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Energetische Nutzung von feuchter Biomasse in überkritischem Wasser

Klingler, Dirk :
Energetische Nutzung von feuchter Biomasse in überkritischem Wasser.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2006)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Energetische Nutzung von feuchter Biomasse in überkritischem Wasser
Language: German
Abstract:

Biomasse stellt einen CO2-neutralen und erneuerbaren, aber im Allgemeinen auch stark wasserhaltigen Brennstoff dar. Im Gegensatz zur konventionellen Verbrennung in der Gasphase stört bei einer Verbrennung der Biomasse in überkritischem Wasser die Brennstofffeuchtigkeit nicht, sie ist sogar das Reaktionsmedium. Diese Arbeit bildet die Basis für die Auslegung eines Prozesses zur Totaloxidation von Biomasse in überkritischem Wasser (supercritical water oxidation SCWO), indem sowohl das Verständnis der zugrunde liegenden chemischen Reaktionen als auch verfahrenstechnische Aspekte betrachtet wurden. In Experimenten wurde das Reaktionsverhalten von Biomasse-Modellsubstanzen in heißem Hochdruckwasser mit und ohne Sauerstoff bei verschiedenen Temperaturen (250 - 480 °C), Verweilzeiten (2 - 40 s), Drücken (24 - 35 MPa) und Konzentrationen (0,2 - 2 % (g g-1) organisches Edukt) untersucht. Dabei wurde Glucose als Modellsubstanz für cellulosehaltige Biomasse und die beiden Aminosäuren Glycin und Alanin als Modellsubstanzen für proteinhaltige Biomasse gewählt. Auf Basis der durchgeführten Experimente konnten Reaktionsnetzwerke formuliert, mögliche Mechanismen von einzelnen Reaktionsschritten diskutiert und globale Beschreibungen der Reaktionskinetik ermittelt werden. Insgesamt lässt sich feststellen, dass die organischen Edukte Glucose, Alanin und Glycin in heißem Hochdruckwasser im untersuchten Verweilzeitbereich schon bei unterkritischen Bedingungen (T < 374 °C) praktisch vollständig zu niedermolekularen Stoffen zerfallen. Viele dieser niedermolekularen Abbauprodukte sind relativ stabil und reagieren auch bei überkritischen Temperaturen nur langsam mit Sauerstoff. Eine vollständige Oxidation der Modellsubstanzen zu CO2, H2O und N2 konnte in überkritischem Wasser im untersuchten Temperatur- und Zeitfenster nicht erreicht werden. Zur vollständigen Verbrennung werden höhere Temperaturen oder deutlich längere Verweilzeiten benötigt. Als wichtiger Bestandteil eines SCWO-Prozesses zur Totaloxidation von Biomasse wurde der Eco-Wärmetauscher betrachtet. Hierbei waren gegenläufige Zielvorgaben zu berücksichtigen. Zum Beispiel sollte der Feed sollte zum einen energetisch effizient bzw. mit geringer Grädigkeit aufgeheizt werden, zum anderen sollte das Aufheizen möglichst schnell geschehen, damit Fouling durch die beim Aufheizen gebildeten polymeren Nebenprodukte (sogenannte Braunprodukte) vermieden wird. Um diese gegenläufigen Zielvorgaben umzusetzen, wurden für verschiedene Prozessdrücke und Wärmetauschergeometrien Simulationsrechnungen der Fluidströmung, des Wärmeübergangs und der hydrothermalen Reaktion von Glucose zu Braunprodukten vorgenommen. Des Weiteren wurde die Verfahrensmachbarkeit einer energetischen Nutzung von feuchter Biomasse durch Totaloxidation in überkritischem Wasser für vier verschiedene Prozessvarianten betrachtet. Eine Bilanzierung der energetischen Effizienz und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen identifizierten eine Oxidation mit flüssigem Sauerstoff und Prozessdampferzeugung als geeignete Variante. Ein Vergleich mit den Entsorgungskosten von konventionellen Biomasse-Entsorgungsverfahren zeigt bei optimalen Rahmenbedingungen ein potenzielles Einsatzgebiet für Abfall-Biomasse mit 3 - 17 % (g g-1) organischer Substanz (Rest Wasser).

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Biomass represents a CO2-neutral and renewable energy feedstock with often high moisture. In contrast to the conventional gas phase combustion the fuel moisture is not a problem in the total oxidation of wet biomass in supercritical water, it even contributes to the reaction medium. This dissertation provides a basis for the design of a process for the total oxidation of biomass in supercritical water (supercritical water oxidation SCWO) by clarifying the main chemical reaction pathways as well as considering aspects of chemical engineering. In hydrothermal and oxidative experiments (oxygen stoichiometric for a total oxidation to CO2, H2O and N2) the reaction behaviour of biomass model substances in high temperature and high pressure water at 250 - 480 °C, 2 - 40 s, 24 - 35 MPa and 0,2 - 2 % (g g-1) organic substance was investigated. The chosen model substances were for cellulosic biomass glucose and for proteinaceous biomass the amino acids glycine and alanine. Based on the experimental results, detailed reaction networks were postulated, possible mechanisms of single reaction steps were discussed and global reaction kinetics were determined. Glucose, alanine and glycine decompose already at subcritical temperatures (T < 374 °C) readily to low molecular liquid substances. In turn these are in general more stable and react even at supercritical temperature only slowly with oxygen. A complete combustion of the model substances in supercritical water to CO2, H2O and N2 could not be achieved at the investigated temperatures and residence times. For a total oxidation higher temperatures or greatly longer residence times are needed. As an important part of a SCWO process for the total oxidation of biomass the eco (economiser) heat exchanger was designed. Here contradicting design aims had to be satisfied. For instance on one hand the feed should be heated up efficiently by a low temperature gradient, on the other hand the heating up should occur quite fast in order to prevent fouling by polymeric "brown products", which are formed as hydrothermal by-products during heating up. Therefore the fluid flow, the heat exchange and the hydrothermal decomposition of glucose to brown products in the heat exchanger were simulated for different process pressures and varying heat exchanger geometry. Moreover the feasibility of a process for energy recovery from biomass by supercritical water oxidation was studied on four different process schemes. Balances of the energy efficiency and economic considerations identified an oxidation with liquid oxygen and generation of process steam as the best option. A comparison with costs of conventional biomass treatment processes pointed towards a potential field of application for waste biomass with 3 - 17 % (g g-1) organic substance (in water) at optimum conditions.English
Uncontrolled Keywords: überkritisches Wasser
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
überkritisches WasserGerman
biomassEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 660 Technische Chemie
Divisions: Fachbereich Chemie
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000729
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-7299
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Claus, Prof. Dr. Peter and Dinjus, Prof. Dr. Eckhard
Advisors: Vogel, Prof. Dr.- Herbert
Refereed: 17 July 2006
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/729
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