Experimentelle und theoretische Untersuchung der Torrefizierung von Buchenholz

Ohliger, Andreas; Scherer, Viktor; Kneer, Reinhold

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-030034

Experimentelle und theoretische Untersuchung der Torrefizierung von Buchenholz = Experimental and theoretical investigation of beechwood torrefaction

Ohliger, Andreas

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Ohliger

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangXX, 211 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Kneer, Reinhold (Thesis advisor)^RWTH* ; Scherer, Viktor (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-05-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-030034
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/479297/files/479297.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/479297/files/479297.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung (412610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Torrefizierung (frei) ; Niedertemperaturpyrolyse (frei) ; Reaktionsenthalpie (frei) ; Reaktionswärme (frei) ; torrefaction (frei) ; mild pyrolysis (frei) ; reaction enthalpy (frei) ; heat of reaction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Torrefizierung bezeichnet die milde Pyrolyse holzartiger Biomasse bei etwa 250°C bis 300°C Materialtemperatur. Ziel des Verfahrens ist die Umwandlung der Biomasse in einen kohleähnlichen Festbrennstoff.In dieser Arbeit wird die Torrefizierung von Buchenholz untersucht, da dieses in relativ konstanter Qualität kommerziell verfügbar ist. Dabei wird experimentell die Abhängigkeit verschiedener Produkteigenschaften vom Torrefizierungsgrad ermittelt. Diese Produkteigenschaften sind Heizwert, Energieausbeute, chemische Zusammensetzung, Mahlbarkeit, Feuchtigkeitsaufnahmeverhalten (kurz- und langfristig) sowie die Schrumpfung makroskopischer Partikel. Überdies wird ein Schwerpunkt auf die Bestimmung der Reaktionsenthalpie gelegt, wofür unterschiedliche Versuchsaufbauten verwendet und zum Teil eigene Auswertemethoden entwickelt werden. Für makroskopische Partikel und eine Abnahme derfesten Trockenmasse von ca. 25% wird eine exotherme Reaktionsenthalpie von rund 100 J/g ermittelt.Neben den experimentellen Arbeiten werden zwei Aspekte rechnerisch untersucht. Diese sind zum einen die Massen- und Energiebilanzen eines unabhängigen („stand-alone“) Torrefizierungsprozesses, die basierend auf den experimentellen Ergebnissen anhand einer verallgemeinerten Prozessführung bestimmt werden. Dabei wird die zusätzlich benötigte bzw. überschüssige Energie in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter quantitativ ermittelt.Zum anderen wird ein Simulationsprogramm zur örtlich eindimensionalen Berechnung der Torrefizierung makroskopischer, zylindrischer Holzpartikel entwickelt. Dieses umfasst neben einem Modell für die Abnahme der Feststoffmasse (also der Flüchtigenfreisetzung) auch ein aus den Versuchen phänomenologisch abgeleitetes Modell der Reaktionsenthalpie. Das Simulationsprogramm erlaubt die ungefähre Vorhersage des Temperaturverlaufs in der Holzprobe und des resultierenden Torrefizierungsgrads.

Torrefaction is a mild pyrolysis of lignocellulosic biomass at a material temperature of about 250°C to 300°C. The objective of this process is the conversion of biomass to a solid energy carrier, which is similar to coal.In this thesis torrefaction of beechwood is investigated since this is commercially available in quite constant quality. The dependency of different product properties on the torrefaction degree is identified. These properties are heating value, energy yield, elemental composition, grindability, moisture uptake (short-term and long-term) and shrinkage of macroscopic particles. Additionally, special emphasis is placed on determination of the reaction enthalpy. Different experimental setups are used and special evaluation methods are developed. For macroscopic particles an exothermal reaction enthalpy of approximately 100 J/g is measured at a mass reduction of the dry solid of 25%.Besides the experimental work, two aspects are investigated by computer-aided calculations. Firstly, the mass and energy balance of a generic, stand-alone torrefaction process are calculated based on the experimental results. The additionally required or excess energy is quantitatively determined for several different process parameters.Secondly, a simulation program for one-dimensional calculation of torrefaction of macroscopic, cylindrical wood particles is developed. This program contains a model for the reduction of the solid mass (i.e. volatiles release rate) as well as a model for the reaction enthalpy. The latter is phenomenologically derived from the experiments. The program allows for the approximate prediction of the temperature profile as well as the resulting torrefaction degree of a beechwood specimen.

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