Die Ergebnisse der Messungen und Analysen im Rahmen des EMF Projekts zeigten, dass durch die Kombination von innovativen Anlagenkomponenten eine adäquate Gasreinigung bzw. Gaskonditionierung erreicht werden kann. Alle Komponenten des Systems, deren Kombination für das EMF- Projekt postuliert wurde - Gaskühler mit Strukturrohren (ip-power tubes) der Firma ERK Eckrohrkessel GmbH (ERK) aus Berlin, die Kombination von Quenche und Nasselektrofilter der Firma Beth (BETH) aus Lübeck sowie der Mop-Fan, ein Wäscher mit rotierenden Einbauten - wurden einzeln untersucht und im Verbund an der Tu Berlin betrieben und charakterisiert. Der Mop-Fan ist an der von der University of Nottingham, UK (UNOTT) entwickelt worden. Dort wurde er in diesem Projekt erstmals im Umfeld der Vergasungstechnologie eingesetzt und umfassend untersucht. Zum Projektende wurden Versuche im Gesamtverbund aller Anlagenkomponenten an der Vergasungsanlage der TU Berlin (TUB) durchgeführt. Die Gaskühler der Firma Eckrohrkessel wurden direkt auf das oberste Feeboard-Segment des Wirbelschichtvergasers der TU Berlin angeflanscht. Damit konnte das heiße, partikel- und teerbeladene Produktgas sofort abgekühlt werden. Ziel der Untersuchungen war es, die schon in anderen Anwendungen gezeigten positiven Effekte auf den Wärmeübergang auch auf diese, schwierige Umgebung zu übertragen. Um eine Vergleichbarkeit herzustellen, wurden drei Wärmeübertrager mit verschieden stark strukturierten Rohren gefertigt und ein vierter mit Glattrohren als Referenz eingesetzt. In einer Ersten Versuchsreihe wurde der Wärmeübergang an den 4 Konfigurationen ermittelt. Dabei wurden auch kleinere Teerablagerungen auf den Oberflächen der Wärmeübertrager festgestellt. Die Apparate wurden als Gas- Luft-Wärmeübertrager im Gleichstrom betrieben. Diese Betriebsart wurde gewählt, um möglichst hohe Wandtemperaturen an den mit Produktgas in Berührung stehenden Teilen zu gewährleisten. Im Praxisbetrieb könnten die Apparate auch zur Überhitzung von Vergasungsmittel bei höherem Temperaturniveau verwendet werden. Für eine richtige Beurteilung der Ablagerungsproblematik waren die erreichten Betriebszeiten im Gas für die einzelnen untersuchten Apparate zu gering. Für eine zweite Versuchsreihe wurden die Temperaturmessstellen an zwei Wärmeübertragern verändert, um die Temperaturen des einströmenden Gases genauer zu ermitteln. Die Messergebnisse waren qualitativ aussagekräftiger als die der ersten Versuchsreihe und auch in besserer Übereinstimmung mit berechneten Werten. Es zeigte sich in den Untersuchungen deutlich, dass die Strukturrohre den Wärmeübergang sehr positiv beeinflussen und dass diese Technologie gute Möglichkeiten zum Einsatz in Vergasungsanlagen bietet. Die Versuche mit Quenche und Elektrofiloter zeigten, dass Teer mit einem solchen System erfolgreich abgeschieden werden kann. Das System wurde in der Anlage nach einem Heißgasfilter betrieben. Damit konnte die Teerabscheidung ohne den Einfluss von Partikeln untersucht werden. Es zeigte sich, dass die Teerabscheidung stark vom Temperaturniveau der Apparate und vom Wirken der Quenche abhängig ist. Leichtflüchtige kondensierbare Komponenten wie Benzol, Toluol oder Xylol (BTX) werden kaum abgeschieden, wogegen nahezu 1 alle Teerinhaltsstoffe im Gas mit Molekulargewichten größer als dem des Naphthalins (128) nahezu vollständig aus dem Gas entfernt wurden. Phenol, das wasserlöslich ist, wurde vermutlich zu einem großen Teil in der Kondensatphase des sich aus dem Gas niederschlagenden Wassers gelöst. Andere monoaromatische Verbindungen im Gas wurden in ihrem Ge halt reduziert. Die Ablagerungsproblematik vieler Holzgas-BHKW könnte mit individuell angepassten Quenche-Nasselektrofilter-Systemen wesentlich entschärft werden. Dem stehen allerdings, insbesondere bei kleinen Anlagen, die vergleichsweise hohen Investitionskosten für die Hochspannungseinheit sowie für das Sauerstoff-Überwachungssystem (Explosionsschutz) gegenüber. Auch muss im Weiteren geklärt werden, wie das sich gut in zwei Phasen trennende Gemisch aus RME (Quenchmedium)- Wasser und Teer (Kondensate) zu entsor gen ist. Ansätze wie die von ECN oder früher von Lurgi im Bereich der Kohlevergasung tren nen schweren Teer und wasserreiche Fraktionen im System separat ab. Eine Optimierung der Quenche oder des Quenchmediums z. B. durch Rezirkulation eines Teils des abge schiedenen Mediums müssten noch eingehender untersucht werden, um mehr leichtflüchtige Komponenten in Lösung zu bringen und diese letzendlich im elektrischen Feld des Filters abzuscheiden. Das Mop-Fan Gasreinigungssystem wurde an der UNOTT erfolgreich an einem stationären Wirbelschichtvergaser im Labormaßstab (2-3 kg Biomasse/h) eingesetzt. Es wurden die Ein flüsse auf die Gasreinigung bei verschiedenen Drehgeschwindigkeiten des Rotors und ver änderlichen Durchflussraten des Spülmediums (Wasser) untersucht. Die Effizienz der Parti kelentfernung aus dem Gas wurde ohne aufgesprühtes Wasser mit 50% ermittelt. Mit Spül medium wurden Abscheideraten bis zu 90% erreicht. Die Abscheidung wird dadurch erreicht, indem das Gas ähnlich dem Strömungsfeld einer Kreiselpumpe den Mop-Fan durchströmt wobei die Partikel durch die sich schnell bewegenden Fasern in ihrer Bewegung beeinflusst werden. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn ein flüssiges Medium, in diesem Falle Wasser, zum Einsatz kommt. Das Medium fließt als Film auf den Fasern und wird durch die Fliehkräf te nach außer befördert. Dabei werden Partikel durch den intensiven Austausch an die Flüssigphase gebunden und an der Gehäusewand abgeschieden. Der Mop-Fan zeigte auch viel versprechendes Potenzial bei der Abscheidung wasserlöslicher Gasinhaltsstoffe wie z. B. Ammoniak, der in Produktgasen der Vergasung häufig zu finden ist. Durch indirekte Messungen der NOx-Konzentration in der nachgeschalteten Brennkammer konnten hierbei Reduktionsraten bis zu 80% ermittelt werden. Die Untersuchung des gesamten integrierten Systems erfolgte gegen Projektende an der Vergasungsanlage an der TU Berlin. Die Anlagenkomponenten konnten in der ursprünglich geplanten Konfiguration zusammen betrieben werden. Funktionalität und Zusammenspiel konnten erfolgreich demonstriert werden. Trotzdem zeigte sich Verbesserungspotenzial zum ursprünglichen angedachten und realisierten Setup. Der Mop-Fan verbraucht in der unter suchten Konfiguration relativ viel Spülwasser. Er könnte zwischen Quenche und Elektrofilter als Abscheider positioniert werden. Damit könnte hier der Stoffaustausch hinsichtlich der Abtrennung leichtflüchtiger und auch wasserlöslicher Gaskomponenten verbessert werden. Die Tropfenabscheidung erfolgt dann im elektrischen Feld. Dann wäre auch der hohe Spülmediumsverbrauch unproblematisch, sofern Rezirkulat eingesetzt wird. In der getesteten Anordnung und Betriebsweise war der Wasserverbrauch des Mop-Fan zu hoch für eine praktikable Anwendung auch wenn das Gas weiter aufgereinigt werden konnte. Hier liegt noch entscheidendes Potenzial in der weiteren Verbesserung des Gesamtsystems.
The results of the EMF project showed that proper gas cleaning and conditioning in smaller gasification plants can be achieved by combining innovative components. All of pro posed components of the innovative gas cleaning and conditioning system including the gas cooler, the mop fan cleaning unit and the electrostatic precipitator (ESP) have been tested individually and collectively with biomass fluidized bed gasifiers. The mop fan cleaning unit has been thoroughly characterised at University of Nottingham (UNOTT), whereas the gas cooler, the ESP and the integrated system of the gas cooler, the mop fan and the ESP have been tested at Berlin Institute of Technology (TUB). The mop fan cleaning unit was successfully applied to the cleaning of the product gas from the laboratory-scale (2 ˜ 3 kg biomass/hr) biomass fluidized bed gasifier at UNOTT. Different fan rotating speeds and different flow rates of spray water were tested to optimise the performance of the mop fan gas cleaning unit. The particle removal efficiency with the tested mop was in the order of 50% without spraying water and as high as 90% if a small amount of water was sprayed on the mop fibres. The mop fan also showed a promising potential in removing water soluble species, e.g. N-species (ammonia etc.) in the product gas, with the removal efficiency of more than 80% achievable. The gas cooler with structured tubes provided by ERK Eckrohrkessel GmbH has greater efficiency in heat exchange compared with the straight tube design. Preliminary qualitative analyses of residues in the heat exchanger indicated some minor deposition of tar compounds on the internal tubes. To quantify the fouling of the gas cooler, more operational time with the gas cooler on stream is needed. Quench and ESP from Beth Filtration GmbH showed their capability for tar removal from the gas. The condensation of heavy tars takes place mainly within the Quench, whereas aerosols (droplets of water, tar and from the quenching medium (Rape Methyl Ester (RME)) or small particles are separated in the electric field of the ESP. Compounds which are pre sent in the product gas in gaseous form or as vapour are almost unaltered by the electric field of the ESP. The quenching/washing unit before the ESP is necessary to bring down the temperature to a point where tar substances will condense on condensation nucleus. The removal of benzene, toluene, and xylenes (BTX) and parts of the naphthalene is strongly dependent either on a low temperature in the system or on an adequate washing medium. It seemed that not all RME was removed by the ESP. Improvement in the Quench design (nozzles, size and flow regime) and adaption of the gas velocity and residence time in the subsequent electric field could lead to better performance. The testing of the integrated system has been carried out with the originally proposed com ponent sequence (Gas Cooler, Quench, ESP and Mop Fan) with TUB gasification plant. The mop fan cleaning unit which uses a fine spray to enhance gas cleaning had led to problems with the pilot burner (which burns off the cleaned product gas) at the TUB plant. The amount of the fresh water used by for the mop fan cleaning unit had to be reduced significantly. The results obtained with the project show that the originally proposed setup should be modified: following the gas cooler, the quenching unit is used to further reduce the gas temperature. In accordance with earlier findings in literature, a quenching system with oil or a tarry fraction of the collected quenching medium could be used to separate heavy tars from the gas. The waste water generated in the mop fan cleaning unit was an oily light coloured liquid with a strong solvent-like smell and could be used as the quenching medium. The mop fan cleaning unit can then be used for the removal of lighter tars by applying a compact device rather than large washing columns and finally the ESP is used to remove droplets of water and condensed tars from the gas.