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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
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 2
Einführung HTC-Prozess
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 3
HTC-Prozessgas
HTC-Biokohle
HTC-Prozesswasser
Biomasse
HTC
Versuchsdurchführung Versuchseinrichtungen
Autoklav, Volumen 25 L,
mit Steuerung
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 4
max. Temperatur: 230 – 240 C
4 – 5 Stunden >180 C
15 % TS-Gehalt der Reaktionsmasse
Einführung Kohlenstoffbilanz
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
- 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.
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 5
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?
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 6
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
- Methode: Gärtest
- VDI Richtlinie 4360 (2006)
Vergärung organischer Stoffe
- Aussagekraft:
- Vergärbarkeit
- Hemmungen
- Gasausbeute
Gasbildungspotenzial Anaerobe Abbaubarkeit - Teil 1
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September 2012 Folie 7
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
Gasbildungspotenzial Anaerobe Abbaubarkeit - Teil 2
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September 2012 Folie 8
- Ergebnisse der Gärtests
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Gasbildungspotenzial Anaerobe Abbaubarkeit - Teil 3
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September 2012 Folie 9
- 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
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Gasbildungspotenzial Anaerobe Abbaubarkeit - Teil 4
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September 2012 Folie 10
- Bilanzierung der HTC-Batch Versuche
- Vergleich der Energiegehalte (Brennwert)
- Trockenmasse · Brennwert der Inputsubstrate
- Trockenmasse · Brennwert der HTC-Biokohle
Ausbeute der eingebrachten Energiegehalte
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Energetische Betrachtung Energie-Ausbeute - Teil 1
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September 2012 Folie 11
- 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
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Energetische Betrachtung Energie-Ausbeute - Teil 2
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September 2012 Folie 12
- Ergebnisse der Steigerung durch Co-Vergärung der
Prozesswässer (ausgewählte Beispiele)
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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
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September 2012 Folie 13
- 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?
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Energetische Betrachtung Ergebnisse
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September 2012 Folie 14
- Simulation der Prozesswasser-Kreislaufführung
- Bachelor-Arbeit (WS 2010/11) – Jörg Bittner
- HTC-Batch Versuche mit trockenem Inputmaterial
(Rübenschnitzel)
- 12 Prozesswasser-
Wiederverwendungen
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Prozesswasser-Kreislaufführung Herangehensweise
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September 2012 Folie 15
- Simulation der Prozesswasser-Kreislaufführung
- Bachelor-Arbeit (SS 2012) – Jean-Baptist Vonner
- HTC-Batch Versuche mit feuchtem Inputmaterial
(Biertreber)
- 8 Prozesswasser-
Wiederverwendungen
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
Prozesswasser-Kreislaufführung Herangehensweise
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September 2012 Folie 16
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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
- Einschätzung der Ergebnisse
- „Prozesswasser-Kreislaufführung steigert
das Verwertungspotezial der flüssigen Phase“
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Prozesswasser-Kreislaufführung Ergebnisse - Teil 2
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 18
- 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
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Prozesswasser-Kreislaufführung Ergebnisse - Teil 3
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 19
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
Prozesswasser-Kreislaufführung Erste Ergebnisse technischer Versuche - Teil 1
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 20
(Halb-)technische Containeranlage,
kontinuierlicher Prozess, 200 L Reaktor
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
Prozesswasser-Kreislaufführung Erste Ergebnisse technischer Versuche - Teil 2
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 21
HTC-Prozessgas
HTC-Biokohle
HTC-Prozesswasser
Biomasse Biomasse
Prozesswasser-Kreislaufführung
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
Prozesswasser-Kreislaufführung Erste Ergebnisse technischer Versuche - Teil 3
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 22
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
Prozesswasser-Kreislaufführung Erste Ergebnisse technischer Versuche - Teil 4
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 23
TS-Input ca. 35 % FS
PW-Kreislaufführung
TS-Input ca. 30 % FS
Verweilzeit: 5 – 5,5 h
max.Temperatur: 220 °C
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
Prozesswasser-Kreislaufführung Erste Ergebnisse technischer Versuche - Teil 5
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 24
- Erste Einschätzung der technischen Situation
- Ergebnisse der Batchversuche bestätigt
- Weitere Untersuchung notwendig
- Weitreichende Praxiserfahrung nötig
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73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 25
Prozesswasser-Kreislaufführung Erste Ergebnisse technischer Versuche - Teil 6
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
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
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 26
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
Qualitative Voruntersuchung Langzeitversuch zur Co-Vergärung - Teil 2
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 27
- 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
- Einschätzung der Ergebnisse
- gute Erfolgschancen
- Prozesswässer sind als potenzielles Co-Substrat geeignet
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
Qualitative Voruntersuchung Langzeitversuch zur Co-Vergärung - Teil 3
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 28
- Weitere Hinweise
- Prozesswasser reagiert bei Lagerung weiter (TC-Abnahme)
- C/N-Verhältnis
- Weiterführende Fragestellung
- Belastungsgrenzen
- Ablaufwerte (Rückbelastung)
- Landwirtschaftliche Ausbringung (Nährstoffkreislauf?)
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
Qualitative Voruntersuchung Langzeitversuch zur Co-Vergärung - Teil 4
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 29
Ausblick Perspektiven
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 30
- 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.
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 31
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/
Dipl.-Ing. D. Blöhse FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik
73. Symposium des ANS e.V. 19. & 20.09.2012 Berlin
September 2012 Folie 32