Application of infrared spectroscopy for fuel characterization

Abstract

Flugasche aus Müllverbrennungsanlagen enthält hohe Anteile an Schwermetallen. Um diese Schwermetalle zu entfernen, wird die Asche mit einem Chlorträger vermischt, wie Kalziumchlorid (CaCl2), dazu organisches Bindemittel und Wasser. Dann wird diese Mixtur in Pelletform gebracht und thermisch behandelt (bei bis zu 1100°C). Bei erhöhten Temperaturen bilden sich so Schwermetallchloridverbindungen, welche die Asche als flüchtige Substanz verlassen. Als Einsatzstoff für den thermischen Prozess lässt sich potentiell Polyvinylchlorid (PVC) zur Chlorgenerierung für die Schwermetallentfernung einsetzen. Darüber hinaus kann man PVC als Brennstoff an sich verwenden, um die Reaktionsenthalphie bereitzustellen. Wirtschaftlich wäre es von Vorteil, wenn man hierzu PVC aus Teilen von alten Gebrauchsgegenständen verwenden könnte (thermisches Recycling).<br />In dieser Arbeit wurden grundlegende Experimente durchgeführt. Für diese Tests wurde die Methode der Fourier Transform Infrarotspektroskopie (FT-IR) angewandt. Gemessen wurden die Verbrennungsgase Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, um Informationen über das Abbrennverhalten der Proben zu gewinnen. Chlorwasserstoff wurde gemessen, um Informationen über die Emission dieser chlorhaltigen Spezies zu erhalten, welche für den Schwermetallentfernungsprozess von großer Bedeutung ist. Als Proben wurden reines PVC sowie ein Gemenge aus zerkleinerten Teilen von Alt-PVC aus der Shredder-Leichtfraktion, sowie eine Ascheprobe versetzt mit CaCl2, organischem Material und Wasser eingesetzt. Für die Untersuchungen wurden die Verbrennungsgase dieser Proben in einer Laborwirbelschichtanlage bei verschiedenen Temperaturen (700°C, 800°C und 900°C Betttemperatur), verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen der Zuluft (5%, 10% und 21%; letzteres entspricht unbehandelter Luft) und verschiedenen relativen Luftfeuchtigkeiten (24% und 90% rel.<br />Luftfeuchtigkeit; ersteres entspricht unbehandelter Luft) gemessen.<br />Generell führt der Gebrauch von feuchter Luft zu einem signifikanten Anstieg der Emission von Chlorwasserstoff verglichen zu den Experimenten mit unbehandelter Luft. Höhere Temperaturen führen in den meisten Fällen zu einer höheren Chlorwasserstoffemission. Für die Probe "Neu PVC" führt eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit bei allen drei Messgasen zu einer Erhöhung ihrer Emission. Für die Probe "Gebrauchtes PVC" bleiben die Emissionswerte von Kohlenmonoxid nahezu gleich für sämtliche durchgeführten Experimente. Die Kohlendioxidemission für diese Probe ist maximal für 90% Luftfeuchtigkeit und hohe Temperaturen. Für die anderen Experimente bleibt die Kohlendioxidemission bei dieser Probe nahezu konstant. Die Chlorwasserstoffemission ist für die Probe bei 90% Luftfeuchtigkeit und 800°C Betttemperatur am höchsten. Für alle anderen Bedingungen ist die Chlorwasserstoffemission signifikant niedriger. Für die Ascheprobe führt eine Erhöhung der Sauerstoffkonzentration sowie der Temperatur zu höheren Kohlendioxidemissionen und niedrigeren Kohlenmonoxidemissionen. Für die Chlorwasserstoffemissionen war kein klarer Trend auszumachen, da die HCl-Emission der Ascheprobe zu gering war. Die Dauer der Emission ist zumeist 150 Sekunden mit ihren Höchstwert bei etwa 20 bis 30 Sekunden für nahezu alle Proben und Messgase, ausgenommen für die Ascheprobe, welche für Kohlenmonoxid eine Emissionsdauer von 50 Sekunden und für Kohlendioxid einen langen Emissionsverlauf bis zu 15 Minuten aufweist, wobei die maximale Emission bei etwa 20 Sekunden liegt und ein langes Tailingverhalten zeigt. Unter Verwendung der feuchten Luft verlängern sich die Emissionszeiten für nahezu alle Proben und Messgase. Die hohe Luftfeuchtigkeit führt zu einer signifikanten Erhöhung der Chlorwasserstoffemission für die Proben "Neu PVC" und "Gebraucht PVC".<br />

Fly ash from the incineration of municipal solid waste (MSW) contains high amounts of heavy metals. In order to remove these heavy metals, the ash is mixed with a chlorine generating substance, like calcium chloride (CaCl2), organic matter and water. Then, this mixture is pelletized and subsequently thermally treated (at temperatures of up to 1100°C). At these temperatures, heavy metal chlorides are formed and leave the ash as volatile substances.<br />As a surrogate fuel for the thermal process, polyvinyl chloride (PVC) would also be a good way to generate chlorine-species for the heavy metal removal process. Another benefit of using PVC as Cl-carrier is that it can be used to supply the energy needed for the process.<br />Economically, the use of PVC would be very useful in order to re-use waste PVC for the ash treatment process (thermal recycling).<br />In this work, fundamental experiments were carried out. For the tests performed, the technique of Fourier Transform Infrared (FT-IR) spectroscopy was used measuring carbon monoxide and carbon dioxide in order to obtain information about the burning behavior of the sample.<br />Hydrogen chloride was measured in order to monitor the emission of chlorine containing species, which are valuable for the heavy metal removal process. As samples, pure PVC, a batch of used PVC particles of the shredder light weight fraction and an ash sample mixed with CaCl2, organic matter and water were investigated. The samples were combusted in a laboratory-scale fluidized bed reactor at different bed temperatures (700°C, 800°C and 900°C), varying oxygen concentrations (5%, 10% and 21%; the latter one is untreated air) of the purge gas and varying relative air humidities (24% and 90%; the first one is ambient, untreated air).<br />In general, using air with high relative humidity leads to a significantly higher emission of hydrogen chloride compared to experiments using untreated air. Higher temperatures lead to an increase of the hydrogen chloride emission in most cases. For the "New PVC" sample, a higher relative humidity leads to an increase of the emission for all tested analytes. For the "Used PVC" sample, the values stay almost the same for the carbon monoxide emission for all experiments.<br />The carbon dioxide emission is maximal for 90% relative air humidity and high temperatures. For the other experiments, the carbon dioxide emission stays almost at the same level. Hydrogen chloride emission has its peak value for 90% relative air humidity and 800°C bed temperature.<br />For the other conditions, the HCl emission is significantly lower. For the ash sample, higher oxygen concentrations in the purge air and higher bed temperatures cause higher carbon dioxide and lower carbon monoxide emissions. For the hydrogen chloride emissions, there is no clear trend due to the low emissions out of the ash sample.<br />The burn-off takes about 150 seconds with peak values at about 20-30 seconds for nearly all samples and analytes, except the ash sample, which shows with 50 seconds short emission times for carbon monoxide and long emission times for carbon dioxide up to 15 minutes with an emission curve peaking at about 20 seconds and a long tailing peak pattern. Using purge gas with 90% relative air humidity prolongs the emission for almost all analytes and samples. High relative air humidities lead to a significant increase of the hydrogen chloride emission for both "New" and "Used PVC".