Hydrothermal carbonization of biogenic raw and residual materials as a pretreatment step for thermochemical conversion to produce synthetic natural gas

Hydrothermale Karbonisierung (HTC) von Biomassen hat in den letzten Jahrzenten stark an Relevanz gewonnen. Seit 1996 steigt die Anzahl der Patente auf diesem Gebiet exponentiell an. Dabei werden meist biogene Roh- und Reststoffe eingesetzt, um diese zu veredeln und somit Hydrokohle zu erzeugen. Diese Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf die thermochemische Umwandlung von biogenen Roh- und Reststoffen mittels hydrothermaler Karsbonisierung. Zu diesem Zweck werden die Veränderungen der physikalisch chemischen Eigenschaften verschiedener Hydrokohlen untersucht. Zum Einsatz kommen dabei Zuckerrübenschnitzel, Biertreber, Maisspindeln, Weizenkleie, Dinkelspelzen, Gras 100 wt.%, Gras 95 wt.% gemischt mit Kalk 5 wt.%, Spirulina, Makrophyten und Sonnenblumenkernschalen. Die Hydrokohlen wurden dabei in einem 600 mL Parr Reaktor mit 20 wt.% Trockenmasse unter Rühren systematisch im Rahmen eines vollfaktoriellen (2-Faktor-2-Level) Design of Experiments mit zusätzlichem Mittelpunkt hergestellt. Die Temperaturen waren dementsprechend 180 °C, 215 °C und 250 °C und die Verweilzeiten 120 min, 300 min und 480 min. Durch diese Variation der Versuchsparameter kam es zu einer Veränderung der Brennstoff charakteristischen Eigenschaften. Unterschiedliche Messungen wurden mit den Rohmaterialien und den daraus resultierenden Hydrokohlen durchgeführt, um die Brennstoff charakteristischen Eigenschaften zu vergleichen. Proximate und Ultimate Analysen zeigen die Zusammensetzung der Hydrokohlen und lassenüber das O/C und das H/C Verhältnis auch eine Aussage über den Inkohlungsgrad zu. Die Kombination dieser Daten mit denen der Massenbilanz gibt Auskunft über die erzielten Ausbeuten der unterschiedlichen Hydrokohlen. Der Energieinhalt wird über den oberen Heizwert angegeben und weiters das Ascheschmelzverhalten der Niedertemperaturaschen untersucht. Die Hydrokohlen sollen im Rahmen des Projektes I/O-Gas weiter zur Produktgaserzeugung in der Wirbelschicht mit Wasserdampf als Vergasungsmittel und anschließender Wirbleschichtmethanisierung eingesetzt werden. Auf Basis dieser Folgenutzung konnten bereits einige Brennstoffeanhand der Deformationstemperatur der Asche ausgeschlossen werden. Auch zeigten diverse Brennstoffe nur eine geringe Erhöhung der Energiedichte, wodurch eine Vorbehandlung mittels HTC uninteressant wird. Darunter Fallen unter anderem Dinkelspelzen und Schilf, welche somit ohne HTC bereits getestet werden können. Die höchste Steigerung der Energiedichte erzielten dabei Zuckerrübenpressschnitzel mit 63 % bei 250 °C. Auch zeigte die Beimischung von Kalk zum Gras positive Effekte, wodurch die Anwendung für die nachfolgende Wirbelschicht nicht ausgeschlossen ist. Es ist klar erkennbar, dass die Temperatur der Haupteinflussfaktor der hydrothermalen Karbonisierung ist, während die Verweilzeit eine untergeordente Rolle spielt. Die Verbesserung der Eigenschaften der Hydrokohlen deckt sich auch mit denen der Literatur. Im Prozesswasserbefinden sich ebenfalls organische Säuren, welche für eine Rückgewinnung oder Kreislaufführung im Prozess interessant sind. Dies wurde jedoch in dieser Arbeit nicht untersucht und benötigt daher weitere Untersuchungen. Auch das Hochskalieren, ausgehend vom 600 mL Parr Reaktor, stellt noch eine Herausforderung dar. Dabei stellt sich die Frage, wie sich das Hochskalieren auf den Prozess auswirkt. Durch die schlechtere Durchmischung werden Effekte von Massen- und Stoffübertragung ab einer gewissen Größe einen entscheidenden Beitrag leisten und somit auch die Verweilzeit beeinflussen.