Abstract

Hintergrund

Am Forschungszentrum Karlsruhe soll mit einer 1,5 MW-Versuchsanlage (Thermische Entsorgung spezieller Abfälle, genannt THERESA) die Verbrennung von Sonderabfällen weiterentwickelt werden. Wie bei jeder technischen Sondermüllverbrennungsanlage wird für den Versuchsbetrieb ein Stützbrennstoff benötigt; zum einen um niedrige und schwankende Heizwerte der Einsatzstoffe auszugleichen, und zum anderen um den Vorgaben der 17.BImSchV zu genügen, die für die Rauchgase der Nachbrennkammer eine Mindesttemperatur von 1200°C und eine Mindestverweilzeit von 2s verlangt.

Heizwertreiche Rest- und Abfallstoffe können in einem getrennten Verfahrensschritt in einer thermo-chemischen Umsetzung unter Sauerstoffabschluß (Pyrolyse) homogenisiert und in leicht dosierbare, feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe umgewandelt werden, die konventionelle Stützbrennstoffe ersetzen. Ein Wirbelschichtreaktor scheint aufgrund seiner Isothermie und seines schnellen An- und Abfahrverhaltens der geeignete Gas-Feststoff-Reaktor zu sein. Unter Verwendung von Koks als Bettmaterial können zur Beheizung heiße Rauchgase der Nachbrennkammer rückgeführt und als Wirbelgas eingesetzt werden. Der Umsatz des Restsauerstoffs (> 6%) trägt zusätzlich zur Deckung des Wärmebedarfs bei.

Konzept

Bei einer Betriebstemperatur von 550-650°C sollte sich die Verbrennungszone im Bereich der Wirbelgaseinspeisung von der Pyrolysezone im oberen Bereich eines stationären Wirbelbettes trennen lassen. Entstehende Pyrolysegase werden nach kurzer Verweilzeit über einen Zyklon abgezogen, anfallende Pyrolysekokse werden sich dem Bettmaterial untermischen. Gelingt der selektive Abbrand der reaktiven Pyrolysekokse mit dem zudosierten Sauerstoff, dann entspricht das Reaktorkonzept einem Vergasungsreaktor bei niedriger Temperatur und entsprechend hohem Pyrolysegas-Heizwert.

Inhalt

Inhalt dieser Arbeit war die Untersuchung und Bewertung der Teilvorgänge und Reak-tionsabläufe in der autothermen, minimal fluidisierten Pyrolysewirbelschicht mit Hilfe von geeigneten Labor- und Technikumsapparaturen. Fragen der Reaktionskinetik (Mikrokinetik, intrinsische Reaktionskinetik) zur Pyrolyse der Einsatzstoffe und zur Verbrennung bzw. Vergasung der Pyrolyse- und Kohlekokse wurden mit Hilfe der Thermogravimetrie beantwortet. Spezielle makrokinetische Aspekte, wie die Pyrolysezeiten von stückigen Einsatzstoffen oder das Zündverhalten der Pyrolysekokse, wurden unter vergleichbaren Wärmeübertragungsbedingungen in einem Sandwirbelbett untersucht. Der kontinuierliche Versuchsbetrieb wurde mit thermoplastischen Kunststoffen als Modellsubstanzen für DSD-Abfallkunststoffe im Kokswirbelbettreaktor demonstriert und bilanziert.

Autothermal fluidized bed pyrolysis

abstract

Backround

At the research centre Karlsruhe a 1.5 MW rotary kiln facility is under construction in order to continue research work in the field of waste incineration. As in any technically scaled facility for hazardous waste incineration, supporting fuel is needed in the burn-out chamber to meet German regulations concerning the flue gas treatment (temperature at least 1200°C for a residence time of two seconds).

In a separate pyrolysis reactor waste fractions of higher heating values can be converted to pyrolysis gases, which substitute other fuels like oil or gas as the supporting fuel for the burnout chamber. A fluidized bed of coal char was selected as the favourite pyrolysis reactor: In that way hot flue gas (>6% Oxygen) can be recycled to heat up the system; furthermore the combustion heat from the coal char burning with the residual oxygen contributes to the heat balance.

Concept

At a bed temperature of 600°C the combustion zone in the lower part of the fluidized bed is expected to separate from the pyrolysis zone in the upper part of the bed, where the waste is fed in to pyrolyze. Pyrolysis chars formed in the upper zone are slowly mixed with the coal char and reach the combustion zone, where they compete with the coal char in terms of oxygen consumption. If a more or less selective combustion of the pyrolysis chars is being archieved in the lower part of the bed (because of its enormous reactivity) while pyrolysis gases are formed in the upper part, the reactor concept will be equal to a gasification process in a quite low temperature range.

Experimental work

The aim of this investigations was to identify and to study the main process steps in the reactor concept, especially focussing on pyrolysis and combustion kinetics. Microkinetics of pyrolysis, combustion and CO2-gasification reactions were studied in a thermobalance. Macrokinetics of pyrolysis rates of wood cubes and other materials were additionally measured in a fluidized bed of sand, as well as the combustion kinetics of the formed wood char cubes under fluidized bed conditions. The desired separation of pyrolysis and combustion zone in the reactor concept has been demonstrated in a continuous run using plastics and plastic waste as feeding materials. Polyolefins like PE or PP were cracked down to pyrolysis oils and wax products, PS was depolymerized to styrene, styrene dimer and trimer.