Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6077

Katalytische Effekte bei heterogenen Verbrennungs- und Vergasungsreaktionen von Kohlenstoffen im Hinblick auf die thermische Abfallbehandlung

Kurzfassung:

Die Verbrennung und CO₂-Vergasung von reinem Graphit und Ruß sowie von Koksen aus der Abfallpyrolyse mit Aschegehalten über 50% wurden im chemischen Regime untersucht. Die kinetischen Messungen wurden mit einer Thermowaage und mit einem selbstgebauten differentiellen Schichtreaktor in einem N₂-Strom bei Partialdrucken von O₂ oder CO₂ zwischen 0,01 bis 0,1 MPa bei einem Gesamtdruck von 0,1 MPa durchgeführt. Graphit und Ruß wurden mit 250 bis 10⁴ ppm Cu oder Fe dotiert, um ihre katalytische Wirkung zu bewerten und mit den Reaktivitäten der Abfallkokse zu vergleichen. Durch Anwendung der BET-Methode und der Desorption von Oberflächenkomplexen wurden die Reaktivitäten auf die Feststoffoberfläche bezogen.

Cu und Fe erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeiten der reinen Kohlenstoffe um etwa eine Größenordnung. Die Aktivierungsenergie und damit der Mechanismus der Reaktionen wird dadurch nicht nennenswert beeinflußt. Eine Sättigung der Katalysatorwirkung tritt bei einer Konzentration im Bereich um 1 Gew.% auf. Abfallkokse weisen eine über 10³ mal höhere Reaktivität auf. Diese wird nicht nur durch die katalytisch wirksamen Cu- und Fe-Gehalte von einigen Prozent verursacht, sondern vor allem durch den strukturell gestörten Aufbau ihrer C-Matrix.

Catalytic effects in heterogeneous combustion and gasification reactions of carbons with regard to thermal waste treatment

Abstract:

The O₂-combustion and CO₂-gasification of pure graphite and carbon black, as well as of chars from the pyrolysis of waste materials with an ash content of more than 50% were examined in the chemical regime. Kinetic measurements were carried out using a thermobalance and a self-constructed thin layer flow reactor in a flowing N₂-atmosphere at partial pressures of O₂ or CO₂ between 0,01 to 0,1 MPa, the total pressure being 0,1 MPa. Graphite and carbon black were doped with 250 up to 10⁴ ppm Cu and Fe in order to evaluate their catalytic effect. The reactivities so obtained have been compared with the reactivities of the waste chars. Applying the BET-method and the desorption of surface complexes, the reactivities were also related to the surface of the solid.

Cu and Fe increase the reaction rates of the pure carbons up to one order of magnitude. The activation energy and thus the reaction mechanism is not considerably affected by their presence. A saturation of the catalytic activity is observed at a concentration of about 1 wt.% of the metals. The waste chars show a reactivity which is up to 10³ times higher. These high reactivities cannot only be caused by the presence of catalysts, but especially by the disturbed structure of their carbon matrix.