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Biokohle im Blick - Herstellung, Einsatz und Bewertung 73. Symposium des ANS e.V. - 2012

Anaerobe Verwertung von HTC-Prozesswässern

Dipl.-Ing. Dennis Blöhse

Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort Höxter

Fachgebiet Abfallwirtschaft und Deponietechnik

Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik

73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin

September 2012 Folie 1

Anaerobe Verwertung von HTC-Prozesswässern Übersicht

- Einführung

- Beurteilung der Prozesswässer

- Gasbildungspotenzial - energetische Betrachtung

- Prozesswasser-Kreislaufführung

- Ergebnisse technischer Versuche

- Qualitative Langzeitversuche

- Ausblick




Einführung HTC-Prozess




HTC-Prozessgas

HTC-Biokohle

HTC-Prozesswasser

Biomasse

HTC

Versuchsdurchführung Versuchseinrichtungen

Autoklav, Volumen 25 L,

mit Steuerung




max. Temperatur: 230 – 240 C

4 – 5 Stunden >180 C

15 % TS-Gehalt der Reaktionsmasse

Einführung Kohlenstoffbilanz


- Ausgangssituation

Kohlenstoffbilanz:

Durchschnitt 20 - 25 % C sind in der

flüssigen Phase (Prozesswasser) gelöst.

Die Beladung mit Kohlenstoff der

HTC-Prozesswässer ist abhängig von

- den eingesetzten Substraten,

- und den Versuchsbedingungen.



Beurteilung der Prozesswässer Ergebnisse

- HTC-Prozesswasser

aus Batch-Versuchen

- pH-Wert: meist sauer (3 bis 5)

- org. Kohlenstoff: häufig im

Bereich von 15 – 20 g/L

(geringer anorganische C-Anteil)

- hoher Anteil org. Säuren

- hohes BSB5/CSB-Verhältnis

Anaerobe Verwertung?





- Methode: Gärtest

- VDI Richtlinie 4360 (2006)

Vergärung organischer Stoffe

- Aussagekraft:

- Vergärbarkeit

- Hemmungen

- Gasausbeute

Gasbildungspotenzial Anaerobe Abbaubarkeit - Teil 1



- Ergebnisse der Gärtests





- substratspezifisches Gasbildungspotenzial

- Klärschlämme: 500 - 700 mL Gas/g TOC

- Haushaltsabfälle: 600 - 950 mL Gas/g TOC

- Gewerbe- und Industrieabfälle: 750 - 1.050 mL Gas/g TOC

- Gasbildungspotenzial (GP)

- absolut: 10 – 15 mL/g FM

- Näherung: GP [mL/g FS] = ca. 0,7 · TOC [g/L]

- gute Gasqualität hoher Methananteil

- Einschätzung der Ergebnisse

- hervorragendes Abbauverhalten

- Erhöhung der Kohlenstoff- und Energieeffizienz





- Bilanzierung der HTC-Batch Versuche

- Vergleich der Energiegehalte (Brennwert)

- Trockenmasse · Brennwert der Inputsubstrate

- Trockenmasse · Brennwert der HTC-Biokohle

Ausbeute der eingebrachten Energiegehalte


Energetische Betrachtung Energie-Ausbeute - Teil 1



- Ergebnisse verschiedener Substrate (n=36)

- Es verbleibt ca. 70 – 80 % der in den

Inputsubstraten enthaltenen Energie

in der HTC-Biokohle

- primär abhängig vom Inputmaterial

- dann aber Prozessabhängigkeit


Energetische Betrachtung Energie-Ausbeute - Teil 2



- Ergebnisse der Steigerung durch Co-Vergärung der

Prozesswässer (ausgewählte Beispiele)


Substrat [-] E-Ausbeute

[% IN]

Klärschlamm (ÜSS) 30,4 +11,7

Speisereste 64,9 +14,2

Biertreber 68,4 +8,6

Rechengut 72,7 +8,6

Grünschnitt 82,3 +7,5

Gärrest (separiert) 87,7 +6,1

Substrat [-] E-Ausbeute

[% IN]

Schlempe 55,2 +23,4

Rübenschnitzel 65,9 +9,6

Altbrot 71,6 +6,2

Bioabfall 73,2 +9,3

Stroh 84,1 +6,5

Holzspäne 91,7 +4,2

Energetische Betrachtung Steigerung der technische Nutzenergie



- Steigerung der Ausbeute

- Durch Vergärung der HTC-Prozesswässer

(Ergebnisse der HTC-Batchversuche)

- Steigerung der Energie Ausbeute

im Durchschnitt von ca. 8 – 9 %

- Die energetisch Kohlenstoffeffizienz wird durch die

Bereitstellung Methan um 5 – 6 % gesteigert

technische erzeugte HTC-Prozesswässer?


Energetische Betrachtung Ergebnisse



- Simulation der Prozesswasser-Kreislaufführung

- Bachelor-Arbeit (WS 2010/11) – Jörg Bittner

- HTC-Batch Versuche mit trockenem Inputmaterial

(Rübenschnitzel)

- 12 Prozesswasser-

Wiederverwendungen


Prozesswasser-Kreislaufführung Herangehensweise



- Simulation der Prozesswasser-Kreislaufführung

- Bachelor-Arbeit (SS 2012) – Jean-Baptist Vonner

- HTC-Batch Versuche mit feuchtem Inputmaterial

(Biertreber)

- 8 Prozesswasser-

Wiederverwendungen


Prozesswasser-Kreislaufführung Herangehensweise




Fazit:

Abhängig vom TS-Gehalt

des Inputmaterials

Prozesswasser-Kreislaufführung Ergebnisse - Teil 1

- Ergebnisse

- Aufkonzentration der Prozesswässer

- Abhängig vom TS-Gehalt des Inputs

- Abhängig vom den Wiederverwendungen

- Steigerung des Gaspotenzial

- weiterhin gute anaerobe Umsetzung


- „Prozesswasser-Kreislaufführung steigert

das Verwertungspotezial der flüssigen Phase“





- Weitere Ergebnisse – Einfluss auf HTC-Prozess

- Bei Kreislaufführung wird die Verweilzeit und damit die

Reaktionszeit der flüssigen Phase erhöht

- gelöste Reaktanden der HTC verbleiben im System

Steigerung der C-Ausbeute (HTC-Biokohle) möglich

Bei Aufkonzentration der Prozesswässer

- Anstieg des TS-Gehaltes

Verbesserte Entwässerung/Steigerung der Dichte möglich






Prozesswasser-Kreislaufführung Erste Ergebnisse technischer Versuche - Teil 1



(Halb-)technische Containeranlage,

kontinuierlicher Prozess, 200 L Reaktor





HTC-Prozessgas

HTC-Biokohle

HTC-Prozesswasser

Biomasse Biomasse

Prozesswasser-Kreislaufführung





TS-Input ca. 35 % FS

PW-Kreislaufführung

TS-Input ca. 30 % FS

Verweilzeit: 5 – 5,5 h

max.Temperatur: 220 °C

- Erste Einschätzung der technischen Situation

- Ergebnisse der Batchversuche bestätigt

- Weitere Untersuchung notwendig

- Weitreichende Praxiserfahrung nötig






100 L - Labor-Biogasanlagen

- Kontinuierlicher Versuch

- Co-Vergärung mit Klärschlamm

- Prozesswasser aus technischen

Versuchen (HTC-Testanlage)

TOC = 25 g/L

- Impfschlamm: kommunale KA

- mesophile Nassvergärung

(Simulation Faulturm)

- Verweilzeit: < 30 d

- Laufzeit: ca. 5 Monate

Qualitative Voruntersuchung Langzeitversuch zur Co-Vergärung - Teil 1



- Grundsätzliche Ergebnisse der Versuche

- pH-Wert Anpassung notwendig

- CSB-Elimination bis zu 70 %

- TOC-Abbau > 40 %

- stabiler Betrieb bei geringer Belastung (1 kg CSB/(m³*d))

- Gasbildung deckt die Erwartungen


- gute Erfolgschancen

- Prozesswässer sind als potenzielles Co-Substrat geeignet





- Weitere Hinweise

- Prozesswasser reagiert bei Lagerung weiter (TC-Abnahme)

- C/N-Verhältnis

- Weiterführende Fragestellung

- Belastungsgrenzen

- Ablaufwerte (Rückbelastung)

- Landwirtschaftliche Ausbringung (Nährstoffkreislauf?)





Ausblick Perspektiven




- Weitere Arbeiten

- Erzeugung technischer Prozesswässer (versch. Substrate)

- Belastungstests/Quantitative Langzeitversuche

- DBU-Projekt:

„Verwertung von Prozesswässern aus der

HydrothermalenCarbonisierung organischer Abfälle“

- Fachgebiet Abwassertechnik (HS OWL, FB 8)

- Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (HS OWL, FB 2)

Danksagung

Danke dem DBU (2007-2009) und BMBF (2009-heute) für die Projektfinanzierung und den Kooperationspartnern Kelag AG (Sennwald)/Cowa Remscheid GmbH für

die technische und finanzielle Unterstützung.

Ein besonderer Dank für dieUnterstützung und Mitarbeit an den Untersuchungen geht an Dr.-Ing. Hans-Joachim Lehmann, Dipl.-Ing. Roland Rebsamen

(TFC Engineering AG/Ruggel), Friedhelm Rode und die beteiligten studentischen und wissenschaftlichen Hilfskräfte des Fachgebiets sowie den Studenten für

enthusiastisch durchgeführten Studienarbeiten.




Adresse

Dipl.-Ing. Dennis Blöhse Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort Höxter

Fachbereich Umweltingenieurwesen und Angewandte Informatik

Fachgebiet Abfallwirtschaft und Deponietechnik

An der Wilhelmshöhe 44, 37671 Höxter

Tel. 05271/687-113 (-277); Telefax 05271/687-200

E-Mail [email protected]

Web http://www.hs-owl.de/fb8/fachgebiete/abfallwirtschaft/




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