Niedertemperaturkonvertierung biogener Reststoffe zum rohstofflichen Recycling von Kohlenstoff und Phosphor

Beschreibung

Die vorliegende Untersuchung behandelt die Verwertung organischer Reststoffe auf dem Wege der Niedertemperaturkonvertierung. Aufgezeigt werden Lösungswege zum Recycling der Elemente Kohlenstoff und Phosphor. Experimentelle Untersuchungen basieren auf Produkten aus statischen Umsetzungen der Substrate (Rapspresskuchen, Klärschlamm, Tierund Fleischknochenmehl, Getreideschlempe und Apfeltrester) im rohrförmigen Laborofen bei 400 °C unter Stickstoffatmosphäre und zweier kontinuierlich betriebener Pilotanlagen. Ein Fokus liegt auf der Verbesserung der Produkteigenschaften durch die Zugabe von Soda zum Substrat vor der Konvertierung. Die entstehenden Konvertierungsöle zeichnen sich durch einen höheren Grad der Entfunktionalisierung von Heteroatomen aus. In Bezug auf die Sauerstoffkonzentration im Konvertierungsöl der untersuchten Substrate liegt diese ohne Soda-Zusatz bei etwa 10 % und erfährt durch die Umsetzung in Gegenwart von Soda eine Reduktion auf etwa 5 %. Die qualitative Verbesserung ist auf eine alkalische Verseifung der Lipide mit anschließender thermischer Zersetzung der Natriumsalze der Fettsäuren zurückzuführen. Im Zuge dieser Reaktionsfolgen wird Wasser verbraucht. Darauf aufbauend gelingt in einer Anlage im Pilotmaßstab ( = 20 kg/h) bei Verwendung von Tierfett als Ausgangssubstrat eine nahezu vollständige Decarboxylierung der Fette in Kohlenwasserstoffe. Der organisch gebundene Phosphor der biogenen Reststoffe kann nach der Konvertierung in der gebildeten Kohle als Polyphosphat vorliegen. Hingegen entstehen bei Zugabe von Soda vor der Konvertierung ortho-Phosphate. Sie sind größtenteils wasserlöslich. Die Pflanzenverfügbarkeit dieser Phosphate wird im Gefäßversuch mit Deutschem Weidelgras (Lolium perenne L.) nachgewiesen. Schon im Ausgangssubstrat vorliegende stabile Phosphate wie Apatit oder Eisenphosphat werden in der Niedertemperaturkonvertierung nicht verändert. Bei direkter Verwendung der phosphathaltigen Kohle aus der Niedertemperaturkonvertierung in Düngemittelkonzepten ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten der langfristigen Fixierung von Kohlenstoff im Boden. Brennstoffanalysen der Kohle aus der Niedertemperaturkonvertierung zeigen, dass bei der Umwandlung von Rapspresskuchen, Getreideschlempe und Apfeltrester feste Rückstände mit physikalischen Eigenschaften von Steinkohlen entstehen. Hingegen werden bei der Konvertierung von Klärschlamm, Tier- und Fleischknochenmehl überwiegend Festprodukte vom Typ „Braunkohle“ gebildet. Description This investigation deals with the use of organic residues via low temperature conversion. Strategies for recycling of carbon and phosphorous are discussed. Experimental investigations are based on products from the conversion of squeezed rapeseed, sewage sludge, meat and bone meal, grain residue from ethanol production and apple pulp both in a stationary laboratory tube furnace as well as two continuously fed pilot plants at 400 °C using nitrogen as inert gas. The main topic is the improvement of product properties through an addition of soda into the substrate prior to conversion. Oils formed are characterised by a higher degree of removal of functional groups of heteroatoms. In relation to the concentration of oxygen in the conversion oils of the investigated substrates, a 10 % concentration is achieved without added soda, meanwhile under the conversion in presence of soda, a reduction of 5 % is obtained. This qualitative improvement is due to alkaline saponification of lipids followed by thermal decomposition of sodium salts of fatty acids. In the course of these reactions water is consumed. Based on these findings a nearly complete decarboxylation of fats into hydrocarbons was achieved at pilot scale ( = 20 kg/h) using animal fat as substrate. Organically bound phosphorous in biogenic residues may be found as polyphosphate in LTC char. On the contrary, in the presence of soda in the conversion process orthophosphate is formed. These compounds are mainly water soluble. Stable phosphates, such as apatite or iron phosphate, in the substrates aren’t altered by LTC process. Plant availability of phosphate is demonstrated in pot test with ryegrass (Lolium perenne L.). Direct use of char containing phosphate from LTC in fertiliser concepts offers additional possibilities for long term fixation of carbon in soils. Proximate and ultimate analysis of char from LTC shows that the conversion of squeezed rapeseed, grain residue from ethanol production and apple pulp gives rise to solids having properties of bituminous coal. However the conversion of sewage sludge as well as meat and bone meal produces solids which are characterised as sub-bituminous coal.

Autor*in

Bernd Weber

Stimmen zu »Niedertemperaturkonvertierung biogener Reststoffe zum rohstofflichen Recycling von Kohlenstoff und Phosphor«

Details

Link teilen