Sulzer Technical Review 2 / 2019

Pumpen für eine Bioölanlage

28. April 2019

Die weltweit erste kommerzielle, CHP-integrierte Bioölanlage ist mit Pumpen von Sulzer ausgestattet. Dieses Bioöl wird mit Pyrolysetechnologie und einer integrierten CHP-Wärmeanlage gewonnen. Bioöl kann als Ersatz für Schweröl dienen und als Rohstoff weiter aufbereitet werden für die Herstellung von Biochemikalien und Biokraftstoff. Die Nutzung von Bioöl dieser Art hat erhebliche positive Auswirkungen auf die Umwelt, da es die Treibhausgasemissionen gegenüber fossilen Brennstoffen um über 70% reduziert.

Autor: Jukka Vanhala, Kotka, Finnland.

Die besagte Bioölanlage im finnischen Joensuu ist seit 2013 erfolgreich in Betrieb und gehört dem Unternehmen Fortum. Die durchschnittliche Produktionsleistung beträgt 137 t am Tag (dies entspricht etwa 30 MW) bei einer maximalen Jahresproduktion von 50'000 t. Damit könnte man den jährlichen Energiebedarf zum Heizen von über 10'000 Haushalten auf der nördlichen Erdhalbkugel abdecken. Das produzierte Bioöl kann mit minimalen Modifikationen anstelle von Schweröl in vorhandenen Wärmekraftwerken eingesetzt werden.

Rohstoffe für die Pyrolyse

Die Pyrolyse bildet die Basis für verschiedene Methoden zur Herstellung von Kraftstoff aus ligno-cellulosehaltiger Biomasse. Zu den möglichen Einsatzstoffen gehören Forstabfälle, Sägespäne, Altholz, Nussschalen, Stroh, Baumwollabfälle, Reishülsen und Präriegräser. Die Nutzung von tierischen Stoffen wie Geflügelabfällen, Kuhdung und anderen Dungsorten wird zurzeit untersucht. Auch einige typische industrielle Nebenprodukte wie Papierschlamm und Getreideschlempe eignen sich als Einsatzstoffe für die Pyrolyse.

Bioöl ist preisgünstig und ideal für Anlagen, die für flüssige Kraftstoffe ausgelegt sind. Unser Bioöl stammt aus unseren Wäldern, weshalb wir es Otso – finnisch für Bär – genannt haben. Es ist praktisch schwefelfrei und somit eine kostengünstige Alternative für die Einhaltung von Emissionsgrenzen bei der Energieerzeugung. Im Jahr 2013 wurden wir für unsere Investition in die Bioölanlage im Rahmen der Global District Energy Climate Awards mit einem Innovationspreis ausgezeichnet. Kasperi Karhapää, Leiter des Bioölgeschäfts bei Fortum Power and Heat, Finnland
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Video über Pyrolyse des technischen Forschungszentrums VTT, Finnland.

Flash-Pyrolyse

Bioöl für Kraftstoffe wird nach dem Prinzip der Flash-Pyrolyse gewonnen. Dabei wird ein bestimmter Einsatzstoff für wenige Sekunden auf Temperaturen zwischen 350 und 500 °C erhitzt. Die Zersetzung der Biomasse bei hohen Temperaturen in einer sauerstofffreien Umgebung führt zur thermischen Spaltung und Entstehung neuer chemischer Substanzen. Pyrolyseöl kann in Zukunft auch als Rohstoff zur Herstellung von Biochemikalien und Biodiesel eingesetzt werden.

Bioöl aus Holzschnitzeln

Bei Fortum werden die Holzschnitzel im Pyrolysereaktor bei 500 °C in ein kondensierbares Rauchgas umgewandelt. Der Reaktor wird mit Wärmetransfermaterial (Sand) aus der Fliessbettanlage beheizt. Zudem führt der Transfersand die verbleibende feste Biokohle der Brennkammer zu. Das Rauchgas aus dem Reaktor wird aufgefangen und zu flüssigem Bioöl kondensiert (Abb.1). Aufgrund seiner hohen Viskosität enthält das Bioöl häufig Gas, wenn es im weiteren Prozess gepumpt wird. Das Gas sammelt sich schliesslich in der Pumpe und kann den Fluss und den Druck beeinträchtigen. Daher wird für diese Prozesspumpen eine integrierte Gasabscheidung benötigt.

Prinzip der Bioölproduktion mit Flash-Pyrolyse
Abb.1 Das Prinzip der Flash-Pyrolyse für Bioöle (Quelle: VTT, Finnland).
Die Prozesstechnik von Valmet verwandelt erneuerbare Rohstoffe in Zellstoff, Papier und Bioenergie. Valmet besitzt einzigartige Kenntnisse in der Nutzung erneuerbarer Rohstoffe und ist auf diesem Gebiet weltweit tätig. Bei der Pyrolyse arbeitete Valmet mit dem finnischen Forschungs-, Entwicklungs- und Innovationszentrum VTT zusammen, das Unternehmen dabei hilft, wissenschaftliches Wissen und technologische Innovationen für sich zu nutzen. Joakim Autio, Produktmanager bei Valmet, Finnland
Abb. 2 CFD-Berechnung für einen SALOMIX- SLF-Mischer (Quelle: Sulzer).

Pumplösung mit Gasabscheidung

Die Bioölanlage von Fortum wurde von der Firma Valmet in Tampere, Finnland, entwickelt, getestet und installiert. Während der Entwicklung wandte sich Valmet mit der Bitte an Sulzer Pumps Finland Oy, geeignete Prozesspumpen für die Anlage vorzuschlagen. Die Pumpen wurden anschliessend im Forschungs- und Entwicklungszentrum von Valmet unter realen Prozessbedingungen getestet.

Die AHLSTAR-Prozesspumpen (Abb. 3) wurden mit speziellem Zubehör ausgestattet, das normalerweise für explosionsgefährdete Umgebungen (ATEX-Bereiche) vorgesehen ist. Die Besonderheit war ein spezielles System zur Gasabscheidung, das für den Pyrolyseprozess erforderlich ist. Dazu baute Sulzer die Kondensatorumwälzpumpen zu entgasenden A-LM-Pumpen um. Zu der Zeit war nur Sulzer in der Lage, Fortum solche Pumpen zu liefern. Der geringe Energieverbrauch war ein weiterer Grund für die Wahl der AHLSTAR-Pumpen. Darüber hinaus lieferte Sulzer einen Speichertank und seitlich montierte Rührwerke vom Typ SALOMIX™ SLF für die Bioölanlage. Die Wahl der Rührwerke erfolgte auf der Grundlage numerischer Strömungsberechnungen (Abb 2).

Abb. 3 AHLSTAR-Prozesspumpe mit Gasabscheidung für die Flash-Pyrolyse (Quelle: Sulzer).

Zukünftige Entwicklungen

Auch im Bereich Destillation und Trennung bietet Sulzer Chemtech Lösungen für Biokraftstoffe. „Es gibt spezielle Einbauten zur Abscheidung von Algen, Hefen und Bakterien aus Flüssigkeiten“, berichtet Thomas Raiser, Senior Technical Consultant für Biokraftstoffe bei Sulzer Chemtech in der Schweiz.

Sebastian Hirschberg, Product and Application Manager Mixing bei Sulzer Chemtech, erklärt: „Die gleichmässige Erwärmung der Biomasse ist eine entscheidende Komponente für die Prozesszuverlässigkeit. Für den Temperaturausgleich von Luftströmen bietet Sulzer Mischlösungen wie die Contour™-Mischer. Diese werden stets an die kundenspezifischen Anforderungen angepasst und von Sulzer-Experten mithilfe numerischer Strömungsberechnungen (CFD) ausgelegt.“

Es wird weiter geforscht, um festzustellen, welche Arten von Biomasse als Quelle für Biokraftstoffe genutzt werden können. Sulzer ist praktisch an allen damit verbundenen Prozessen beteiligt. Das Biokraftstoffgeschäft entwickelt sich rasch, und durch enge Zusammenarbeit mit den grössten Akteuren auf dem Markt und schnelles Reaktionsvermögen gehört Sulzer zu den führenden Technologielieferanten – und unterstützt damit den Aufbruch in ein neues, umweltfreundlicheres Zeitalter.


Sulzer Technical Review

Nadia Qaud

Editor-in-Chief

Telefon: +41 52 262 32 67