Thermische Behandlung von Biomasse : Verfahren zur Verbesserung brennstofftechnischer Eigenschaften sowie der anaeroben Abbaubarkeit

Abstract

In dieser Dissertation wird der Einfluss verschiedener thermochemischer Behandlungen auf die Eigenschaften unterschiedlicher Biomasseströme untersucht. Besonderes Augenmerk wird dabei auf Prozesse gelegt, die bei relativ niedrigen Temperaturen bis maximal 300 °C ablaufen. Im ersten Schritt dieser Arbeit werden die Grundlagen der thermochemischen Umwandlungen im genannten Temperaturbereich erläutert, wobei eine Differenzierung zwischen verschiedenen Umgebungsatmosphären (Gas-, Wasser-, Dampfatmosphäre) erfolgt. Dazu wird ein Vergleich von bereits bekannten Verfahren wie der hydrothermalen und vapothermalen Carbonisierung sowie der Torrefizierung hinsichtlich der Produkteigenschaften und der Marktfähigkeit der Verfahren durchgeführt. Darüber hinaus wird das Verfahren der Autoklavierung, das derzeit vor allem zur Sterilisation angewendet wird, als eine Methode vorgestellt, die auch zur Veränderung der Brennstoffeigen-schaften von lignocellulosehaltiger Biomasse eingesetzt werden könnte. Auf Basis der Erkenntnisse aus der Literatur sowie abgeleitet aus den identifizierten ablaufenden Reaktionen wird zudem ermittelt, welches Vorbehandlungsverfahren für welche Art der Anwendung am besten geeignet ist. In Laborversuchen werden anschließend zwei mögliche Nutzungspfade anhand exemplarisch gewählter biogener Stoffströme näher untersucht. Der erste Verwertungspfad umfasst eine anschließende Nutzung als Festbrennstoff. Die dabei durchgeführten Analysen beziehen sich auf den Autoklavierungsprozess und dienen der Verifizierung der zuvor aufgestellten Hypothesen. Der zweite Pfad zielt auf eine Nutzung der Biomasse als Biogassubstrat ab. In diesem Zusammenhang wird der bisher ebenfalls wenig untersuchte Prozess der vapothermalen Vorbehandlung, der Ähnlichkeiten mit dem Autoklavierungsprozess aufweist, näher analysiert. Für beide Anwendungen werden die Hauptursachen für die Veränderungen / Verbesserungen der Produkteigenschaften im Vergleich zum verwendeten Edukt identifiziert. Gleichzeitig werden mögliche Prozesshindernisse, die z. B. durch die Bildung unerwünschter Stoffe verursacht werden können, diskutiert. Abschließend wird anhand eines exemplarisch gewählten Fallbeispiels aufgezeigt, inwieweit solche thermochemischen Behandlungen unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten realisierbar sind.

In this dissertation, the influence of different thermochemical treatments on the properties of dif-ferent biomass streams are investigated. Particular attention is paid to processes that take place at relatively low temperatures up to a maximum of 300 °C. In the first step of this work, the basics of thermochemical transformations in the mentioned temperature range are explained, whereby a differentiation between different surrounding atmospheres (gas, water, steam atmosphere) takes place. For this purpose, a comparison of already known processes such as hydrothermal and vapothermal carbonization as well as torrefaction is carried out with regard to product properties and marketability. In addition, the process of autoclaving, which is currently mainly used for sterilization, is introduced as an option that could also be used to cause changes in the fuel properties of lignocellulosic biomass. On the basis of the findings from literature as well as derived from the identified reactions taking place, it is furthermore determined which pretreatment process is best for which type of application. In laboratory tests, two possible utilization pathways are subsequently exam-ined more closely, based on selected examples of biogenic material streams. The first path of use comprises a subsequent use as a solid fuel. The analyses carried out thereby refer to the autoclaving process and serve to verify the hypotheses established previously. The second pathway aims at using the biomass as biogas substrate. In this context, the vapothermal pretreatment process, for which currently also only few studies were carried out and which shows significant similarities to the autoclaving process, is investigated in more detail. For both applications, the main causes for the changes / improvements in product properties compared to the educt used are identified. At the same time, possible process obstacles that can e.g. be caused by the formation of undesirable substances, are discussed. Finally, the extent to which such thermochemical treatments can be realized from an economic point of view is shown based on an exemplarily chosen case study.