Mikrowellen-Reaktortechnik : Rohstoff- und Basisprodukt-Behandlung durch Mikrowellen unter Vakuum ; Biomassen und Kohlenwasserstoffe

Abstract

Die Mikrowellen-Pyrolyse ist eine Sonderform der Pyrolyse-Technik, die auch mit der Vakuum-Pyrolyse innerhalb eines Systems kombinierbar ist. In Mikrowellen-Pyrolyse-Systemen fungiert als Energiequelle ein Magnetron, das Energie in Form von elektromagnetischen Wellen erzeugt. Die Mikrowellen werden in einem Hohlleiter ausgelenkt und dem Mikrowellen-Reaktor zugeführt. Der Reaktor muß aus einem Material bestehen, das gegenüber Mikrowellen eine hohe Transparenz aufweist, z.B. Quarz-, oder Siliciumglas. In der Mikrowellen-Pyrolyse-Technik werden häufig Biomassen als Edukt eingesetzt, wobei die drei Koppelprodukte (a) Koks, (b) Pyrolysekondensat und (c) Systemabgas entstehen. Mikrowellen-Pyrolyse-Kondensate, die beispielsweise auf der Biomasse Holz basieren, weisen einen Wassergehalt von ~45% bezogen auf die Trockensubstanz auf und beinhalten über 80 organische Verbindungen; eine thermische Auftrennung nach erfolgtem Prozeß per Destillation, um das Wasser abzutrennen, oder einzelne organische Verbindungen bzw. Verbindungsgruppen zu erhalten, ist nicht möglich. Gegenüber dem Edukt erfolgt durch den Mikrowellen-Pyrolyse-Prozeß eine Brennwert-Aufkonzentrierung des als Koks erhaltenen Produktes; Off-Gas hingegen hat einen geringeren Brennwert als das eingesetzte Edukt. Der Brennwert der Pyrolyseflüssigkeit kann - je nach Phase oder Fraktion - entweder höher oder niedriger sein als der des Eduktes. In der vorliegenden Arbeit sind 14 Biomassen und drei Kohlenwasserstoffe als Edukt per Mikrowellen-Pyrolyse-Technik getestet und die daraus resultierenden Ergebnisse charakterisiert. Die Biomassen sind in die Gruppen (a) hölzerne Biomassen, (b) Lignocellulose-Hauptkomponenten (alpha-Cellulose; Xylan [=eine Hemicellulose]; Lignin) und (c) Ölpflanzen unterteilt, während die Kohlenwasserstoff-Edukte in (d) Erdöl, (e) Fischer-Tropsch-Wachs und (f) Ölsand untergliedert sind. Neben der Produktcharakterisierung wird vorgestellt, wie im Mikrowellen-Batch-Reaktor über die gesamte Versuchszeit die Temperatur, die aufgrund von molekularer Reibungswärme entsteht, im Reaktorzentrum korrekt gemessen werden kann. Im Rahmen dieses Projektes ist eine geeignete Messanordnung dafür entwickelt worden ("Schleifrad-Kontakt-Prinzip"). Basierend auf den Analyseergebnissen (Elementar-, Brennwertanalyse, Aschegehalt- und Wassergehaltsanalyse) werden neben den Massen- und Stofflußbilanzen unter Zugrundelegung der Brennwertrechnung auch die chemischen Energieinhalte der Edukte und der Produkte berechnet und beispielhaft eine Energiebilanz anhand ausgewerteter Versuchs- und Prozeßdaten (Rohölversuch) erstellt. Außerdem wird in der vorliegenden Arbeit das Gleichgewichtsverhalten des im Satzbetrieb geführten Mikrowellen-Reaktors erstmals vorgestellt, das als Konsequenz aus der Kombination von Magnetronausgangsleistung und dem Absorptionsvermögen des im Reaktor liegenden Partikels/Haufwerk/Tropfens/ Flüssigkeit die im Mikrowellen-Reaktor vorherrschende Temperatur ergibt. Darauf aufbauend wird beispielhaft gezeigt, wie (a) die Leistung und (b) der Wirkungsgrad des Mikrowellen-Reaktors genähert berechnet werden kann. Schließlich wird anhand der erhaltenen Resultate abgeleitet, daß es möglich ist, Mikrowellen-Reaktoren kontinuierlich und im isobaren wie isothermen Betriebszustand, unter einem stabilen Gleichgewichtsverhältnis zu betreiben, wobei physikalisch ausschließlich flüssige Einsatzstoffe (Edukte) in Frage kommen.

The microwave pyrolysis is a specific form of pyrolysis techniques, that can also be combined by vacuum pyrolysis within only one unit. Usually, in microwave pyrolysis systems a magnetron is used as power source, generating energy in form of electromagnetic waves. The microwaves are deflected in a waveguide and are supplied to the microwave reactor. The reactor consits of glass material having a high transparency for microwaves, for instance quarz crystal or silicium glass. Frequently, in microwave pyrolysis techniques biomasses are used as feed material (educts; reactants), at which the three coupling products (a) coke, (b) pyrolysis condensate and (c) off-gas mixtures are obtained. Microwave pyrolysis condensates, for instance, based on woody biomass show a moisture content of ~45% calculated on the dry educt-matter and include more thant 80 different types of organic compounds; once the pyrolysed liquid product is obtained, it is hardly possible to seperate the water from the rest of the condensed pyrolysis liquid; in any case it can't be separated into certain types of chemical substance groups or to individual chemical substances from the rest by distilling. As a consequence of the microwave pyrolysis process the calorific value of the obtained coke is higher compared to the starting material, while that of the generated off-gas is of a lower calorific value; the calorific value of the condensate can bei either higher or lower compared with the former educt. It mainly depends on the fraction or phase of the condensate. In the present work 14 types of biomasses and three types of hydrocarbons are used as starting materials by the microwave pyrolysis technique and the outcoming products are characterized as well. The biomasses are divided into the groups of (a) woody biomass, (b) lignocellulosic main components (pure substances like alpha-cellulose, xylan [representing one hemicellulose]; lignin) and (c) oil plants. Moreover, the hydrocarbons used as starting materials are (d) crude oil, (e) Fischer-Tropsch wax and (f) oil sand. Additionally to product characterization a method will be presented, allowing the temperature measurement inside the centre of the microwave reactor correctly throughout the whole batch-base test run. Therefore, a measuring arrangement called "grinding wheel contact principle" ("Schleifrad-Kontakt-Prinzip"; german) had to be developed within this project. Based on the analysis results (elemental analysis, higher calorific value analysis, ash content analysis, water content analysis) an example-based energy balance, calculations for chemical energy contents as well as mass balances and elemental balances are carried out. Furthermore, in the present work, the equilibrium behaviour of the batch driven microwave reactor will be presented for the first time. The equilibrium behaviour results as a consequence of the magnetron output power and the absorbing capacity of the particle/excavated material/drops/liquid that is stored inside the microwave reactor. These two variables give the generated temperature of the microwave reactor. Based on this it is shown how to calculate (a) the efficiency factor and (b) the power of the maicrowave reactor (crude oil). Finally, derived from the obtained results, it is possible to operate a microwave reactor system continuously by having a stable equilibrium ratio and by stable isobaric and isothermic process conditions as well. It can be concluded that for operating a continuous microwave process only liquid feedstocks (=starting materials; educts) are physically qualified for feeding the reactor.