Bestimmung der Reaktionsenthalpien bei der hydrothermalen Karbonisierung von nachwachsenden Rohstoffen

Abstract

Der Kohlenstoffdioxid Ausstoß, der durch den Menschen verursacht wird, steigt Jahr für Jahr auf neue Rekordwerte, wie aus dem neuen Weltklimabericht 2014 des IPCC hervorgeht. Laut Experten des UN-Klimareports gibt es noch Hoffnung, jedoch muss der Kohlenstoffdioxid-Ausstoß drastisch gebremst werden. Die Hydrothermale Karbonisierung könnte hier einen wichtigen Beitrag leisten. Bei diesem thermochemischen und exothermen Prozess wird feste Biomasse bei erhöhter Temperatur (180 - 220 °C) und erhöhtem Druck (10 - 25 bar) in Gegenwart von Wasser umgewandelt. Als Produkt entsteht braunkohleartige HTC-Kohle, Prozesszwasser und HTC-Gas. Da das Verfahren der Hydrothermalen Karbonisierung erst zu Beginn dieses Jahrhunderts wiederentdeckt wurde, befindet man sich noch in der Grundlagenforschung und im Entwickeln eines kontinuierlichen Prozesses. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine Versuchsreihe mit einem diskontinuierlich betriebenen Reaktor (Batch-Reaktor) durchgeführt. Der Reaktor besitzt ein Innenvolumen von 1,7 Litern. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden am Reaktor einige Verbesserungen vorgenommen. So wurden ein Drucksensor und ein Thermoelement am Reaktor angebracht und mit einem Mikrocontroller verbunden, wodurch ein automatisches Aufzeichnen der Prozessparameter möglich wurde. Außerdem wurde das Temperatursignal für die Heizung, vom Heizmantel ins Reaktorinnere verlegt, wodurch eine bessere Regelung der Heizung möglich ist. Neben der Temperatur und dem Druck wurde auch der Energieeintrag aufgezeichnet. Es wurden insgesamt 33 Versuche mit unterschiedlichen Biomassen (Tannennadeln, Pistazienschalen, Faulschlamm, Maisstroh, MIX und Algen) durchgeführt. Der Großteil der Versuche wurde bei 180 °C und innerhalb von 6 bzw. 12 Stunden realisiert. Zur Bestimmung der Reaktionswärme wurde eine neue Methode entwickelt. Neben der Wärmetönung wurde ebenfalls eine Massenbilanz aufgestellt, die Elementaranalyse der Ausgangsstoffe und der HTC-Kohlen durchgeführt sowie der dazugehörige Glühverlust ermittelt. Für die Exothermie wurden im Durchschnitt 11,2 MJ/kg TS erhalten, diese Größenordnung konnte auch in der Literatur gefunden werden. Bei der Betrachtung der Energiedichten-Erhöhung, bezogen auf die organische Trockenmasse, konnte für alle Ausgangsstoffe, bis auf die Algen, eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts von 6 - 11 % oTS und eine Brennwert-Erhöhung von 4000 - 5500 kJ/kg oTS erreicht werden. Die Hydrothermale Karbonisierung konnte im Zuge dieser Arbeit nachgewiesen werden. Weitere Forschungsarbeiten sind dennoch unumgänglich, vor allem sollten neben der festen Phase (HTC-Kohle) auch die flüssige Phase (Prozesswasser) und die Gasphase (HTC-Gas) genauer untersucht werden. Außerdem sollte ein Konzept für einen kontinuierlichen Prozess entwickelt werden.

The carbon dioxide emissions, caused by humans, are rising from year to year to new record levels, as seen from the world climate report 2014 from IPCC. According to the experts of the UN climate report there is still hope, but the carbon dioxide emissions have to be reduced. In this case, the hydrothermal carbonization could make a contribution. The HTC is a thermo chemically and exothermic process which converts solid biomass at higher temperatures (180 - 220 °C) and higher pressures (10 - 25 bar) in the presence of water. The products are brown-coal-like HTC-coal, process-water and HTC-gas. The process of the hydrothermal carbonization was rediscovered at the beginning of this century, so it is still the phase of basic research and the development of an continuous process. The series of experiments was conducted in a discontinuous reactor (batch reactor). This reactor has an internal volume of 1,7 liters. In this thesis, several improvements were implemented on the reactor. A pressure sensor and a temperature sensor was fixed on the reactor and connected with a microcontroller. So the automatic record of the process parameters was possible. Additionally the temperature signal of the heating jacket was installed inside of the reactor, thereby providing better control of the heating is possible. In addition to the temperature and the pressure also the energy input was recorded. A total of 33 experiments were carried out with different biomasses (fir needles, pistachio shells, digested sludge, corn straw, MIX and algae). The biggest part of the experiments was realized by 180 °C and in 6 or 12 hours. To determine the heat of reaction, a new method was developed. Also a mass balance was established, an elemental analysis of the input-materials and the HTC-coals was carried out and the loss on ignition was determined. On average 11,2 MJ/kg TS were obtained for the heat of reaction, this magnitude could be found also in literature. When considering the increase in energy density, based on the organic dry matter, all input-materials, except algae, could increase their content of carbon by 6 - 11 % oTS and their heating value by 4000 - 5500 kJ/kg oTS. In this thesis the hydrothermal carbonization could be verified. But further research is still essential, especially the process-water and the HTC-gas should be examined more closely. In addition, an approach should be developed for a continuous process.