Niedertemperaturkonvertierung biogener Reststoffe zum rohstofflichen Recycling von Kohlenstoff und Phosphor

Abstract

Die vorliegende Untersuchung behandelt die Verwertung organischer Reststoffe auf demWege der Niedertemperaturkonvertierung. Aufgezeigt werden Lösungswege zum Recyclingder Elemente Kohlenstoff und Phosphor. Experimentelle Untersuchungen basieren aufProdukten aus statischen Umsetzungen der Substrate (Rapspresskuchen, Klärschlamm, TierundFleischknochenmehl, Getreideschlempe und Apfeltrester) im rohrförmigen Laborofenbei 400 °C unter Stickstoffatmosphäre und zweier kontinuierlich betriebener Pilotanlagen.Ein Fokus liegt auf der Verbesserung der Produkteigenschaften durch die Zugabe von Sodazum Substrat vor der Konvertierung. Die entstehenden Konvertierungsöle zeichnen sichdurch einen höheren Grad der Entfunktionalisierung von Heteroatomen aus. In Bezug auf dieSauerstoffkonzentration im Konvertierungsöl der untersuchten Substrate liegt diese ohneSoda-Zusatz bei etwa 10 % und erfährt durch die Umsetzung in Gegenwart von Soda eineReduktion auf etwa 5 %. Die qualitative Verbesserung ist auf eine alkalische Verseifung derLipide mit anschließender thermischer Zersetzung der Natriumsalze der Fettsäurenzurückzuführen. Im Zuge dieser Reaktionsfolgen wird Wasser verbraucht. Darauf aufbauendgelingt in einer Anlage im Pilotmaßstab (m = 20 kg/h) bei Verwendung von Tierfett alsAusgangssubstrat eine nahezu vollständige Decarboxylierung der Fette inKohlenwasserstoffe.Der organisch gebundene Phosphor der biogenen Reststoffe kann nach der Konvertierung inder gebildeten Kohle als Polyphosphat vorliegen. Hingegen entstehen bei Zugabe von Sodavor der Konvertierung ortho-Phosphate. Sie sind größtenteils wasserlöslich. Die Pflanzenverfügbarkeitdieser Phosphate wird im Gefäßversuch mit Deutschem Weidelgras (Loliumperenne L.) nachgewiesen. Schon im Ausgangssubstrat vorliegende stabile Phosphate wieApatit oder Eisenphosphat werden in der Niedertemperaturkonvertierung nicht verändert.Bei direkter Verwendung der phosphathaltigen Kohle aus der Niedertemperaturkonvertierungin Düngemittelkonzepten ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten der langfristigen Fixierungvon Kohlenstoff im Boden. Brennstoffanalysen der Kohle aus derNiedertemperaturkonvertierung zeigen, dass bei der Umwandlung von Rapspresskuchen,Getreideschlempe und Apfeltrester feste Rückstände mit physikalischen Eigenschaften vonSteinkohlen entstehen. Hingegen werden bei der Konvertierung von Klärschlamm, Tier- undFleischknochenmehl überwiegend Festprodukte vom Typ Braunkohle gebildet. This investigation deals with the use of organic residues via low temperature conversion.Strategies for recycling of carbon and phosphorous are discussed. Experimentalinvestigations are based on products from the conversion of squeezed rapeseed, sewagesludge, meat and bone meal, grain residue from ethanol production and apple pulp both ina stationary laboratory tube furnace as well as two continuously fed pilot plants at 400 °Cusing nitrogen as inert gas.The main topic is the improvement of product properties through an addition of soda into thesubstrate prior to conversion. Oils formed are characterised by a higher degree of removal offunctional groups of heteroatoms. In relation to the concentration of oxygen in the conversionoils 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 bythermal decomposition of sodium salts of fatty acids. In the course of these reactionswater is consumed. Based on these findings a nearly complete decarboxylation of fatsinto hydrocarbons was achieved at pilot scale (m = 20 kg/h) using animal fat as substrate.Organically bound phosphorous in biogenic residues may be found as polyphosphate inLTC char. On the contrary, in the presence of soda in the conversion process orthophosphateis formed. These compounds are mainly water soluble. Stable phosphates, suchas apatite or iron phosphate, in the substrates aren t altered by LTC process. Plant availabilityof phosphate is demonstrated in pot test with ryegrass (Lolium perenne L.).Direct use of char containing phosphate from LTC in fertiliser concepts offers additionalpossibilities for long term fixation of carbon in soils. Proximate and ultimate analysis ofchar from LTC shows that the conversion of squeezed rapeseed, grain residue fromethanol production and apple pulp gives rise to solids having properties of bituminouscoal. However the conversion of sewage sludge as well as meat and bone meal producessolids which are characterised as sub-bituminous coal.