dc.description.abstract
Die Möglichkeit reichlich vorhandene Ressourcen wie Kunststoffabfälle in die Wertschöpfungskette zu integrieren, ist eine wichtige Voraussetzung für eine nachhaltigere Gesellschaft. Ein weiteres wichtiges Ziel ist es, die Kohlenstoffintensität industrieller Prozesse so weit wie möglich zu senken. Das Ziel dieser Arbeit ist es, mehr oder weniger gangbare Wege aufzuzeigen, um beides mit einem bestehenden, etablierten und bereits in industriellem Maßstab eingesetzten Prozess zu erreichen. Das katalytische Cracken in der Wirbelschicht (auch im deutschen Sprachraum besser bekannt unter Fluid Catalytic Cracking oder FCC) ist eines der wichtigsten Umwandlungsverfahren in Raffinerien. Das vielseitige Verfahren wird zur Umwandlung von sehr hochsiedenden, hochmolekularen Kohlenwasserstofffraktionen aus Rohöl in hochoktaniges Benzin, Grundstoffe für die petrochemische Industrie (wie Olefine und Aromaten) und andere Produkte wie Schmierstoffe eingesetzt. Der Einsatz von FCC-Anlagen zur Verarbeitung von Gemischen aus Vakuumgasöl (dem Standardeinsatzmaterial für FCC-Anlagen), Pyrolyseöl (das durch Pyrolyse von Kunststoffabfällen gewonnen wird) und biogenen Ölen (wie z. B. Altspeisefetten) kann dazu beitragen, die für die Zukunft festgelegten Ziele für die Dekarbonisierung und die Kreislaufwirtschaft zu erreichen. Die erste Versuchsreihe, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurde, soll einen Weg zur Integration von Pyrolyseöl in den FCC-Prozess aufzeigen und den Einsatz von fossilen Rohstoffen durch die Zugabe von biogenen Ölen zum Einsatzmaterial reduzieren. Die zweite Versuchsreihe zielt darauf ab, die Verwendung fossilen, nicht recycelten Einsatzstoffen zu vermeiden, indem aus Erdöl hergestelltes Vakuumgasöl durch biogene Einsatzstoffe wie Rapsöl oder Altspeiseöl ersetzt wird. Die dritte Versuchsreihe zielt darauf ab, die Ausbeute an wertvolleren Produkten bei der Verwendung von biogenen und recycelten Einsatzstoffen zu optimieren, indem die Cracktiefe des Crackprozesses durch eine erhöhte Cracktemperatur erhöht wird. Das letzte Experiment bestätigte die Durchführbarkeit eines hochgradig kreislauffähigen FCC-Prozesses durch den Betrieb der FCC Pilotanlage ausschließlich mit Pyrolyseöl. In der ersten Versuchsreihe wurde gezeigt, dass aus kommunalen Kunststoffabfällen gewonnenes Pyrolyseöl eine geeignete Beimischungskomponente zum Einsatzstoff einer FCC-Pilotanlage ist. Dies gilt selbst für sehr hohe Beimischungsraten. Aufgrund der Anforderungen an Anlagenteile, die dem Reaktor nachgeschaltet sind und Verschiebungen im Produktspektrum sind sehr hohe Beimischungsraten in industriellen FCC-Anlagen aus wirtschaftlichen Gründen jedoch möglicherweise nicht realisierbar. Nichtsdestotrotz kann die Verwendung von Pyrolyseöl in FCC-Anlagen eine Möglichkeit sein, die benötigte Menge an Rohöl für petrochemische Produkte zu verringern und Materialien in die Wertschöpfungskette zurückzubringen, die sonst verloren gehen würden. Außerdem kann es dazu beitragen, dass Kunststoffabfällen ein gewisser Wert beigemessen wird, um die Sammlung und das Recycling in stark kunststoffverschmutzten Gebieten bestimmter Länder zu verbessern. Die Dekarbonisierung des FCC-Prozesses ist eine weitere Herausforderung, da emissionsreiches Recycling nicht zu einer nachhaltigeren petrochemischen Industrie beiträgt. Die Zugabe von biogenen Rohstoffen zum Prozess könnte die Emission von Treibhausgasen fossilen Ursprungs senken, und gleichzeitig die wirtschaftliche Rentabilität des Prozesses weitgehend erhalten. Die Zugabe von Rapsöl und Pyrolyseöl verbesserte den Anteil der Olefine in den gasförmigen Produkten auf Kosten der Benzinausbeute und der Produktion höherer Mengen an Kohlenoxiden und Wasser im Produkt. Um die Nachhaltigkeit der Raffinerie im Allgemeinen und des FCC-Prozesses im Besonderen zu verbessern, ist jedoch die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Einsatzstoffe biogenen und recycelten Ursprungs erforderlich. Die sich daraus ergebenden Nachteile stellen durchaus überwindbare Hürden dar. Eine Möglichkeit zur Maximierung der Dekarbonisierung des FCC Prozesses ist der Ersatz von fossilem VGO durch biogene Öle. Diese haben in der Vergangenheit gezeigt, dass sie den FCC-Betrieb als Basisrohstoff aufrechterhalten können. Durch die anschließende Zugabe von Pyrolyseöl wird ein bio-basierter Prozess zu einem bio-basierten und teilweise kreislauffähigen Prozess. Außerdem erhöht sich dadurch die Ausbeute an Benzin, Olefinen und Koks, während sich die Ausbeute an Alkanen, LCO und der schweren Rückstandsfraktion verringert. Die gemeinsame Verarbeitung von Rapsöl mit Pyoil ist derzeit aufgrund des Mangels an verfügbaren Rohstoffen im industriellen Maßstab nicht möglich. Die Zukunft wird jedoch zeigen, welche Wege eingeschlagen werden, um nachhaltige, kohlenstoffarme, kreislauffähige Kraftstoffe, Olefine und andere petrochemische Verbindungen, Schmierstoffe und Heizgase herzustellen. Die Verwendung von Altspeiseöl als Ersatz für Rapsöl in Lebensmittelqualität wurde untersucht, um die Verwendung von lebensmitteltauglichen Ölen zu vermeiden. Das Ergebnis der Substitution sind leicht veränderte Ausbeuten an Benzin, LCO und Koks. Der Anteil direkt nutzbarer Olefine ist ein wichtiger Anreiz für die Verwendung von Pyrolyseöl im FCC-Prozess. Die RED-II-Richtlinie legt eindeutig fest, dass die Umwandlung von Abfallstoffen in Kraftstoffe nicht als Recycling gilt, wodurch Druck auf chemische Recyclingprozesse ausgeübt wird, petrochemische Grundstoffe anstelle von Benzin oder Diesel zu produzieren. Die Erhöhung der Cracktiefe des FCC Prozesses durch die Erhöhung der Cracktemperatur erhöht im Allgemeinen auch die Ausbeute an gasförmigen Produkten im FCC-Prozess. Obwohl sich eine erhöhte Temperatur positiv auf die Produktausbeute der Basis Einsatzstoffe VGO und UCO auswirkt, werden diese positiven Effekte durch die Zugabe von Pyrolyseöl wieder aufgehoben. Eine Erklärung dafür kann sein, dass die Zugabe von Pyrolyseöl die Temperatur der maximalen Benzinproduktion in Richtung höherer Werte verschiebt. Die Erhöhung der Temperatur hatte eine Maximierung der Naphtha- und LCO-Fraktion zur Folge. Hierbei positiv anzumerken ist, dass Naphtha ein häufig anzutreffender Ausgangsstoff für den Raffinerieprozess des Steamcrackens ist, bei dem Ethen und eine geringe Menge an schwereren Olefinen erzeugt werden, was den Kreislaufcharakter der gesamten Wertschöpfungskette zuträglich wäre. Das letzte Ziel, das im Rahmen dieser Arbeit erreicht werden sollte, war ein Versuchsaufbau mit 100 %wt Pyrolyseöl als Einsatzstoff in der FCC Anlage. Aufgrund von Beschränkungen bei der Verfügbarkeit von Pyrolyseöl, konnte durch die kurze mögliche Betriebszeit nur eine Probe entnommen werden, was zu einer Verzerrung der erhaltenen Daten aufgrund eines fehlenden Wasseranteils führte. Der Versuch zeigte jedoch bemerkenswert gute Ergebnisse mit einer sehr hohen Ausbeute an Olefinen, insbesondere Propen, bei gleichzeitig hoher Benzinausbeute.
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