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
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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
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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
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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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Input-Materialien und Methoden Input-Materialien - Teil 2
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Input-Materialien und Methoden Input-Materialien - Teil 3
Bioabfall –Input- und Outputmaterial
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Input-Materialien und Methoden Input-Materialien - Teil 4
Grünschnitt –Input- und Outputmaterial
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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
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Charakterisierung der HTC-Biokohlen gInkohlungsdiagramm
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Charakterisierung der HTC-Biokohlen gKohlenstoff-Brennwert-Diagramm
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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
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Charakterisierung der HTC-Biokohlen gKohlenstoffbilanz
Kohlenstoffverteilung (Landbau) der Versuchsreihe BioabfallProf. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
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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.
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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
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Charakterisierung der HTC-Biokohlen gEntwässerungsversuch - 2
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ProzessführunggProzessvarianten - Standard 1
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Prozessführung gProzessvarianten - Standard 2
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ProzessführunggKohlenstoff-Brennwert-Diagramm
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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
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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.
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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
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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
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Nutzung als Bodenhilfsstoff gWasserhaltekapazität - Teil 2
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
/
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Nutzung als Bodenhilfsstoff gWasserhaltekapazität - Teil 3
Relative Veränderung WKmax bei Zugabe von 10 % HTC-BiokohleProf. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
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Nutzung als Bodenhilfsstoff gWasserhaltekapazität - Teil 4
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)
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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
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Nutzung als Bodenhilfsstoff gAuslaugverhalten und Nährstoffhaltekapazität - Teil 2
Gesamtübersicht Auslaugverhalten Nitrat - DurchbruchskurvenProf. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
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Nutzung als Bodenhilfsstoff gAuslaugverhalten und Nährstoffhaltekapazität - Teil 3
Prozentualer Austrag des Nitrats nach Aufgabe der DüngelösungProf. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
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Nutzung als Bodenhilfsstoff gAuslaugverhalten und Nährstoffhaltekapazität - Teil 4
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
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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“
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Nutzung als Bodenhilfsstoff gKurzzeitiges Abbauverhalten - Teil 2
Aerober Abbautest nach AT28-AufstockungsmethodeProf. Dr.-Ing. H.-G. RamkeFG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
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Nutzung als Bodenhilfsstoff gKurzzeitiges Abbauverhalten - Teil 3
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
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Nutzung als Bodenhilfsstoff gKurzzeitiges Abbauverhalten - Teil 4
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
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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
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Nutzung als BodenhilfsstoffgSchadstoffanalytik - Teil 2
Untersuchung der HTC Suspension- Untersuchung der HTC-Suspension
- Untersuchung von fester und flüssiger Phase
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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
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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)
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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)( )
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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)
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Energetische Nutzungg gReaktorspezifikation - Teil 2
MobilerMobiler halbtechnischer Versuchsreaktor
09/2011:09/2011: erfolgreicher
kontinuierlicher Betrieb
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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
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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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