Untersuchung zur Qualitätssteigerung von Mischpellets aus biogenen Reststoffen
Steffen Noack
(PresseBox) - .
Zusammenfassung
Die Ergebnisse zur Steigerung der Qualität von Mischpellets aus Reststoffen wurden über das Projekt ?CoPAS" im Rahmen des Förderprogramms angewandte Umweltforschung der Freien Hansestadt Bremen (FKZ: FV221) und über das Projekt ?MAIN PELLET" (FKZ: 16KN015125) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert und erzielt. Ziel der Untersuchungen war die Herstellung von Qualitätspellets aus national und regional verfügbaren Reststoffen in Anlehnung an die DIN EN 14961-6. Unter Einbezug eines semimobilen Analyse-Containers, einer VBA-Anwendung zur Berechnung von intelligenten Mischpelletrezepturen, der Verwendung von Bindemittel zur Verbesserung der Presseigenschaften und unter Einbezug von Additiven wurden Verfahren untersucht, die mechanisch-physikalischen und chemisch-stofflichen Eigenschaften von Mischpellets zu verbessern. Die Versuche verdeutlichten, dass es möglich ist, in Mischpellets einzelne nachteilige Biomasseeigenschaften zu kompensieren und somit den Aufbereitungsaufwand zu minimieren. Das Ergebnis der Untersuchung ist ein übertragbares Verfahren zur Entwicklung standortindividueller Mischpellets inklusive Erstbeurteilung der Pelletierbarkeit regional bzw. lokal verfügbarer Biomassepotenziale.
Abstract
The results for increasing the quality of mixed pellets using biomass residues were funded by and achieved through the project "CoPAS" within the program "Angewandte Umweltforschung der Freien Hansestadt Bremen" and the project "MAIN PELLET" by the Federal Ministry of Economics and Technology based on a decision of the German Bundestag. The aim of this study was to produce quality pellets using nationally and regionally available biomass residues in accordance with DIN EN 14961-6. With the inclusion of a semi-mobile analysis container for the development of solid biofuels, an Excel based VBA application for the calculation of intelligent mixed pellet formulations, the use of a binder to improve the compression properties and the inclusion of additives, to improve the combustion and ash behavior, have been examined to improve the mechanical, physical and chemical fuel properties of mixed pellets. The experiments validate, that it is possible to compensate adverse biomass properties in individual mixing pellets, consisting of three different biomass types and thus to minimize the processing cost. The result of the investigation is a transferable method for initial evaluation of pelletizing regionally or locally available biomass potentials to develop site-individual mixed pellets.
1. Hintergrund
Biomasse fällt vielerorts, z.B. in Form von Reststoffen in der Land-, Forst- und Abfallwirtschaft oder bei der Produktion von Lebensmitteln an. Die nutzbaren Potentiale und deren Verwertungsalternativen sind häufig regional, technisch und wirtschaftlich beschränkt. Mit den Untersuchungen zur Qualitätsverbesserung von Mischpellets wurde für individuell und lokal verfügbare Biomasseangebote ein übertragbares Verfahren zur Produktion von Mischpellets entwickelt. Mit Hilfe eines semimobilen Teststandes können Brennstoffrezepturen für Landwirtschafts- oder Entsorgungsunternehmen direkt vor Ort entwickelt und somit die lokalen und saisonalen Qualitätsunterschiede in individuellen Rezepturen berücksichtigt werden.
2. Material und Methoden
In einem containerbasierten Teststand ist es möglich Biomassen auch vor-Ort zu analysieren, kleinere Mengen (ca. 20-40 kg/h) hinsichtlich Ihrer Pelletierbarkeit zu untersuchen und lokale standortindividuelle Mischpellet-Rezepturen zu entwickeln. Der Teststand ist auf Basis eines 20? Containers konzipiert und in einem Analyse- und einem Technikraum separiert. Somit besteht die Möglichkeit, die optionale Vorzerkleinerung und die mit dem Pelletierprozess verbundenen Emissionen von der Analysetechnik abzugrenzen. Folgende Prozessschritte wurden in den Untersuchungen zur Qualitätssteigerung von Mischpellets umgesetzt und können auch in dem Teststand des ttz Bremerhaven durchgeführt werden.
2.1. Biomasseanalyse und Zerkleinerung
Die Analyse der Biomassen orientiert sich an den brennstoffrelevanten Eigenschaften sowie der vorgeschriebenen Methodik zur Beurteilung der Pelletqualität gemäß DIN EN 14961-6. Diese wurde während der Untersuchungen durch die DIN EN ISO 17225-6 ersetzt. Dabei sind die Eigenschaftenklassen zur Qualitätsbeurteilung durch die neue Norm unverändert geblieben, jedoch erfolgten Anpassungen bezüglich einzelner Grenzwerte. Ergänzend wurden auch Alkali und Erdalkaligehalte der Biomassen analysiert um in den Mischpellet-Rezepturen mögliche Sinterprozesse zu berücksichtigen. In die Mischpellet-Entwicklung wurden folgende Biomassen einbezogen.
? Altholz AI, getrockneter Gärrest, Hühnermist, Landschaftspflegeholz, Miscanthus, Putenmist, Siebüberlauf der Kompostierung, Stroh (Weizen, Roggen, Gerste, Triticale, Raps), Waldrestholz und weitere
Je nach Beschaffenheit der Biomasse kann diese in einer Hammermühle vorzerkleinert werden. Eine Kombination aus Schneidmessern und Hämmern ermöglicht es Biomassen optimal zu zerkleinern. Die Mühle ist für holzartige und halmgutartige Biomassen geeignet und zerkleinert die Biomassen auf 40 mm. Eine Vorzerkleinerung der Biomasse ist notwendig, um die in die Pelletieranlage integrierte Raspel (Zerkleinerungs- und Dosierungsfunktion) nicht übermäßig zu belasten und ein gleichmäßiges Fließverhalten der Biomasse in der gesamten Pelletieranlage zu gewährleisten
2.2. Entwicklung von Mischpellet-Rezepturen
Nach der Analyse der Biomassen wurde ein Datenpool in eine Datenbank eingepflegt. Diese wird in einen entwickelten Rezeptrechner zur Ermittlung von Mischpellet-Rezepturen auf Basis von Microsoft Excel VBA integriert und stellt die Grundlage für die Berechnung der Mischpellet-Rezepturen dar. Der Rezeptrechner soll dem Anwender die Erstbeurteilung zur Pelletierbarkeit von Reststoffen erleichtern. Hierbei verfolgt der Rechner das grundlegende Ziel max. drei Biomassen für eine Rezeptur so zu kombinieren, dass die A-Qualität oder die B-Qualität gemäß der DIN EN 14961-6 eingehalten wird. Die Berechnungen zu den mengenmäßigen Anteilen der einzelnen Biomassen in der Mischpellet-Rezeptur erfolgt unter Einbezug der zweiten Anforderung, die größte zur Verfügung stehende Reststoffmenge zu verwerten. Das Tool kombiniert die Mengenanteile der Biomassen so, dass die Grenzwerte der DIN EN 14961-6 bezüglich der nachstehenden Anforderungen erfüllt werden. Als Ergebnis der Berechnungen bekommt der Anwender die Mengenanteile der einzelnen Biomassen in der Mischpellet-Rezeptur angezeigt.
? Wasser-, Asche-, Stickstoff-, Schwefel-, Chlor-, Schwermetallgehalt, Heizwert, Alkaligehalte
2.3. Konditionierung der Biomassen für die Pelletierung
Die mit Hilfe des Reststoffrechners ermittelten Mischpellet-Rezepturen wurden in kleinen Chargen zu jeweils ca. 20-40 kg erstellt. Neben der Mischung der einzelnen Mengenanteile der Mischpelletbestandteile erfolgte eine Einstellung des Wassergehaltes in einem Bereich von ca. 10-15 Gew.-%, entsprechend den technischen Anforderungen der nachgeschalteten Pelletieranlage. Während der Konditionierung wurden den Biomassemischungen Additivformulierung zur Verbesserung des Verbrennungsverhaltens sowie Minderung des Sinterrisikos und Bindemittelformulierungen zur Erhöhung der Pelletfestigkeit aufgetragen. Die Zugabe und Mischung der Zuschlagstoffe erfolgte in einer maschinell angetriebenen Konditionierungstrommel, in welcher die Zuschlagstoffe auf wässriger Basis auf die Biomassemischung mittels einer Düse aufgetragen wurden. Für die Verbesserung der Pelletfestigkeit wurden naturnahe Bindemittel auf Basis von anfallenden Industriereststoffen, wie Weizenproteine, Kartoffelpülpe, Getreidestärke, technischen Ligninen und weiteren hinsichtlich Ihrer Eignung für die Pelletierung untersucht. Ergänzend wurden Additivformulierungen auf Basis von Metallsalzen zur Optimierung des Abbrandverhaltens und Erdalkalisalze zur Minderung der Belagsneigung im Rost- und Kesselbereich in die Konditionierung eingebunden. Die Herausforderung der Untersuchungen bestand in dem Design einer stabilen Formulierung aus Additiven und Bindemittel die funktions-, pump- sowie lagerfähig sind und die Biomasse ausreichend benetzen.
2.4. Pelletierung und Pelletanalyse
Zur Umsetzung der entwickelten Mischpellet-Rezepturen im semimobilen Teststand wurde der Pellet-Maker PM 22 E der Firma Ecoworxx GmbH verwendet. Die Kleinpelletieranlage besteht aus drei Hauptbaugruppen, der Zerkleinerung (Raspeltrommel) mit Siebung (ca. 10 mm), dem Misch- und Dosierbereich mit der Trogschnecke und dem Presswerk mit Längenabschläger und Ausscheide-Siebschurre. Die Teile besitzen zusammen eine elektrische Gesamtleistung von ca. 4 kW. Als Presswerk dient ein massiv gelagerter, angetriebener Doppelkoller über einer flexiblen und dauerstabil eingebetteten Flachmatrize mit einer elektrischen Gesamtleistung von 2,2 kW. Die Durchsatzmenge des PM 22 E beträgt je nach eingesetzter Biomasse bis zu 40 kg/h. Während des Pressvorgangs erwärmt sich die unbeheizte Matrize auf ca. 80°C. Vergleichend wurden auch Versuche an der Pelletieranlage der Pusch AG durchgeführt. Das Stempelprinzip, eine beheizbare Matrize sowie eine umfangreiche Steuerungs- und Regelungstechnik ermöglichten weitere detaillierte Untersuchungen zur Pelletierbarkeit von Reststoffen mit größeren Biomassedurchsätzen unter Einbezug von Additiven und Bindemitteln.
3. Ergebnisse
3.1. Eigenschaften der ermittelten Mischpellet-Rezepturen
In Kombination mit dem Reststoff-Rechner war eine gezielte Annäherung der Rezepturen an praktisch umsetzbare Modellpellets möglich. Diese erfolgte unter Einbezug unterschiedlicher Anforderungsprofile an die Mischpellet-Rezepturen. Die Relevanz einzelner Rezepturansätze kann dabei stark variieren. Mischpellet-Rezepturen mit mehr als drei Ausgangsbiomassen wurden aufgrund nur bedingter praktischer Umsetzungsmöglichkeiten ausgeschlossen. Während der Entwicklung von Qualitäts-Mischpellets wurden Rezepturansätze zur Erreichung der A und B-Qualität, hohen Pelletfestigkeiten durch hohe Ligninanteile und verbesserten Ascheeigenschaften durch Einbezug von Indizes (Alkalizahl, Alkalirate, Alkalialzindex) zur Charakterisierung von unterschiedlichen Alkaliverhältnissen berücksichtigt. Mittels der Pelletierung der einzelnen Ausgangsbiomassen in Reinform und der Analyse dieser Pellets in Bezug auf Pellethärte, mechanische Festigkeit und Schüttdichte wurden auch Prognosen zu den erwarteten Eigenschaften in den Mischpellets erstellt, welche es zu überprüfen galt.
3.2. Konditionierung der Biomassemischungen
3.2.1. Bindemittelformulierungen
Die unterschiedlichen flüssigen Bindemittelformulierungen wurden hinsichtlich der Wirksamkeit im Mischpellet untersucht. Ein weiterer Schwerpunkt bestand in der Langzeitstabilität der Formulierungen in Kombination mit dem Additiv. Aus der Holzindustrie kann auf ein breites Band eingesetzter Bindemittel von Leimen bis hin zu industriellen Nebenprodukten zurückgegriffen werden. Hierbei können, je nach Bindemittel, unterschiedliche Bindungskräfte physikalischer und/oder chemischer Natur genutzt werden. Über den pH-Wert kann eine gezielte Beeinflussung der Denaturierung, Aktivierung der Anknüpfpunkte/ Auffalten der Proteine, Viskositätenänderung und Aushärtezeiten erfolgen. Die Reaktion der zu verklebenden Matrix auf pH-Wert Veränderungen kann sehr sensibel sein. Die Untersuchungen evaluierten die Eignung verschiedener Stärken, Lignin, Pektin, Melasse und Proteinen für die Pelletierung. Die Beurteilung erfolgte mittels standardisierter Prüfungen des pH-Wertes, der Gelierzeit, Viskositätenbestimmung sowie der dynamischen Differenzkalorimetrie. Alternativ erfolgte eine Beurteilung mittels eines angepassten Scherzugtests. Die Ergebnisse wurden anschließend mit denen des Abriebtests und der Pellethärte der erstellten Mischpellets und den unterschiedlichen Formulierungen verglichen.
Nachstehend sind ausgewählte Ergebnisse des Scherzugtestes zur Erstbeurteilung möglicher Bindemittelformulierungen an genormten Holzplättchen dargestellt. Dabei ist ergänzend zu erwähnen, dass bereits bei Scherzugfestigkeiten im Bereich von 5 N/mm² bereits ein Holzbruch an den verklebten Oberflächen der Plättchen auftreten kann, weil die Bindekräfte des Bindemittels stärker sind.
3.2.2. Additivformulierungen
Die Ermittlung geeigneter Additivformulierungen zeigte auf, dass sich einige Wirkstoffe in Ihrer Wirkung ergänzen, andere sich gegenseitig nachteilig beeinflussen können. Auf Basis der Untersuchungen wurden deshalb folgende Bestandteile und Wirkstoffarten hinsichtlich der Eignung im Pellet überprüft und realisiert.
? verbrennungsverbessernde, katalytisch wirksame Metalle
? belagsmindernde, basisch reagierende Metalle (meist Erdalkalien)
? verfestigende, nach Mölichkeit aschefrei verbrennende Bindemittel
Zur Beschleunigung eines Verbrennungsvorganges eignen sich sogenannte ?erbrennungsverbesserer" (VB), die auf katalytischer Basis arbeiten und somit nur zu einem geringen Teil den Aschegehalt des Brennstoffes erhöhen. Sie vermindern z.B. Kohlenstoffmonoxid, Polyaromaten und Ruß. Der Einsatz von VB?s bedingt allerdings erhöhte Verbrennungstemperaturen, welche das Eluatverhalten der Asche positiv beeinflussen, aber auch das Risiko von Anbackungen auf dem Rost und Verschlackung erhöhen. Unter Einbezug notwendiger Mengen im Pelletierprozess und weiterer ökonomischer Faktoren ist es vorteilhaft wasserlösliche sauer reagierende Metallsalze zu verwenden. Eine weitere ökonomisch attraktive Lösung ist die Verwendung von Erdalkali-Salzen, wie technischer Kalkmilch. Diese ist günstig in großen Mengen verfügbar, jedoch aufgrund der weitgehenden Wasserunlöslichkeit von Calciumhydroxid technisch nicht einfach zu handhaben. Die großen Partikel reagieren nur teilweise an der Oberfläche und ermöglichen somit keine sehr effektive Nutzung der eingesetzten Hilfsstoffe, was sich auch negativ auf den Aschegehalt im Mischpellet auswirkt. Eine mögliche Alternative stellen wasserlösliche Erdalkali-Salze dar, die zwar teurer sind, allerdings aufgrund ihrer Wasserlöslichkeit praktisch vollständig für die gewünschte Reaktion zur Verfügung stehen. Beide Produktlinien reagieren eher basisch.
Die Kombination dieser drei Wirkstoffgruppen, die als sehr vorteilhaft für die letztendliche Anwendung angesehen wurde erschwerte allerdings die Entwicklung eines Kombinationsadditivs erheblich. Dabei galt es die unterschiedlichen Wirkstoffkombinationen auf die Vielzahl an möglichen Bindemittelformulierungen abzustimmen. Durch den Einsatz der Additive ließ sich das Ascheschmelzverhalten bei den eingesetzten Mengen um ca. 100 °C zu höheren Temperaturen hin verschieben (Tabelle 1). Der Einsatz von maximal 2 Gew.-% aus normungstechnischen und wirtschaftlichen Gründen, bedingte keine Probleme bei der Einhaltung des Aschekriteriums. Hieraus resultierten, je nach Formulierung, auch nur geringe Einflüsse auf die Minderung oder Erhöhung des Heizwertes der Pellets.
3.3. Eigenschaften der Mischpellets
Tabelle 2 und 3 zeigen die Ergebnisse der Analyse ausgewählter unbehandelter pelletierter Biomassen und Mischpellets aus denselben Biomassen. Um die Vorteile und Nachteile durch gezielte Biomassekombinationen zu identifizieren wurden erstellten Mischpellets nicht mit Additiven oder Bindemitteln versetzt. Die Parameter der Pellets sind den Grenzwerten der EN 14961-6, Klasse A und B, gegenübergestellt. Grün für die Einhaltung der Güteklasse A, gelb für die Einhaltung der Güteklasse B und rot für ein Überschreiten der nach Norm zulässigen Grenzwerte. Die Vorteile der Biomassekombination in Mischpellets im Vergleich zu den aus einzelnen Biomassen erstellten Pellets werden durch die farbliche Darstellung der analysierten Eigenschaften hervorgehoben. Die hergestellten Pellets genügen insgesamt fast alle den Anforderungen der EN 14961-6 für die Parameter Länge und Durchmesser, Wassergehalt, Aschegehalt, mechanische Festigkeit, Heizwert und Schüttdichte. Einzig die Mischpellets des zweiten Versuchs (60 % Hackschnitzel aus Landschaftspflegeholz, 24 % getrockneter Gärrest und 16 % Putenmist mit Stroh-Einstreu) verfehlen den Grenzwert der Norm bei dem Parameter der Schüttdichte um etwa 3 %. Die Pellets aus 75 % Hackschnitzel aus Landschaftspflegeholz und 25 % Hühnermist mit Hobelspäne-Einstreu erreichen bei allen Qualitätsparametern die Güteklasse A. Die Pellets der drei anderen Versuche, Nr. 3 bis Nr. 5, sind insgesamt der Güteklasse B zuzuordnen. Alle Pellets konnten bei der Länge und dem Durchmesser sowie dem Heizwert die Klasse A erreichen. Bezüglich ihres Wassergehaltes sind nur die Pellets des zweiten Versuchs in die Klasse B einzustufen. Grund hierfür sind sehr hohe Wassergehalte des Putenmists, worauf auch die geringere Schüttdichte zurückzuführen ist. Für Versuch Nr. 2 wäre daher noch eine Trocknung der Ausgangsbiomasse notwendig. Die häufigste Klassifizierung in die Güteklasse B musste aufgrund des Gehaltes an Asche erfolgen, weil den Reststoffen deutlich größere mineralische Anteile zugeordnet werden können. Die Mischpellets der Versuche Nr. 2, Nr. 4 und Nr. 5 konnten hier nur den Grenzwert der Klasse B von 10 % einhalten, nicht jedoch den der Klasse A von 5 %. Die Versuche bestätigen, dass es möglich ist Reststoffe in unterschiedlichen Kombinationen zu pelletieren und wechselseitige positive Effekte zu nutzen. Die Mischpelleteigenschaften waren in allen Versuchen deutlich besser als die Pelletierung der einzelnen Biomassen in ?Reinform".
4. Diskussion
4.1. Vergleich der ermittelten Rezeptureigenschaften mit den Eigenschaften der Mischpellets
In den Versuchen ist es gelungen die teilweise hohen Wassergehalte einzelner Biomassen in Höhe von bis zu 47 Gew.-% durch Biomassemischungen auszugleichen und somit die Anforderungen an Mischbrennstoffe gemäß der Norm DIN EN 14961-6 ohne Trocknungsaufwand für die Ausgangsbiomasse einzuhalten. Der Wassergehalt der produzierten Mischpellets lag, trotz Konditionierung mit Wasser zur Einstellung optimaler Presseeigenschaften, immer unter dem, mit dem Rezeptrechner ermittelten Erwartungswert. Hieraus lassen sich positive Prognosen ableiten die zur Vorhersage der Pelletierbarkeit von Biomassen zuverlässig einbezogen werden könnten, jedoch hinsichtlich der Genauigkeit weiter präzisiert werden sollten. Die durchschnittliche Abweichung des Wassergehaltes liegt bei 2,5 Gew.-% unter dem Erwartungswert (bezogen auf den Anlieferungszustand). In den Versuchen ist die Tendenz erkennbar, dass die Prognose des erwarteten Wassergehaltes des Mischpellets umso genauer ist, je geringer der Wassergehalt der einzelnen Ausgangsbiomassen ist. Entsprechend sind weitere Untersuchungen unter Einbezug der Verdampfungsverluste während der Pelletierung und des Abkühlvorgangs durchzuführen und im Rezeptrechner zu berücksichtigen. Auch der Aschegehalt der hergestellten Mischpellets lag im Allgemeinen unter dem Erwartungswert. Die durchschnittliche Abweichung des Aschegehaltes in den Mischpellets beträgt lediglich 1,4 Gew.-% der Biomasse im Trockenzustand. Somit ist auf Basis der gewonnenen Ergebnisse auch der Aschegehalt der Rezepturen so prognostizierbar, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit keine Überschreitung des Grenzwertes zum Aschegehalt des Mischpellets vorliegt. Weitere Untersuchungen sollen die Sicherheit der Ergebnisse festigen. Der Heizwert der Mischpellets lag in jedem Versuch über dem Erwartungswert. Aus dem Zusammenhang von Wassergehalt und Aschegehalt, welche in der Praxis häufig geringer ausgefallenen waren als die Erwartungswerte, resultieren entsprechend höhere Heizwerte der Mischpellets. Diese lagen für alle Mischpellets in normkonformen Wertebereichen. Für die Parameter Wasser- und Aschegehalt sowie dem Heizwert kann abschließend gesagt werden, dass die Zertifizierbarkeit einzelner Mischpellet-Rezepturen gut abgeschätzt werden kann. Weil Aschegehalte und Heizwert während des Betriebes von Feuerungsanlagen in Bezug auf Brennstoffdurchsatz und Anlagenregelung entscheidend beitragen, sind weitere Versuche zur Steigerung der Genauigkeit der ermittelten Rezepturen notwendig. In Folge von lokalen Entmischungsvorgängen in einzelnen Pressenteilen wie z.B. dem Kollergang sind ggf. Werteabweichungen entstanden die aus inhomogeneren Biomassemischung resultieren. Auch der Zusammenhang zwischen Biomasseschüttdichte und Mischbarkeit soll weitere untersucht werden, weil die Mengenanteile einzelner zuvor ermittelter Rezepturen, vor dem Hintergrund homogener Mischungen nach der Konditionierung, nicht für jede Korngrößenverteilung realisierbar sind. Unter Einbezug der Ligningehalte der Ausgangsstoffe ist es möglich höhere mechanische Festigkeiten in den Mischpellet-Rezepturen zu erreichen. Der Ligningehalt der Mischpellets lag in allen Versuchen unter dem ermittelten Erwartungswert, jedoch war in jedem Fall eine deutliche Steigerung der mechanischen Festigkeit bei höheren Ligningehalten in den Rezepturen zu verzeichnen. Entmischungsvorgänge, inhomogene Brennstoffmischungen sowie variierende Ligningehalte in Pflanzenteilen und innerhalb von Pflanzenteilen bedingen teilweise Abweichungen des Ligningehalts von 1-2 Gew.-% bezogen auf die Trockensubstanz. Auch wurden Überlagerungseffekte durch Einflüsse der Partikelgröße auf die mechanische Festigkeit nicht vollständig berücksichtigt, wobei in allen Versuchen die gleiche Art Zerkleinerung der Biomasse vorgenommen wurde. Die erwarteten Elementgehalte in Bezug auf Stickstoff und Chlor ließen sich auf Grundlage der Datenbasis nicht zuverlässig in den Mischpellets ermitteln. Eine größere Datenbank kann hier ggf. konkretere Prognosen für die Rezepturen ermöglichen. Die Verbesserung der Ascheeigenschaften der Mischpellets durch Berücksichtigung spezifischer Elementverhältnisse wie z.B. der Alkalizahl, Alkalirate oder dem Alkalisalzindex in den Rezeptberechnungen scheint möglich.
4.2. Konditionierung der Biomasse
Die Konditionierung der Ausgangsbiomassen durch die Erstellung von Biomassemischungen sowie die Zugabe von Additiven und Bindemitteln kann als vielversprechend bewertet werden. Es ist gelungen unterschiedliche Additiv- und Bindemittelbestandteile zur Verbesserung der Pelletqualität zu entwickeln und mittels wässriger Formulierung in den Konditionierungsprozess einzubeziehen. Aus den Ergebnissen der Klebstoffprüfung zeigte sich, dass alkali-modifizierte Stärken (native Mais-, Kartoffel-, Weizenstärke) in Hinblick auf eine Pelletierung bereits bei niedrigen Mengenanteilen gute bis sehr gute Trockenfestigkeiten ausbilden. Die geringe Lagerstabilität der Bindemittel-Additivformulierung von sechs Monaten war auf Ausflockungen infolge einer pH-Wert bedingten Retrogradation der Stärkemoleküle zurückzuführen und bedingte keine praktisch vorteilhafte Eignung der evaluierten Stärken. Die Verwendung eines stärkehaltigen und proteinreichen Nebenproduktes der Glukoseherstellung (Weizenslurry) zeigte bereits deutlich bessere und langzeitstabile Eigenschaften in Kombination mit dem Additiv auf. Nachteilig sind hier jedoch Sedimentationsprozesse während der Lagerung und nur befriedigende Scherzugfestigkeiten zu erwähnen. Die Verwendung von Proteinen stellte hingegen eine vielversprechende Variante als Bindemittelkomponente für die Pelletherstellung dar. Die Versuche mit Weizen-, Soja- und Blutproteinen in Kombinationen mit den Additivwirkstoffen zur Optimierung der Verbrennungsprozesse und des Ascheverhaltens verdeutlichten gute Synergieeffekte. Das in dem Additiv Weisskalkmilch eingesetzte Calciumhydroxid wurde hierbei, neben seiner Funktion zur Senkung des Ascheschmelzverhaltens, gleichzeitig als Lösungs- und Denaturierungsmittel für die Erhöhung der aktiven Kontaktstellen innerhalb eines Proteinmoleküls eingesetzt. Neben Proteinpulvern konnte ebenfalls die Möglichkeit der Nutzung nativen Blutes (Schwein und Rind) und der hierin enthaltenen Proteinanteile in Kombination mit Weisskalkmilch sowie weiteren Denaturierungsmitteln aufgezeigt werden. Auch Gärrest erwies sich in den Versuchen als sehr gutes Bindemittel. Der Hauptbindemechanismus des getrockneten Gärrests ist die stoffliche Brücke, der Hauptbindemechanismus von Stroh und ähnlichen ist der Formschluss (vgl. KIRSTEN et al. 2014). Wenn diese beiden Bindemechanismen zusammenwirken, können deutlich verbesserte Pelletierungseigenschaften hervorgerufen werden. Ergänzend erfolgten Versuche mit technischen Ligninen und Pektin die aus wirtschaftlich oder technischen Gründen jedoch nicht weiter berücksichtigt wurden. Als Referenz zu den im Laufe des Forschungsprojektes entwickelten, naturnahen Bindemittel wurden ebenfalls verschiedene Standard-Weissleime (Polyvinylacetate) in Kombination mit den evaluierten Additiv-Formulierungen erprobt. Mit Hilfe der Additivbestandteile sowie unter Berücksichtigung der Elementverhältnisse Kalium, Calcium, Chlor, Eisen, Natrium und Magnesium ist es gelungen die Erweichungstemperatur einzelner Mischpellets auf über 1.500 °C anzuheben. Auch konnte durch den Einsatz von Additiven ein verbessertes Eluatverhalten erreicht werden.
5. Schlussfolgerung
Das Ziel der Untersuchungen war es, biogene Reststoffe auf ihre Eignung für eine Pelletierung zu untersuchen und Pelletrezepturen in Anlehnung an die EN 14961-6 zu entwickeln. Dazu wurden die Reststoffe in Reinform und in verschiedenen Mischungen untereinander pelletiert und ihre brennstofftechnischen und physikalisch-mechanischen Eigenschaften Länge und Durchmesser, Wasser- und Aschegehalt, mechanische Festigkeit, Heizwert, Schüttdichte und Härte analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Kombination unterschiedlicher Reststoffe einzelne nachteilige Eigenschaften der Substrate ausgeglichen und Mischpellets in Anlehnung an die DIN EN 14961-6 hergestellt werden können. Eine Vorhersage der Mischpelleteigenschaften auf Grundlage der jeweiligen Eigenschaften der Biomassen ist für den Aschegehalt und den Heizwert gut möglich. Der Wassergehalt besitzt großen Einfluss auf die Pelletierung und ist umso schwieriger vorherzusagen, je höher dieser in den eingesetzten Substraten vorliegt. Dennoch ist es durch Biomassemischungen gelungen u.a. hohe Wassergehalte einzelner Biomassen zu nutzen und somit Trocknungsprozesse einzusparen. Unter Einbezug von Additiven und Bindemitteln in die Biomassemischungen könnten in unterschiedlichen Regionen weitere lokale biogene Reststoffe für eine energetische Nutzung in Betracht gezogen und mit Hilfe des Teststandes hinsichtlich der Eignung zur Pelletierung bewertet werden.
6. Danksagung
Das ttz Bremerhaven dankt der Freien Hansestadt Bremen, sowie dem Bundesmisnisterium für Wirtschaft und Energie für die Förderung der Projekte ?CoPAS" und ?MAIN PELLET". Zusätzlich bedanken wir uns bei den Projektpartnern abc GmbH, Nehlsen GmbH & Co. KG, ERC GmbH, Pusch GmbH & Co. KG sowie der Georg-August-Universität Göttingen / Abteilung Molekulare Holzbiotechnologie und technische Mykologie für die stets sehr gute Zusammenarbeit.
7. Literatur/ Quelle
Schmitt; V. E. M. (2015): Brennstofftechnische Eigenschaften fester Biomassepellets
8. Kontakt
Dipl.-Ing. Steffen Noack, Projektleiter
Verein zur Förderung des Technologietransfers an der Hochschule Bremerhaven (ttz Bremerhaven) e.V.
Tel.-Nr.:0471 80934 158
E-Mail: snoack(at)ttz-bremerhaven.de
Homepage: www.ttz-bremerhaven.de
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Datum: 21.06.2016 - 10:33 Uhr
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