In einem Reaktor werden zylindrische Holzteilchen mit Radius R einer 2-stufigen Pyrolyse unterzo-gen, die als Ergebnis Gase, leichflüchtige Kohlenwasserstoffe und Holzkohle liefert. Die Biomasse wird in einer ersten Reaktion in Leichtflüchtige, Gas und Holzkohle überführt. Ein Teil des Gases lagert sich an die Holzkohleoberfläche an und reagiert chemisch zu Leichtflüchtigen und Gas (jeweils über 200 Fraktionen). Abbildung 1 zeigt die Prinzipskizze der Kinetik. Reaktion 1 –3 sind endotherm in der Startphase bis der Masseverlust 5% übersteigt. Danach ist der Prozess exotherm. Dabei wird die Wärme in die Holzstücke durch Konduktion und Konvektion übertragen. Der Wärmeübergang vom Gas in die Feststoffe wird vernachlässigt. Im Reaktor stellt sich die Temperatur entsprechend der Energieanteile der Teilchen ein. Die Reaktionsmodelle beschreiben den Masseverlust während der Pyrolyse. Dabei wird die Massefraktion der Biomasse, die Holzkohlefraktion der ersten Stufe und die Holzkohlefraktion der 2. Stufe betrachtet. In einem Holzteilchen geschieht Wärmeaustausch sowohl in der endogenen Anfangsphase, wie in der exothermen Phase als Konvektion über die Oberfläche in den Körper und über Konduktion innerhalb des Körpers. In einem pyrolisierenden Holzteilchen entsteht so ein Temperaturgefälle. Am Anfang ist die Temperatur an der Außenfläche größer als im Mittelpunkt. Dann kippt dies (Abbildung 3). Modelliert wird die Pyrolyse eines bereits "teilweise" pyrolysierten Holzteilchens mit für diesen Zustand charakteristischer Dichte und thermodynamischen Parametern. Es wird über die Energiebilanz die Temperaturverteilung in dem "teilweise" pyrolysierten Holzteilchens und der %-uale Masseverlust berechnet. Ein Massetransport in einem Teilchen befördert die Gase und flüchtige Anteile nach außen. Der Prozess wird über eine Heizrate der Reaktortemperatur (von ca. 15K) getrieben. Für die 4 wesentlichen Prozesse der Pyrolyse

- die temperaturabhängige kineti-sche Stoffwandlung,

- der konduktive Wärmetransport in bzw. aus den Partikeln mit den Wärmeverlusten,

- der konvektive und diffusive Massetransport aus den Partikeln in den Reaktorraum und

- Wärmeströme von (bzw. nach) den Oberflächen der Partikel in den gasgefüllten Reaktorraum

werden gekoppelte separate Modelle angesetzt. Es gibt je nach thermischem Regime unterschiedliche Pyrolysearten. Charakterisiert ist dies durch die Größen Biot-Zahl, die den in-ternen und externen Wärmestrom charakterisiert und der Pyrolysezahl, die das Verhältnis Reaktionszeit zur Dauer der Konduktion ausdrückt.

Zum Verständnis der Vorgänge während der Pyrolyse von unterschiedlichen Stoffen unter ver-schiedenen Regimes wurde in Matlab/Simulink® ein Simulationssystem entwickelt. Sämtliche thermischen und kinetischen Parameter sind für verschiedene Holztypen und Zellulose voreingestellt aber im übrigen frei wählbar. Als Beispiel sind hier die Ergebnisse der Pyrolyse von zylindrischen Holzkörpern mit 2cm Radius angeführt. Bei isothermer Pyrolyse ergibt sich eine Temperaturverteilung im Holzkörper. In einer endothermen Anfangsphase heizt sich der Körper von außen auf bis sich das Verhältnis ändert und in der exothermen Phase das Innere wärmen ist (Abbildung 2 und 3). Gleichzeitig verursacht die Produktion von Synthesegas den Masseverlust bzw. die Porosität des Holzkörpers (Abbildung 4). Außerdem wird das Simulationsmodell zur prädiktiven Regelung eines Reaktors verwendet. Die Simulation dient dabei als Prognose, welche Wirkung eine Regelung der Zuführung und der Heizrate auf den Prozess hat. Damit kann der Prozess so geführt werden,

- dass die Holzkörper energetisch günstige Größe haben können und

- dass die 2. Phase der Pyrolyse ausreichend wirken kann, was bedeutet, dass die Ausbeute an Synthesegas hoch ist.

Abbildung 5 zeigt die Verhältnisse von nichtumgesetzten Holz, Holzkohle und flüchtigen Kohlenwas-serstoffen bei einem von links beschickten "Pfropfen"-Reaktor.

Die klassische Regelung ist für die Pyrolyse nicht geeignet, da zum einen die den Pozeßzustand charakterisierenden Größen nicht gemessen werden können und zum anderen der Prozess zu träge auf Regelungseinflüsse reagiert. Deshalb verspricht eine prädiktive Regelung des Reaktors bessere Ergebnisse.