Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7361
Fuels and Chemicals from Rice Straw in Egypt
Ralph Stahl, Abou Bakr Ramadan*
Abstract
In Egypt rice cultivation in the river Nile Delta produces
large amounts of rice straw as residue. Assuming that about 20% were used for
other purposes about 2.8 Mt were left on the fields for burning within a period
of 30 days to get quickly rid of leftover debris. The resulting emissions give
a significant contribution to the air pollution called the “Black
Cloud”. A suitable technology for the use of rice straw is an important
contribution to reduce air pollution and gives a significant contribution to
use biomass as renewable energy in Egypt.
Based on that fact rice straw was studied as possible
feedstock for the BIOLIQ process. The BIOLIQ process which is under development
at the Forschungszentrum Karlsruhe (Germany) is a two-step process for the
production of chemicals, fuels or electricity from lignocellulosic biomass with
high ash content. In the first step the biomass is liquefied by fast pyrolysis.
The pyrolysis char and the pyrolysis liquid are mixed to form a slurry. In the
second step the pumpable slurry is used to produce syngas in a pressurised
entrained flow gasifier. After gas cleaning and conditioning the syngas is used
for the production of fuels, chemicals and electricity as by-product. In this
work rice straw is studied as a possible feedstock for fast pyrolysis and
slurry preparation.
First the Egyptian rice straw was chemically characterised.
Ultimate analysis of rice straw showed an elemental composition of 47,8% C, 6,0
%H and 45,3% O, (daf). According to the elemental composition the HHV was
calculated to be about 18,1 MJ/Kg (Dulong) up to 20,5 MJ/kg (Ebeling). Based on
the experimental HHV 15,3 MJ/kg (rice straw dry, 18% ash) the HHV on a moisture
and ash free basis was calculated to be 18,7 MJ/kg. According to the literature
the lignin, hemicellulose and cellulose contents of rice straw were about 12%,
28% and 60%, respectively. The rice straw was chopped and sieved (2 mm sieve)
and most of the straw dust was separated before use. The pyrolysis process was
studied on laboratory and PDU (process demonstration unit) scale. During pyrolysis
lignin gave the main contribution to the char formation. TGA pyrolysis
experiments showed about 60% of volatiles, 20% fixed carbon and 20% of ash on
the average (dry). These results were very close to the results of fast
pyrolysis experiments in a PDU with a twin-screw reactor. The chlorine was
focussed in the pyrolysis char up to a temperature of ~500°C. If the pyrolysis
temperature exceeded 500°C the chlorine was released and its concentration in
the chars decreased. The outside of the rice straw stems was completely covered
with silica forming a close protection layer. SEM-studies show that the
pyrolysis took place only at the inner sides of the stems. Therefore rice straw
had to be chopped very carefully in order to brake up short stem pieces and to
split them up. Additionally the SEM pictures confirmed the volatility of
chlorine at temperatures above 500°C. Condensate viscosity, char porosity and
the particle size spectrum as well as slurry production techniques play an
essential role for slurry preparation and result in practicable
condensate/char-weight ratio variations between about 3 to 1.3 for worse and
unfavourable situations. With a special colloid mixer, a robust tool well known
for the preparation of a very homogeneous cement grout it was possible to
prepare a pumpable char/tar mixture with a high mixing ratio of almost 50% by
weight.
The high ash content in rice straw was retained in the char
and increased the amount of solid product. The char to condensate ratio
decreased to 1.3 resulting in a slurry with about 43% of char.
Fast pyrolysis was essential to generate sufficient
condensate for char suspension, especially for feedstocks with more ash like
rice straw and in combination a special colloid mixer was necessary for the
generation of slurrries with a high char load containing about 90% of the
initial biomass energy.
The results showed that for the total available amount of
rice straw in Egypt (~2,8 Mt/year) about 28 fast pyrolysis units each with a
capacity of 100.000t/a are necessary. Square bales with ~ 100 kg/m3 bulk
density are the preferred feedstock for compact transport and storage. In the
regions of the Nile delta the unused half of the straw harvest amounts to ~ 120
- 250 t per year and km2. For a capacity for a regional pyrolysis plant of
100.000 t/a a maximum delivery radius of 15 km comprises about 700 km2
resulting in a throughput of 12 to 15 t/h of airdry rice straw. In-time straw
delivery to an intermediate storage facility at the pyrolysis plant must be
fixed by contracts with the local farmers, as is known from Danish district
heating plants. The straw should be as dry as possible (<15% moisture) when
delivered at the plant gate. Low temperature process heat can be used there to
reduce the moisture content down to < 5%. Before feeding the straw it must
be chopped very carefully. The produced slurry of 2,3Mt/a and can be used to
produce about 350 Mt of Fischer Tropsch diesel per year.
Herstellung von
Kraftstoffen und Chemikalien aus Reisstroh in Ägypten
Zusammenfassung
Bei der Reiserzeugung
in Ägypten fallen jährlich große Mengen an Reisstroh als landwirtschaftlicher
Rückstand an. Etwa 2,8 Mt werden jährlich innerhalb einer Periode von 30 Tagen
im Herbst auf den Feldern verbrannt. Die damit verbundenen Emissionen tragen
maßgeblich zur Luftverschmutzung der sogenannten „Black cloud“ bei.
Eine Technologie, die es ermöglicht, Reisstroh zu Chemikalien, Kraftstoff oder
Strom zu verarbeiten, würde einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung der Luftqualität
leisten. Eine Möglichkeit dazu besteht in der Nutzung von Reisstroh als
Rohstoff für das BIOLIQ Verfahren. Dieses zweistufige Verfahren zur Herstellung
von Chemikalien oder Strom aus trockenen landwirtschaftlichen Reststoffen wird
derzeit am Forschungszentrum Karlsruhe erprobt. In einem ersten Schritt wird
die Biomasse durch Schnellpyrolyse verflüssigt, indem die bei der Verschwelung
bei 500°C entstehenden Produkte Koks und Pyrolysekondensat zu einem pumpfähigen
Slurry vermischt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dieser in
einem GSP-Druckvergaser (Gaskombinat Schwarze Pumpe) zur Herstellung von
Synthesegas verwendet. Nach der Reinigung und Konditionierung des Synthesegases
werden daraus in einer Syntheseanlage Kraftstoffe, Chemikalien und/oder Strom
hergestellt. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurde Reisstroh aus Ägypten auf
seine Eignung als Rohstoff zur Herstellung von Slurry für das BIOLIQ Verfahren
untersucht.
Vor den Versuchen
wurde das Material auf eine Partikelgröße < 2mm zerkleinert. Der
Wassergehalt des untersuchten Materials schwankte zwischen 8 und 12%. Da eine
hohe Feuchtigkeit des Eduktes den Gesamtwirkungsgrad deutlich verschlechtert,
muss bei technischen Anlagen auf eine gute Vortrocknung geachtet werden. Die
Ultimatanalysen ergaben für den trockenen und aschefreien Zustand (daf) eine
Zusammensetzung von 47,8% C, 6,0% H und 45,3% O. Aus dem experimentellen
Brennwert von 15,3 MJ/kg berechnete sich der Heizwert (daf) zu 18,7 MJ/kg. Die
Pyrolyse wurde im Labor- und Technikumsmaßstab (10kg/h) untersucht. Wie aus der
Literatur bekannt, trug der Ligninanteil erheblich zur Menge des gebildeten
Pyrolysekokses bei. Begleitende Untersuchungen mit der Thermowaage ergaben
einen Anteil von 60% an flüchtigen Komponenten, von 20% Koks und von 20% Asche.
Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop zeigten, dass besonders die
Außenseite der Reishalme komplett mit einer dichten Silikatschicht bedeckt war.
Der pyrolytische Abbau des Materials fand deswegen bevorzugt an der Innenseite
der Halme statt. Infolgedessen wurde das Stroh sorgfältig gehäckselt, um die
Halme der Länge nach aufzuspalten. Durch die Aufnahmen wurde auch gezeigt, dass
sich bei der Pyrolyse besonders Chlorid an der Oberfläche anreichert und sich
bei Betriebstemperaturen >500°C verflüchtigt und an kälteren Stellen zu
Ablagerungen und Verengungen führt.
Die Viskosität der
Kondensate und die Porosität und die Partikelgröße des Pyrolysekokses sind bei
der Slurryherstellung von großer Bedeutung. Bei einem Gewichtsverhältnis von
Kondensat zu Koks von ~3 lassen sich solche Suspensionen ohne Probleme
herstellen. Bei Materialien mit hohen Aschegehalten sinkt dieses jedoch auf 1,3
ab. In diesen Fällen konnten pumpfähige Slurries mit einem Feststoffgehalt von
~45% nur durch Verwendung eines Kolloidmischers hergestellt werden. Diese
enthielten ca. 90% der ursprünglichen Energie. Eine Modellstudie ergab, dass
ca. 28 Pyrolyseanlagen mit einer Kapazität von jeweils 100.000 t/a notwendig
wären, um die im Nildelta anfallenden Mengen zu verarbeiten. Bei einer
Strohmenge von 120 – 250 t /km2 Jahr entspricht dies ein em Einzugsgebiet
von ca. 700 km2 oder einem Einzugsradius von 15 km. Die zeitgemäße Anlieferung
müsste durch entsprechend Lieferverträge mit den örtlichen Farmern geregelt
werden. Aus einer Slurrygesamtmenge von ca. 2,3 Mt/Jahr können so ~350 Mt
synthetischer Diesel hergestellt werden.
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