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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-76273
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2010/7627/


Niedertemperaturkonvertierung biogener Reststoffe zum rohstofflichen Recycling von Kohlenstoff und Phosphor

Low temperature conversion of biogenic residues for recovery and reuse of carbon and phosphorus

Weber, Bernd


Originalveröffentlichung: (2010) Göttingen : Cuvillier 2010
pdf-Format: Dokument 1.pdf (2.831 KB)

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Pyrolyse , Bio-Kohle , Phosphorrecycling , Biogene Reststoffe
Freie Schlagwörter (Englisch): Pyrolysis , Bio-Char , Phosphorus recycling , Organic residues
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Landtechnik, Professur für Prozesstechnik in Lebensmittel- und Dienstleistungsbetrieben
Fachgebiet: Agrarwissenschaften und Umweltmanagement
DDC-Sachgruppe: Landwirtschaft
Dokumentart: Dissertation
ISBN / ISSN: 978-3-86955-332-0
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.02.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 08.06.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Die vorliegende Untersuchung behandelt die Verwertung organischer Reststoffe auf dem
Wege der Niedertemperaturkonvertierung. Aufgezeigt werden Lösungswege zum Recycling
der Elemente Kohlenstoff und Phosphor. Experimentelle Untersuchungen basieren auf
Produkten aus statischen Umsetzungen der Substrate (Rapspresskuchen, Klärschlamm, Tierund
Fleischknochenmehl, Getreideschlempe und Apfeltrester) im rohrförmigen Laborofen
bei 400 °C unter Stickstoffatmosphäre und zweier kontinuierlich betriebener Pilotanlagen.
Ein Fokus liegt auf der Verbesserung der Produkteigenschaften durch die Zugabe von Soda
zum Substrat vor der Konvertierung. Die entstehenden Konvertierungsöle zeichnen sich
durch einen höheren Grad der Entfunktionalisierung von Heteroatomen aus. In Bezug auf die
Sauerstoffkonzentration im Konvertierungsöl der untersuchten Substrate liegt diese ohne
Soda-Zusatz bei etwa 10 % und erfährt durch die Umsetzung in Gegenwart von Soda eine
Reduktion auf etwa 5 %. Die qualitative Verbesserung ist auf eine alkalische Verseifung der
Lipide mit anschließender thermischer Zersetzung der Natriumsalze der Fettsäuren
zurückzuführen. Im Zuge dieser Reaktionsfolgen wird Wasser verbraucht. Darauf aufbauend
gelingt in einer Anlage im Pilotmaßstab (m = 20 kg/h) bei Verwendung von Tierfett als
Ausgangssubstrat eine nahezu vollständige Decarboxylierung der Fette in
Kohlenwasserstoffe.
Der organisch gebundene Phosphor der biogenen Reststoffe kann nach der Konvertierung in
der gebildeten Kohle als Polyphosphat vorliegen. Hingegen entstehen bei Zugabe von Soda
vor der Konvertierung ortho-Phosphate. Sie sind größtenteils wasserlöslich. Die Pflanzenverfügbarkeit
dieser Phosphate wird im Gefäßversuch mit Deutschem Weidelgras (Lolium
perenne L.) nachgewiesen. Schon im Ausgangssubstrat vorliegende stabile Phosphate wie
Apatit oder Eisenphosphat werden in der Niedertemperaturkonvertierung nicht verändert.
Bei direkter Verwendung der phosphathaltigen Kohle aus der Niedertemperaturkonvertierung
in Düngemittelkonzepten ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten der langfristigen Fixierung
von Kohlenstoff im Boden. Brennstoffanalysen der Kohle aus der
Niedertemperaturkonvertierung zeigen, dass bei der Umwandlung von Rapspresskuchen,
Getreideschlempe und Apfeltrester feste Rückstände mit physikalischen Eigenschaften von
Steinkohlen entstehen. Hingegen werden bei der Konvertierung von Klärschlamm, Tier- und
Fleischknochenmehl überwiegend Festprodukte vom Typ „Braunkohle“ gebildet.
Kurzfassung auf Englisch: This investigation deals with the use of organic residues via low temperature conversion.
Strategies for recycling of carbon and phosphorous are discussed. Experimental
investigations are based on products from the conversion of squeezed rapeseed, sewage
sludge, meat and bone meal, grain residue from ethanol production and apple pulp both in
a stationary laboratory tube furnace as well as two continuously fed pilot plants at 400 °C
using nitrogen as inert gas.
The main topic is the improvement of product properties through an addition of soda into the
substrate prior to conversion. Oils formed are characterised by a higher degree of removal of
functional groups of heteroatoms. In relation to the concentration of oxygen in the conversion
oils of the investigated substrates, a 10 % concentration is achieved without added soda,
meanwhile under the conversion in presence of soda, a reduction of 5 % is obtained.
This qualitative improvement is due to alkaline saponification of lipids followed by
thermal decomposition of sodium salts of fatty acids. In the course of these reactions
water is consumed. Based on these findings a nearly complete decarboxylation of fats
into hydrocarbons was achieved at pilot scale (m = 20 kg/h) using animal fat as substrate.
Organically bound phosphorous in biogenic residues may be found as polyphosphate in
LTC char. On the contrary, in the presence of soda in the conversion process orthophosphate
is formed. These compounds are mainly water soluble. Stable phosphates, such
as apatite or iron phosphate, in the substrates aren’t altered by LTC process. Plant availability
of phosphate is demonstrated in pot test with ryegrass (Lolium perenne L.).
Direct use of char containing phosphate from LTC in fertiliser concepts offers additional
possibilities for long term fixation of carbon in soils. Proximate and ultimate analysis of
char from LTC shows that the conversion of squeezed rapeseed, grain residue from
ethanol production and apple pulp gives rise to solids having properties of bituminous
coal. However the conversion of sewage sludge as well as meat and bone meal produces
solids which are characterised as sub-bituminous coal.