstoff
fix
E Energie
EIN Index für Stoffe die in den Prozess (als Edukt) eingebracht werden
EMI Emission, Abstrahlung
GAS Gasphase, der Gasphase zugehörig
GES Gesamt
H Wasserstoff
1 Gilt nur bei Reaktionsansätzen erster Ordnung bezüglich der Konzentration.