Johann Heinrich von Thünen-Institut HTC - Fachveranstaltung

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1 Johann Heinrich von Thünen-Institut HTC - Fachveranstaltung Wässrige Phase aus der HTC: Zusammensetzung und Abbaubarkeit Professor Dr.-Ing. Hans-Günter Ramke Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort Höxter Fachgebiet Abfallwirtschaft und Deponietechnik Folie 1 - Einführung Hydrothermale Carbonisierung Übersicht - Projektübersicht - Versuche zur Carbonisierung - Untersuchungen der festen Phase - Entwässerungsverhalten - Untersuchungen der flüssigen Phase - Untersuchungen der gasförmigen Phase - Ausblick Folie 2 1

2 Einführung Abfallwirtschaftliche Rahmenbedingungen - Veranlassung - Paradigmenwechsel in der Abfallwirtschaft - energetische statt stoffliche Verwertung - Kompostierung relativ teuer, wenig Erlöse - Vergärung nur mäßig effizient - Konsequenz - andere Wege zur energetischen Nutzung von Bioabfall - effizienter und kostengünstiger Folie 3 Einführung Ausgangsstoffe und Produkte - Ausgangsstoffe der HTC - Siedlungsabfälle, Grünabfälle, Strauchschnitt - landwirtschaftliche Reststoffe - organische Abfälle der Industrie - Produkte der HTC - Brennstoff ( Biokohle, ähnlich Braunkohle) - Bodenverbesserungsmittel ( Humus ) - Kohlenstoffspeicher Folie 4 2

3 Einführung Voraussetzungen des Fachgebietes - Bisherige Arbeiten des Fachgebiets - Abfallprobennahme und -analytik - Untersuchung des Abbauverhaltens - Optimierung von Biogasanlagen - Laborausstattung - Probenaufbereitung - Feststoffanalytik - biologische Testverfahren - Auslaugtests Folie 5 Einführung DBU-Projekt - Titel Machbarkeitsstudie zur Energiegewinnung aus organischen Siedlungsabfällen durch hydrothermale Carbonisierung - Projektträger Deutsche Bundesstiftung Umwelt AZ: Laufzeit Juli Folie 6 3

4 Projektübersicht Ziele des Vorhaben - Untersuchungen von organischen Abfällen - Bioabfälle aus der Grünen Tonne und Grünabfälle - andere organische Abfälle (Industrie und Landwirtschaft) - Klärschlamm und Gärreste - Umsetzung der HTC in den technischen Maßstab - Erfassung der Prozessparameter (p, T C, Energie) - Variation Versuchsbedingungen (TS, T C, Dauer, Prozess) - Massen- und Kohlenstoffbilanzen - Energiebilanzen Folie 7 Projektübersicht Projektbeteiligte - Federführung, HTC-Versuche und Abfallwirtschaft, HS Ostwestfalen-Lippe, Höxter - Grundlagenwissenschaftliche Begleitung Prof. Dr. M. Antonietti, Dipl.-Ing. D. Blöhse, MPI Golm - Verfahrenstechnische Fragestellungen Dr.-Ing. H.-J. Lehmann, Beratender Ingenieur, Berlin - Abwassertechnische Fragestellungen Prof. Dr.-Ing. Joachim Fettig, HS Ostwestfalen-Lippe, Höxter Folie 8 4

5 Projektübersicht Versuchseinrichtungen - Teil 1 Autoklav, Volumen 25 L, mit Steuerung Folie 9 Projektübersicht Versuchseinrichtungen - Teil 2 Autoklav - Steuerung und Datenanzeige Folie 10 5

6 Projektübersicht Versuchseinrichtungen - Teil 3 Feststoffanalytik Arbeitsplätze zur Elementaranalyse und Heizwertbestimmung Folie 11 Projektübersicht Versuchseinrichtungen - Teil 4 Bestimmung des Gasbildungspotentials und der Atmungsaktivität Folie 12 6

7 Projektübersicht Durchgeführte Untersuchungen - Teil 1 - Übersicht - Aufzeichnung der Prozessparameter - Massen-, Kohlenstoff- und Energiebilanzen - Carbonisierung ausgewählter Stoffe (> 100 HTC-Versuche) - Analysen - Gasbildungspotential - Eigenschaften der Biokohle - Untersuchungen der flüssigen Phase - Untersuchungen des Gasphase Folie 13 Projektübersicht Durchgeführte Untersuchungen - Teil 2 - Arbeitsphasen - qualitative und quantitative Voruntersuchungen - Prozessoptimierung - Untersuchung diverser Input-Materialien - Variation der Versuchsbedingungen - Trockensubstanzgehalt - Temperaturen und Versuchsdauer - Katalysatoren - Prozessführung Folie 14 7

8 Projektübersicht Durchgeführte Untersuchungen - Teil 3 - Einsatzstoffe (organisch) - Standardmaterialien - Maissilage/Rübenschnitzel - Rübenschnitzel/Stroh/Gärrest - Siedlungsabfälle - Bioabfall (Grüne Tonne) - Grünabfälle, Strauchschnitt - Industrie, Landwirtschaft - Treber, Holzspäne, Stroh - Schlämme - Gärreste, Klärschlämme Folie 15 Versuche zur Carbonisierung Einsatzstoffe Teil 1 Bioabfall Input- und Outputmaterial Folie 16 8

9 Versuche zur Carbonisierung Einsatzstoffe Teil 2 Grünschnitt Input- und Outputmaterial Folie 17 Versuche zur Carbonisierung Prozessparameter HTC-Versuchverlauf Standard_2008_05_07 Temperatur [ C]; Heizleistung [%] Aufheizphase Behältertemperatur Manteltemperatur 1. Heizkreis -1,5 kw- 2. Heizkreis -3,0 kw- Behälterdruck Druck [bar] Zeit [h] 0 Folie 18 9

10 Untersuchungen der festen Phase Inkohlungsdiagramm Molverhältnis H/C [-] 2,0 1,8 Cellulose Ölschiefer 1,6 1,4 Holz bitumenreiche Torf Braunkohle 1,2 Lignin 1,0 lignitische Braunkohle Braunkohle lignitische Steinkohle 0,8 Steinkohle Braunkohle Referenz Bioabfall Speisereste 0,6 Strauchschnitt Laub Gärrest Treber 0,4 Stroh Holzspäne Anthrazite Primärschlamm Faulschlamm 0,2 Standard II Citrusfrüchte LAUBAG-Brikett 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 Asphalte & Bitumen Roh - Erdöl Molverhältnis O/C [-] Folie Untersuchungen der festen Phase Brennstoffeigenschaften Brennwert (H o ) [kj / kg TS] y = 398,7x + 437,88 R 2 = 0,9399 Braunkohle Referenz Bioabfall Strauchschnitt Gärrest Speisereste Laub Treber Stroh Holzspäne Primärschlamm Faulschlamm Standard II Citrusfrüchte LAUBAG-Brikett Linear ("Biokohle") Kohlenstoffgehalt [%] Folie 20 10

11 Untersuchungen der festen Phase Kohlenstoffbilanz Tendenzielle Verteilung des Kohlenstoffs im Output Versuch C im Feststoff [% C] Gasphase [% C] Einsatzzweck versuchstechnisch Fest-Flüssig- Separation energetische Nutzung Entwässerung landbauliche Nutzung nur schwer abbaubare Stoffe Bioabfall, 08/06/26 88,0 82,3 78,4 5,4 Bioabfall, 08/06/27 83,9 79,9 77,3 6,6 Bioabfall, 08/07/31 80,5 76,7 74,1 6,0 Bio + GS, 08/12/01 79,6 76,6 74,6 Bio + GS, 08/12/03 79,9 75,1 72,6 6,5 Bio + GS, 08/12/04 88,7 79,6 75,0 6,0 Folie 21 Untersuchungen der festen Phase Bewertung der Biokohle - Eigenschaften Die erzeugten HTC-Produkte ( Biokohlen ) sind in der Regel hinsichtlich ihrer Hauptbestandteile und Brennwerte als braunkohleartig zu bezeichnen. - Kohlenstoffeffizienz Die Kohlenstoffeffizienz der HTC, also das Ausmaß des Verbleibs des Kohlenstoffs in der festen Phase (den HTC- Produkten), hängt von den Substraten, den Versuchsbedingungen, den nachfolgenden Entwässerungsverfahren sowie den durch den Einsatzzweck definierten Anforderungen ab. Folie 22 11

12 Entwässerungsverhalten Fest-Flüssig-Separation Methode: Fest-Flüssig- Separation mittels Saugfiltration Wassergehalte HTC-Bioabfälle: % Folie 23 Entwässerungsverhalten Entwässerungsversuch Zylinder 8,0 cm - Druck ca. 15 bar - Füllhöhe 3,1 cm - Probenmasse ca. 160 g Versuchsaufbau zur Bestimmung des Entwässerungsverhaltens Folie 24 12

13 Entwässerungsverhalten Entwässerungsversuch ,0 60,0 Wassergehalt [% FS] 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 Bioabfall 2008/06/27 Bioabfall 2008/12/01 Bioabfall 2008/12/03 Bioabfall 2008/12/04 Bioabfall 2009/01/14 0,0 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 Versuchsdauer [min] Folie 25 Untersuchungen der flüssigen Phase Vorbemerkung Untersuchungen der flüssigen Phase Professor Dr.-Ing. Joachim Fettig Fachgebiet Wassertechnologie Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort Höxter Folie 26 13

14 Untersuchungen der flüssigen Phase Analyse der flüssigen Phase Eigenschaften des Filtrats - ph-wert: 3,7 7,2 (4,05 [-]) - BSB: mg/l ( mg/l) - TOC: mg/l ( mg/l) - CSB: mg/l ( mg/l) - NO 3 -N: 2,9 58 mg/l (16,4 mg/l) - NH 4 -N: 3,4 4,1 mg/l (3,8 mg/l) - PO 4 -P: 0,2 47 (550) mg/l (2,4 mg/l) (Klammerwerte: Median) Folie 27 Untersuchungen der flüssigen Phase Analyse der flüssigen Phase Einschätzung der Werte - Filtrate sind überwiegend sauer - die Salzgehalte sind meist gering - abfiltrierbare Stoffe überwiegend organisch - Abwasserbelastung vorwiegend organisch - hohes BSB/CSB-Verhältnis zeigt gute Abbaubarkeit - niedrige CSB/TOC-Relation: hoher O 2 -Gehalt in den Molekülen - Nährstoffgehalte meistens gering Folie 28 14

15 Untersuchungen der flüssigen Phase Analyse der flüssigen Phase GC-MS Übersichtsanalyse (Pentan-Extrakt) - Standard-Filtrat vor und nach biologischer Behandlung - Phthalate, Pyrazine, Phenole - weitere cyclische sauerstoffhaltige Verbindungen - nicht identifizierte aliphatische und aromatische KW - nach biologischer Behandlung: diese Stoffe sind zu 98 % abgebaut Folie 29 Untersuchungen der flüssigen Phase Analyse der flüssigen Phase - 5 GC-MS Übersichtsanalyse Standard-Filtrat nach biologischer Behandlung Folie 30 15

16 Untersuchungen der flüssigen Phase Dynamischer Abbautest Methode - kontinuierliche betriebene aerobe Laborkläranlage - stetige Steigerung der Filtratzugabe bis Tag 5 - niedrige Schlammbelastung (0,15 g CSB/(g TS d)) - Volumen Belebungsstufe 12 l, Versuchsdauer 8 d - Untersuchtes Material - Filtrat des Standardsubstrats II - verdünnt auf einen CSB ~ mg/l - Zugabe von Nährsalzen und Co-Substrat (bis Tag 5) Folie 31 Untersuchungen der flüssigen Phase Dynamischer Abbautest - 2 Versuchsaufbau der Laborkläranlage Folie 32 16

17 Untersuchungen der flüssigen Phase Dynamischer Abbautest CSB_Zulauf CSB-Ablauf 800 CSB (mg/l) Datum der Probenahme CSB-Konzentration im Zu- und Ablauf Folie 33 Untersuchungen der flüssigen Phase Dynamischer Abbautest Auswertung - Beurteilung der Abbaubarkeit durch CSB-Werte - Vergleich der CSB-Werte im Zu- und Ablauf - Ergebnisse - CSB-Eliminationsrate % - organische Inhaltsstoffe gut abbaubar - aerobe biologische Reinigung als erste Reinigungsstufe sinnvoll, danach chemisch-physikalische Reinigung Folie 34 17

18 Untersuchungen der flüssigen Phase Adsorbierbarkeit an Aktivkohle Methode - Aufnahme von Adsorptionsisothermen - Zugabe von Pulveraktivkohle zum Filtrat - Kontaktzeit 72 h - Untersuchtes Material - biologisch behandeltes Filtrat des Standardsubstrats I - Probenvolumen 0,2 l, zwei Anfangskonzentrationen - Zugabemenge Aktivkohle 0,04 3 g Folie 35 Untersuchungen der flüssigen Phase Adsorbierbarkeit an Aktivkohle - 2 Versuche zur Adsorption mit Pulveraktivkohle Folie 36 18

19 Untersuchungen der flüssigen Phase Adsorbierbarkeit an Aktivkohle Auswertung - Analyse der filtrierten Proben auf den DOC - Berechnung der adsorbierten Stoffmengen (Beladung) - Aufstellung der Adsorptionsisothermen - Ergebnisse - heterogenes Adsorptionsverhalten der Inhaltsstoffe - organische Stoffe weitgehend gut adsorbierbar - Adsorption an Aktivkohle geeignete 2. Reinigungsstufe - in Kombination organische Inhaltsstoffe > 99 % eliminierbar Folie 37 Untersuchungen der gasförmigen Phase Gasbildung und Hauptkomponenten - Gasvolumen bei Bioabfällen - absolut: NL/Versuch - spezifisch: NL/kg TS Input - Gaszusammensetzung bei Bioabfällen - dominierend CO 2 (ca. 90 %) - geringe Gehalte (2-4 %) von Kohlenwasserstoffen - Restgehalte von N 2 (aus der Luft) Folie 38 19

20 Ausblick Teil 1 Nutzung der HTC zur Energiegewinnung - Ergebnisse DBU-Projekt - freigesetzte Energie Bioabfall 2,0 4,5 MJ/kg TS - sonst bis zu 5,0 MJ/kg TS - zu beachten: - Arbeitsschutz - Prozessführung energetische Nutzung grundsätzlich möglich Folie 39 Ausblick Teil 2 Nutzung der HTC zur Bodenverbesserung - Diplomarbeit A. Stab - Auslaugverhalten - Abbauverhalten - Pflanzversuche - Nährstoffhaltekapazität - zu beachten - Wirkung im Boden - Schadstoffgehalte HTC-Produkte grundsätzlich geeignet Folie 40 20

21 Ausblick Teil 3 - Weitere Arbeiten - Nutzung zur Energiegewinnung - quasi-kontinuierlicher Reaktor - Verbrennungstests - Nutzung zur Bodenverbesserung - Entwicklung von Testverfahren - Test verfügbarer Substrate - Optimierung Prozessführung - Untersuchung spezifische Substrate - organische Industrieabfälle - Schlämme Folie 41 Adressen Professor Dr.-Ing. Hans-Günter Ramke Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort Höxter Fachbereich Umweltingenieurwesen und Angewandte Informatik Fachgebiet Abfallwirtschaft und Deponietechnik An der Wilhelmshöhe 44, Höxter Tel / ; Telefax 05271/ hans-guenter.ramke@hs-owl.de Web Folie 42 21