STANDORT HÖXTER FACHGEBIET ABFALLWIRTSCHAFT UND DEPONIETECHNIK

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1 STANDORT HÖXTER FACHGEBIET ABFALLWIRTSCHAFT UND DEPONIETECHNIK Verbesserte energetische Nutzung organischer Industrieabfälle durch Hydrothermale Carbonisierung Fördernde Institution Bundesministerium für Bildung und Forschung, Förderlinie FHProfUnd Projektlaufzeit 07/ /2012 Durchführende Institution Hochschule Ostwestfalen-Lippe Standort Höxter FG Abfallwirtschaft und Deponietechnik Kooperationspartner und Projektstruktur

2 Kurzbeschreibung des Vorhabens Die generelle Eignung der Hydrothermalen Carbonisierung für organische Siedlungsabfälle wurde von Juli 2007 bis Juni 2009 am Fachgebiet Abfallwirtschaft im Rahmen eines von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekts untersucht. Die Ergebnisse waren so vielversprechend, dass sich die Weiterführung und Ausdehnung dieses Ansatzes auf die sowohl technisch als auch wirtschaftlich sehr interessanten Stoffströme der organischen Industrieabfälle geradezu aufdrängte. Zu diesen Materialien gehören Rückstände der Nahrungs- und Futtermittelproduktion sowie der Getränkeindustrie, aber z.b. auch schlammige Abfälle aus der Produktion von Papier und Kartonagen sowie aus der Herstellung von Pharmazeutika. Bisher wurden die Untersuchungen am Fachgebiet im Labormaßstab (25 L Reaktor) durchgeführt. Für die Übertragung in den großtechnischen Maßstab und zur Verbesserung der Energieeffizienz des Prozesses sind ergänzende und weiterführende Untersuchungen in einer halbtechnischen Anlage (200 L Reaktor) nötig. Das innovative Reaktorkonzept des Fachgebiets, entwickelt von DR. H.-J. LEHMANN, weist wesentliche Vorteile gegenüber anderen zum Zeitpunkt der Antragstellung geplanten oder realisierten Ansätzen auf. Die Vorteile des Reaktorkonzepts liegen im verbesserten Wärmemanagement, in der gezielten Prozessführung, im optimierten reaktorinternen Transport und in der höheren Betriebssicherheit. Batch-Reaktor (25 L) zur Hydrothermalen Carbonisierung Im Projekt wird die gesamte Prozesskette der Beschaffung und Aufbereitung der Abfälle, der Carbonisierung und der anschließenden energetischen Nutzung des HTC-Materials betrachtet. Gemeinsam mit der BUDDE GMBH & CO. KG (einem Unternehmen der Entsorgungswirtschaft) werden organische Industrieabfälle für die HTC ausgewählt. Das Fachgebiet Abfallwirtschaft wird die Eignung der spezifischen organischen Industrieabfälle für diesen Prozess untersuchen, den HTC-Prozess substratabhängig optimieren und die verfahrenstechnischen Parameter für eine Großanlage ermitteln. Das Verbrennungsverhalten der HTC-Materialien wird zusammen mit der IHT INNOVATIVE HEIZTECHNIK GMBH untersucht.

3 Das Institut für Energietechnik der Technischen Universität Berlin wird bei der Ermittlung der Reaktionskinetik und der Modellierung mitwirken, Professor ANTONIETTI vom MPI in Golm/Potsdam wird das Projektteam bei grundlagenwissenschaftlichen Fragen beraten. Geplante Arbeiten Die Arbeitsziele des Projekts bauen auf den bisher vorliegenden Ergebnissen zur Hydrothermalen Carbonisierung von organischen Siedlungsabfällen auf und dienen unmittelbar der Umsetzung des Verfahrens in die Praxis. Es können vier wissenschaftlich-technische Hauptziele unterschieden werden: 1. Untersuchung der spezifischen Eignung organischer Industrieabfälle für die HTC In der ersten Projektphase sollen die für die HTC geeigneten Abfälle identifiziert werden: - Ermittlung des Aufkommens der einzelnen organischen Industrieabfallarten - Beschreibung der bisherigen Verwertungswege und Entsorgungskosten - Charakterisierung der grundlegenden Eigenschaften der Abfälle (Analysen) - Prüfung der Abfälle auf ihre Eignung für die Hydrothermale Carbonisierung - Auswahl von technisch geeigneten und wirtschaftlich relevanten Abfallströmen 2. Substratabhängige Optimierung des HTC-Prozesses Bei der substratabhängigen Optimierung des HTC-Prozesses steht die Prozessführung im Hinblick auf eine optimale Brennstoffausbeute bei möglichst geringem Energieeinsatz im Vordergrund. Zu klären sind mit dem vorhandenen Batch-Reaktor die folgenden Aspekte: - Feststoffkonzentration im Reaktionsansatz - Rückführung der flüssigen Phase - Prozessführung (ein- oder zweistufig, Temperaturprogramme) - Katalysatoreinsatz 3. Ermittlung der verfahrenstechnischen Parameter für eine Großanlage Die bisherigen Versuche am Fachgebiet wurden im Batch-Betrieb in einem nicht durchmischten Reaktor durchgeführt. Dies war ausreichend für die bisher untersuchten Fragestellungen, lässt jedoch in verfahrenstechnischer Hinsicht noch keine Übertragung der Ergebnisse in die Praxis zu. Die Versuche sollen deshalb jetzt in einem Reaktor im halbtechnischen Maßstab durchgeführt werden. Mit diesem Reaktor können viele entscheidende Probleme gelöst werden, die für die Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit des Prozesses entscheidend sind. Die folgenden verfahrenstechnischen Aspekte sollen geklärt werden: - Optimierung der Betriebsweise (Batch, quasi-kontinuierlich oder kontinuierlich) - Verbesserung der Energieeffizienz (Wärmetausch, Rückführung flüssige Phase) - Ermittlung der Reaktionskinetik und Modellbildung - Ermittlung der Anlagenparameter für einen großtechnischen Reaktor

4 4. Untersuchung des Verbrennungsverhaltens der HTC-Materialien Das Verbrennungsverhalten von HTC-Materialien wurde bisher nur im Hinblick auf die Brennstoffeigenschaften untersucht. Dominierend wurden dabei Basisuntersuchungen wie die Elementaranalyse und die Brennwertbestimmung durchgeführt. Es liegen kaum Erfahrungen mit weiteren Brennstoffeigenschaften (z.b. Chlor- und Schwefelgehalte, flüchtige Bestandteile etc.) vor, und das Verbrennungsverhalten und die Abgasqualität wurden noch gar nicht untersucht. Gemeinsam mit der Firma IHT INNOVATIVE HEIZTECHNIK GMBH sollen mit Verbrennungskesseln, die spezifisch für die Verbrennung von Biomasse entwickelt wurden, entsprechende Messungen vorgenommen werden: - erweiterte Analysen der Brennstoffeigenschaften - Untersuchung des Verbrennungsverhaltens in Spezialkesseln der IHT - Bestimmung der Abgaszusammensetzung - Optimierung der vorhandenen Kessel für HTC-Materialien Stand der Arbeiten/Ergebnisse (Juni 2011) Die Methoden zur Identifikation geeigneter Stoffströme wurden im ersten Projektjahr optimiert und so standardisiert, dass ein verbesserter Vergleich der verschiedenen Einsatzstoffe hinsichtlich ihres Carbonisierungsverhaltens (Ausmaß der Energieverdichtung, Kohlenstoff- und Energiegehaltsbilanzen) möglich ist. Mittlerweile wurde in Zusammenarbeit mit verschiedenen Industrie- und Entsorgungsunternehmen und dem Fachbereich Life Science Technologies (Institut für Getränketechnologie) der Hochschule OWL ein breites Spektrum organischer Industrieabfälle untersucht. Die Untersuchungen zeigten, dass der Großteil der bisher eingesetzten organischen Industrieabfälle sehr gut carbonisierbar ist. Die Carbonisierungsversuche in dem 25 Liter Batchreaktor werden mit zusätzlichen Standardtests ergänzt: - anaerobe Abbaubarkeit der flüssigen Phase (Biogasbildungspotenzial) - Entwässerungs- und Trocknungsverhalten der HTC-Biokohle Um die Erkenntnisse, die mit den Carbonisierungsversuchen gewonnen werden können, zu erweitern, wird die Palette der Standardanalysen (Aschegehalt, Brennwert und Elementgehalte CHNO) sukzessive ausgebaut. Neben der Proximatanalyse (flüchtige Bestandteile/Koksanteil) der HTC-Biokohlen wird jetzt auch die flüssige Phase auf Stickstoffverbindungen und flüchtige organische Bestandteile (Alkohole, organische Säuren etc.) untersucht. Seit April 2011 ist der quasi-kontinuierliche Reaktor im halbtechnischen Maßstab (200 L) einsatzbereit und wird auf dem Hochschulgelände systematisch erprobt. Der Reaktor wurde in Zusammenarbeit mit industriellen Kooperationspartnern (KELAG, Schweiz; TFC Engineering, Liechtenstein; COWA, Remscheid) entwickelt und gebaut.

5 Die Arbeiten zur Optimierung der Carbonisierung verschiedener Einsatzmaterialien werden parallel zur Inbetriebnahme der kontinuierlichen HTC-Testanlage durchgeführt. Insbesondere steht jetzt die Prozesswasserkreislaufführung im Fokus der Untersuchungen. Eine weitere Parallelentwicklung ist die Online-Analyse der Prozessgase mit einem GC- System, um die bei der HTC ablaufenden Reaktionen besser zu erkennen und zu verstehen. Quasi-kontinuierlicher Reaktor für die HTC im halbtechnischen Maßstab (200 L) Entwickelt in Kooperation mit der Kelag (Schweiz), der TFC (Liechtenstein) und der COWA (Remscheid) Schließlich muss erwähnt werden, dass die Arbeitssicherheitsmaßnahmen bei der Carbonisierung und beim Umgang mit der HTC-Biokohle optimiert und besser an die spezifischen Erfordernisse bei der technischen Umsetzung der HTC angepasst wurden. Ansprechpartner Dipl.-Ing. Dennis Blöhse Tel / , Professor Dr.-Ing. Hans-Günter Ramke Tel / , Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Standort Höxter An der Wilhelmshöhe 44, Höxter