Abfallumwandlungsreaktor: Pyrolyse, Vergasung und Hydrothermie

Abfallumwandlungsreaktor: Pyrolyse, Vergasung und hydrothermale Wege

Was ist ein Abfallumwandlungsreaktor?Ein Abfallumwandlungsreaktor ist ein Behälter, der minderwertige oder gefährliche Abfälle, Biomasse, Kunststoffe oder Schlämme in Energie oder Chemikalien umwandelt. Er wird durch einen von vier Wegen definiert: Pyrolyse, Erhitzen in Abwesenheit von Sauerstoff bei 400-700 °C zur Gewinnung von Pyrolyseöl, Gas und Koks; Vergasung bei 700-1200 °C zur Herstellung von Synthesegas mit 10-30 MJ pro Normkubikmeter; hydrothermale Karbonisierung bei 180-250 °C und 20-40 bar zur Gewinnung von Hydrokohle aus nassem Biomasse; oder anaerobe Vergärung bei 35-38 °C zur Gewinnung von Biogas. Die größte technische Herausforderung ist die Heterogenität des Einsatzmaterials, da Hausmüll, Biomasse und Schlämme von Charge zu Charge in Bezug auf Feuchtigkeit, Heizwert und Verunreinigungen variieren. Der Reaktor muss daher das ankommende Material tolerieren und nicht eine feste Beschickung. Materialien und Innenteile werden eher aufgrund von Abrieb, Teerbildung, Asche und Korrosion ausgewählt als aufgrund der Kernchemie.

1. Die Umwandlungswege und ihre Reaktoren

Jeder Weg passt zu einem anderen Abfall und liefert ein anderes Produkt:

• Pyrolyse und Vergasung von Festabfällen:Die Pyrolyse erhitzt sortierte Abfälle oder Kunststoffe in Abwesenheit von Sauerstoff bei 400-700 °C und zersetzt sie in Pyrolyseöl, ein brennbares Gas und Koks, wobei die Ölausbeute je nach Einsatzmaterial 30-60 Gewichtsprozent beträgt. Die Vergasung geht weiter und oxidiert das Einsatzmaterial bei 700-1200 °C teilweise zu einem Synthesegas aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff mit 10-30 MJ pro Normkubikmeter, das verbrannt oder chemisch umgewandelt werden kann. Die Reaktoren sind typischerweise Drehrohröfen, Wirbelschichtreaktoren oder indirekt beheizte Schneckenreaktoren. Die zentralen Probleme sind die Teerbildung, die nachgeschaltete Anlagen verschmutzt und deaktiviert, sowie der Abrieb durch Asche und Koks, der die Innenteile verschleißt. Die Aufbereitung, Trocknung und Sortierung des Einsatzmaterials ist ebenso wichtig wie der Reaktor, da Feuchtigkeit über etwa 30-40 % und Inertstoffe die Energiebilanz des Prozesses zerstören.
• Hydrothermale Umwandlung von nassem Biomasse:Bei feuchten Einsatzmaterialien wie Klärschlamm, Lebensmittelabfällen und Gülle ist die Trocknung der kostspielige Schritt, daher verarbeiten hydrothermale Verfahren das Material bei seiner natürlichen Feuchtigkeit. Die hydrothermale Karbonisierung läuft bei 180-250 °C und 20-40 bar für 5-30 Minuten ab, um den organischen Anteil in Hydrokohle umzuwandeln, einen kohleähnlichen Feststoff mit verbesserter Handhabung und Energiedichte. Der Reaktor ist ein gerührter oder Strömungsrohr-Druckbehälter, der gegen die korrosive, Hochtemperatur-wässrige Phase und gegen den Kies und die Fasern im Einsatzmaterial beständig ist. Dieser Weg vermeidet die Trocknungskosten der Pyrolyse und eignet sich gut für Schlämme und landwirtschaftliche Rückstände, bei denen das Ziel die Volumenreduzierung, Stabilisierung und Energiegewinnung ist und nicht ein hochwertiges flüssiges Produkt. Die Druckgrenze und der korrosionsbeständige, benetzte Weg sind die wichtigsten Konstruktionsmerkmale.
• Anaerobe Vergärung für Energie und Stabilisierung:Bei organisch reichen Abfällen wandelt die anaerobe Vergärung in einem geschlossenen Reaktor bei 35-38 °C die organischen Stoffe in Biogas, etwa 60 % Methan, mit 0,3-0,6 m³ pro kg CSB über eine Verweilzeit von 15-30 Tagen um. Der Reaktor ist in der Regel ein emaillierter Stahl- oder Betonbehälter von Tausenden bis 30.000 m³, der mit 10-40 W/m³ gemischt wird und einen explosionsgeschützten Kopfraum aufweist. Dies ist thermisch der schonendste der Umwandlungswege, aber volumetrisch der größte, da die Biologie langsam ist und das Volumen durch die Verweilzeit bestimmt wird. Der Reaktor muss absetzenden und abreibenden Kies, variable Beschickungsstärke und den Gärrest, der entwässert werden muss, handhaben können. Seine Korrosion wird durch Spurensulfide und jede saure Phase, falls die Biologie gestört ist, verursacht. Er ist das Arbeitspferd der kommunalen und landwirtschaftlichen Abfallumwandlung.

2. Ingenieurwesen für heterogene, abrasive Einsatzmaterialien

Die Abfallumwandlung steht oder fällt damit, wie der Reaktor mit einem feindseligen, variablen Einsatzmaterial umgeht:

• Management von Material- und Innenverschleiß:Jeder Abfallumwandlungsreaktor kämpft gleichzeitig gegen Abrieb und Korrosion. Pyrolyse- und Vergasungsreaktoren sehen heißen Koks und Asche, die die Innenteile von Drehrohröfen oder Wirbelschichtreaktoren erodieren. Daher sind feuerfeste Auskleidungen, gehärtete Mitnehmerleisten und austauschbare Verschleißplatten Standard, und das Bettmaterial in einem Wirbelschichtreaktor wird sowohl auf Reaktivität als auch auf Abriebfestigkeit ausgewählt. Hydrothermale und anaerobe Reaktoren kämpfen gegen Korrosion durch die wässrige Phase, Spurensulfide und Chloride. Daher werden 316L, Duplex oder eine emaillierte Stahl-Auskleidung dort eingesetzt, wo die Chemie es zulässt. Die Konstruktionsphilosophie ist, Verschleißstellen billig und zugänglich zu machen, wie die Ofennase, das Bett, das Bodenventil, da etwas planmäßig ersetzt wird, unabhängig von der Legierung. Die Spezifikation für ein durchschnittliches Einsatzmaterial unterschätzt die Beanspruchung; die Konstruktion muss die kiesige, salzige, nasse Ankunft überstehen.
• Handhabung, Mischung und Durchsatz des Einsatzmaterials:Im Gegensatz zu einem chemischen Reaktor, der mit reinen Reagenzien beschickt wird, erhält ein Abfallreaktor ein unvorhersehbares Einsatzmaterial von 50-1000 Tonnen pro Tag. Daher dominieren die Aufbereitung, Sortierung, Zerkleinerung, Trocknung und Dosierung des Einsatzmaterials die Anlage. Der Reaktor selbst benötigt eine robuste Mischung, die Feststoffe ohne übermäßigen Verschleiß bewegt, einen Schnecken- oder Drehmechanismus für Feststoffe, einen Zugrohr- oder Niedrigscher-Impeller für Schlämme und eine Entleerung, die nicht durch Lumpen, Steine oder unverbrannte Kunststoffe verstopft wird. Der Durchsatz wird durch den schlechtesten Beschickungstag bestimmt, nicht durch den Durchschnitt, und durch die Energiebilanz, da hohe Feuchtigkeit und Inertstoffe die Energie verbrauchen, die der Prozess erzeugen soll. Ein Umwandlungsreaktor, der nicht zuverlässig beschickt und entleert werden kann, ist eine Belastung, egal wie elegant seine Chemie ist.
• Produktreinigung, Sicherheit und Emissionen:Das Produkt des Reaktors ist selten der endgültige verkaufsfähige Artikel; es bedarf einer Reinigung. Pyrolyseöl ist sauer, instabil und wässrig und muss aufbereitet werden; Synthesegas enthält Teer, Partikel und saure Gase, die Motoren verschmutzen und gereinigt werden müssen; Biogas enthält Schwefelwasserstoff und Siloxane, die Generatoren beschädigen. Der Reaktor wird daher zusammen mit seiner Gas- oder Flüssigkeitsreinigung und mit Sicherheitssystemen für die brennbaren Produkte, Explosionsschutzmaßnahmen für die Gärbehälter-Kopfräume und Entlastung für jedes Abgas spezifiziert. Emissionsvorschriften treiben einen Großteil der Konstruktion an, von der NOx- und Dioxin-Kontrolle bei der Verbrennung bis zum Geruchs- und Sickerwassermanagement bei der Vergärung. Der Reaktor ist das Herzstück einer Abfallumwandlungsanlage, aber seine Akzeptanz hängt von der Reinigung und der Emissionskontrolle um ihn herum ab.

Vergleichsmatrix der Abfallumwandlungswege

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Was ist der Unterschied zwischen Pyrolyse und Vergasung bei der Abfallumwandlung?

A: Beide zersetzen Abfälle thermisch ohne vollständige Verbrennung, jedoch in unterschiedlichem Ausmaß und mit unterschiedlichen Produkten. Bei der Pyrolyse wird das Einsatzmaterial in Abwesenheit von Sauerstoff bei 400-700 °C erhitzt und in Pyrolyseöl, ein brennbares Gas und Koks zerlegt, wobei die Ölausbeute 30-60 Gewichtsprozent beträgt. Die Vergasung lässt eine begrenzte Menge Sauerstoff oder Dampf zu und treibt die Reaktion auf 700-1200 °C, wobei das Einsatzmaterial weitgehend in Synthesegas, Kohlenmonoxid und Wasserstoff mit 10-30 MJ pro Normkubikmeter umgewandelt wird, das verbrannt oder chemisch aufbereitet werden kann. Die Pyrolyse eignet sich besser für die Gewinnung von Flüssigkeiten aus Kunststoffen und Biomasse; die Vergasung ist besser für ein sauberes gasförmiges Brennstoff und für Einsatzmaterialien, die sich leicht vergasen lassen. Beide haben Probleme mit Teer und Asche, und beide benötigen Trocknung und Sortierung des Einsatzmaterials, da Feuchtigkeit und Inertstoffe die Energiebilanz ruinieren.

F: Warum ist die Heterogenität des Einsatzmaterials die größte Herausforderung bei Abfallumwandlungsreaktoren?

A: Weil Hausmüll, Biomasse und Schlämme von Charge zu Charge in Bezug auf Feuchtigkeit, Heizwert, Partikelgröße und Verunreinigungen variieren, während ein Reaktor auf einer Annahme über das Einsatzmaterial ausgelegt ist. Hohe Feuchtigkeit, über 30-40 %, und Inertstoffe verbrauchen die Energie, die der Prozess erzeugen soll; Chlor und Metalle korrodieren und verschmutzen; Steine oder unverbrannte Kunststoffe blockieren die Entleerung. Im Gegensatz zu einem chemischen Reaktor, der mit reinen Reagenzien in fester Rate beschickt wird, muss ein Abfallreaktor das Ankommende tolerieren. Daher hängt seine Akzeptanz von der Aufbereitung, Sortierung, Zerkleinerung, Trocknung und Dosierung des Einsatzmaterials, einer robusten Mischung, die nicht verschleißt oder blockiert, und von Materialien ab, die für den kiesigen, salzigen, nassen Extremfall und nicht für den Durchschnitt ausgewählt wurden. Die Reaktionschemie ist oft der einfache Teil; das Überleben des Einsatzmaterials ist der schwierige Teil.

F: Welche Materialien werden in Abfallumwandlungsreaktoren verwendet?

A: Das hängt vom Verfahren und dem schlimmsten denkbaren Einsatzmaterial ab. Pyrolyse- und Vergasungsreaktoren sehen Abrieb durch heißen Koks und Asche, daher verwenden sie feuerfeste Auskleidungen, gehärtete Mitnehmerleisten und austauschbare Verschleißplatten, wobei das Wirbelschichtmaterial auf Abriebfestigkeit ausgewählt wird. Hydrothermale und anaerobe Reaktoren kämpfen gegen Korrosion durch die wässrige Phase, Spurensulfide und Chloride. Daher werden 316L, Duplex oder eine emaillierte Stahl-Auskleidung dort eingesetzt, wo die Chemie es zulässt, und anaerobe Fermenter sind üblicherweise große emaillierte Stahlbehälter. Die Konstruktion macht Verschleißstellen billig und zugänglich, die Ofennase, das Bett, das Bodenventil, da ein planmäßiger Austausch erwartet wird. Die Legierung wird für den Spitzenwert und nicht für den Durchschnitt gewählt, da die Zusammensetzung des Abfalls schwankt.

F: Wie unterstützt ein Abfallumwandlungsreaktor die Ziele der Kreislaufwirtschaft?

A: Indem er Material von der Entsorgung zur Ressource aufwertet. Anstatt Abfälle, Biomasse oder Schlämme auf Deponien zu lagern oder zu verbrennen, gewinnt der Reaktor Energie in Form von Synthesegas, Biogas oder Pyrolyseöl zurück, gewinnt Materialien wie Koks oder Hydrokohle zurück, die als Brennstoff oder Bodenverbesserer verwendet werden können, und reduziert das Volumen und die Gefährlichkeit des zu deponierenden Rückstands. Hydrothermale Karbonisierung und anaerobe Vergärung stabilisieren zusätzlich feuchte organische Abfälle und reduzieren deren Transport- und Geruchslast. Der Reaktor ist der technische Dreh- und Angelpunkt einer Abfall-zu-Energie- oder Abfall-zu-Chemie-Anlage, und sein wirtschaftlicher und ökologischer Nutzen beruht auf der zuverlässigen Umwandlung eines variablen Einsatzmaterials in eine konsistente, verkaufsfähige Ausgabe, weshalb die Handhabung des Einsatzmaterials und die Produktreinigung als Teil desselben Systems konstruiert werden.