Einfluss der Partikelgröße auf die Pyrolyse von Holzhackschnitzeln

Institut für Technische Chemie (ITC)
Lehrstuhl für Hochtemperaturverfahrenstechnik
Leiter:
Prof. Dr.-Ing. Dieter Stapf
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Diplom-/Masterarbeit
" Einfluss der Partikelgröße auf die Pyrolyse von Holzhackschnitzeln in einem
Schneckenreaktor "
Motivation
Biomasse-Rohstoffe, z.B. Holzhackschnitzel und Weizenstroh, können mittels Pyrolyse zu
hochwertigen gasförmigen, flüssigen und festen Brennstoffen umgewandelt werden. Der neue
Pyrolysereaktor STYX, ein Trogschneckenreaktor mit integrierter Heißgasfiltration, kann ein breites
Spektrum solcher Ausgangmaterialien verarbeiten und erzeugt daraus partikelfreie Dämpfe und
reaktive Kokse. Der primäre Abbauprozess wird stark durch die Partikelgröße der nativen Biomasse
beeinflusst. In größeren Partikeln erfolgt der Wärmeeintrag zeitlich verzögert mit langsamerem
Temperaturanstieg. Der Einfluss der Partikelgröße spiegelt sich in einer niedrigeren effektiven
Aufheizrate während des primären Pyrolyseprozesses sowie verstärkten sekundären Crackreaktionen
innerhalb des Korns wieder. Dies führt zur Veränderung des Produktausbeute und des Spektrums der
gebildeten Produkte. Für die weitere Prozessentwicklung ist deshalb wichtig, den Einfluss der
Partikelgroße auf den Pyrolyseprozess selbst und die Produkteigenschaften für die typischen
Pyrolysebedingungen zu quantifizieren und eventuelle Grenzbedingungen zu bestimmen.
Herausforderung
Der Herausforderung dieser Arbeit bestehet in der Quantifizierung des Partikelgrößeneinflusses auf
den primären Pyrolyseprozess in einem außen beheizten Schneckenreaktor. Die Erkenntnisse sollen
außerdem die Validierung eines thermo-chemisches Modells für die Pyrolyse in einem
Schneckenreaktor ermöglichen.
Beschreibung der Arbeit
Der Pyrolysereaktor STIX ermöglicht die Untersuchungen zum Einfluss der Partikelgroße auf den
Pyrolyseverlauf und auf Ausbeuten und Eigenschaften der Produkte. Der Einfluss der wichtigsten
Prozessparameter, d.h. Reaktortemperatur und der Fördermassenstrom, kann experimentell mit Hilfe
von lokalen Analysen (Ausbeute, Zusammensetzung, Elementar- und Immediat Analyse, Heizwert,
usw.) entlang des Reaktor detailliert untersucht werden; außerdem kann die Temperatur des
Feststoffes für die direkte Bestätigung der Thermochemischen Modell ermittelt werden.
Aufgabestellung
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Literaturreview des Primärabbauprozess mit Fokus auf den Einfluss der Partikelgroße;
Experimentellen Untersuchungen im Technikumsreaktor STYX mit lokalen und globalen
Probenahme sowie Analyse des Festostoff (Elementar- Immediat Analyse), des Gas (GasChromatographie) und der Kondensat (GC-MS, pH Wert, Viskosität, usw.);
Vergleich der experimentellen Ergebnissen mit Thermogravimetrische Analyse;
Umsetzung der Partikelgrößeneffekte in einen Reaktor-Modell und Vergleich mit den
experimentellen Ergebnissen;
Was wir bieten
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Mitarbeit in einer vielseitigen, hoch motivierten Arbeitsgruppe
Expertise in alternativen Produktionstechnologien für Biobrennstoffen
Etablierte und ausgerüstete Labor- und Versuchsanlagen
Persönliche Qualifikation:
Institut/Abteilung:
Vertragsdauer
Betreuer:
Ingenieurwissenschaften
Institut für Technische Chemie – KIT Campus Nord
6 Monate – Beginn nach Absprache
Marco Tomasi Morgano, Institut für Technische Chemie
Telefon: +49 721/608-22869
E-Mail: [email protected]
Institute of Technical Chemistry (ITC)
Chair in High Temperature Process Engineering
Head:
Prof. Dr.-Ing. Dieter Stapf
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Bachelor/Master Thesis
"Effect of the Particle Size on the Pyrolysis of chopped Wood in a Screw
Reactor"
Motivation
Biomass feedstock, e.g. chopped wood or wheat straw, are to be upgraded by means of pyrolysis into
high valuable gaseous, liquid and solid products respectively. The novel pyrolysis reactor STYX, a
screw conveyor reactor with integrated hot gas filtration, is suitable for a wide spectrum of materials
and is able to provide vapors free of solid particles and reactive char. The primary degradation
process is strongly influenced by the particle size of the native biomass. In large particles, the heat
transfer is delayed with a slower temperature rise. The influence of the particle size is reflected in a
lower effective heating rate as well as in enhanced heterogeneous secondary cracking reactions within
the particles. That leads to different products yields and properties. For further process development, it
is thus important to quantify the effect of the particle size on the pyrolysis under the typical process
conditions and eventually to define the limit conditions.
Challenge
The challenge of this work is to quantify the effect of the particle size on the primary pyrolysis
degradation process in an externally heated screw reactor. The results may be used for the validation
of the thermo-chemical model for the pyrolysis in a screw reactor.
Description of the Work
The STYX reactor enables the study of the effect of the particle size on the timing of pyrolysis and on
the products yields and properties, respectively. The influence of the main process parameters, i.e.
reactor temperature and the feed mass flow, may be investigated experimentally along the reactor by
means of local products yields and properties (yields, composition, elemental and proximate analyses,
heating value, etc.). Moreover it may also enable the measurements of the temperature of the solids
for the direct validation of the thermo-chemical model.
Task
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Literature review of primary pyrolysis of biogenic feedstock with focus on the particle size
effects;
Experimental investigations at the bench-scale reactor with local and global sampling as well
as analyses of solid (elemental and proximate analyses, etc.), gas (Gas Chromatograph) and
condensate (GC-MS, pH, viscosity, etc.);
Comparison of the experimental results with lab-scale Thermogravimetric analyses;
Implementation of the particle size effects into a reactor model and comparison with the
experimental results;
What we Offer
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Participation in an enthusiastic, versatile working group
Expertise in alternative biofuels production technologies
Established laboratory and experimental facilities
Personal Qualification:
Institute/Department:
Duration:
Advisor:
Engineering Science
Institute for Technical Chemistry – KIT Campus Nord
6 months – from March 2015
Marco Tomasi Morgano, Institute for Technical Chemistry
Phone: +49 721/608-22869
E-Mail: [email protected]

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