Entwicklung eines neuartigen Verfahrens zur optischen Analyse des HTC-Prozesses

Abstract

Aufgrund des Klimawandels wird die Bereitstellung von Energie aus regenerativen Quellen immer bedeutender. Bereits jetzt existieren ausgereifte und etablierte Verfahren, jedoch bedarf es weitere neue Technologien, um die fossilen Energieträger völlig abzulösen. 2006 griff der Chemiker Markus Antonietti ein von Friedrich Bergius in den 1910er Jahren entwickeltes Verfahren wieder auf. Seitdem wird die hydrothermale Carbonisierung, kurz HTC genannt, verstärkt erforscht. Bei der hydrothermalen Carbonisierung wird die Inkohlung, die natürliche Umwandlung von Biomasse zu Kohle, nachgebildet. Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens ist das breite Spektrum der Einsatzmaterialien. Alle organischen Stoffe biogener Art können weitgehend unabhängig von ihrem Feuchtigkeitsgehalt verwendet werden. Somit könnte die HTC zum Beispiel in der Abfallverwertung von großer Bedeutung sein. Bei der hydrothermalen Carbonisierung stellt die Komplexität des Reaktionsmechanismus eine Erschwernis dar. Da Biomasse aus vielen komplexen, chemischen Verbindungen besteht, ist noch nicht vollständig geklärt, wie diese zu Hydrokohle reagieren. Diese Arbeit erprobt ein neuartiges optisches Verfahren zur Untersuchung der Reaktionskinetik. Dafür wurden Versuchsdurchläufe mit Holzspänen als Einsatzstoff in einem Sichtzellenreaktor fotografisch dokumentiert und ausgewertet. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Verdunkelung der Holzspäne durch die hydrothermale Carbonisierung mit dem Reaktionsverlauf zusammenhängt. Mit dieser Methode können Diagramme erstellt oder mathematische Modelle entwickelt werden, um für jeden Einsatzstoff beziehungsweise auch für jeden Mix aus Einsatzstoffen die ideale Verweilzeit im Reaktor zu finden. Die ideale Verweilzeit ist vor allem für die Auslegung von industriellen Anlagen von großer Bedeutung, denn die hydrothermale Carbonisierung muss wirtschaftlich sein, um sich durchzusetzen.

Energy from renewable resources is becoming increasingly challenging due to climate change. There are already well-known and established processes, but new technologies are needed to completely replace fossil fuels. In 2006, the chemist Markus Antonietti reinvented a process which was firstly developed by Friedrich Bergius in the 1910s. Since then, hydrothermal carbonization (HTC) has been increasingly explored. Hydrothermal carbonization simulates the coal formation process in which biomass is naturally converted to coal. A major advantage of the HTC process is the wide range of feed materials. All organic substances of biogenic nature can be used mostly irrespective of their moisture content. Thus, HTC could be of great importance e.g. in waste recycling. The challenge of hydrothermal carbonization is the complexity of the reaction mechanism. Since biomass consists of many complex chemical compounds, it is not clear yet how they react to the biocoal. This thesis tests a novel optical method to investigate the reaction kinetics. For this purpose, test runs with wood shavings as feedstock were photographed in a reactor with a visual cell. It has been identified that the darkening of wood chips by hydrothermal carbonization is related to the course of the reaction. With this method, diagrams can be plotted or mathematical models can be developed to find the ideal dwell time in the reactor for each feedstock or for each mix of feedstocks. The ideal dwell time is particularly important for the design of industrial plants, because the hydrothermal carbonization must be economical.