Was sind die Verunreinigungen bei der Pyrolyse? Ein Leitfaden zur Bewältigung von Verunreinigungen im Ausgangsmaterial

Die primären Verunreinigungen bei der Pyrolyse sind eine direkte Widerspiegelung des ursprünglichen Ausgangsmaterials und lassen sich grob in anorganische Verbindungen wie Schwermetalle und organische Verbindungen, die Schwefel, Stickstoff und Halogene enthalten, einteilen. Diese Verunreinigungen werden nicht durch den Prozess selbst erzeugt, sondern aus den zersetzten Materialien freigesetzt und umgewandelt und verteilen sich auf die Endprodukte: Pyrolyseöl, Kohle und Gas.

Die zentrale Herausforderung der Pyrolyse ist nicht nur die thermische Zersetzung; es geht darum, die inhärenten Verunreinigungen aus dem Ausgangsmaterial zu managen. Die wirtschaftliche Tragfähigkeit und die Einhaltung von Umweltvorschriften jeder Pyrolyseanlage hängen vollständig davon ab, diese Verunreinigungen von Anfang an zu verstehen und zu kontrollieren.

Die Quelle: Die Verunreinigung beginnt mit dem Ausgangsmaterial

Die Pyrolyse ist ein Prozess der thermischen Zersetzung in Abwesenheit von Sauerstoff. Sie zerstört keine Elemente, sondern ordnet sie lediglich neu an. Daher wird alles, was Sie in den Reaktor geben, in einer anderen Form über die drei Produktströme wieder herauskommen.

Anorganische Verunreinigungen: Asche und Schwermetalle

Die nicht brennbaren, mineralischen Bestandteile des Ausgangsmaterials werden zusammenfassend als Asche bezeichnet.

Diese Materialien verdampfen während der Pyrolyse nicht und konzentrieren sich in der festen Pyrolysekohle (auch Biokohle oder Pyro-Kohle genannt).

Diese Kategorie umfasst harmlose Mineralien wie Siliziumdioxid und Aluminiumoxid, aber auch gefährliche Schwermetalle wie Blei, Cadmium, Quecksilber, Chrom und Arsen, die oft in Elektroschrott, behandeltem Holz oder bestimmten Kunststoffarten vorkommen. Zink ist ebenfalls eine Hauptverunreinigung bei der Pyrolyse von Reifen.

Organische „Heteroatom“-Verunreinigungen

Dies sind nicht-kohlenstoffhaltige Elemente, die chemisch in den organischen Molekülen des Ausgangsmaterials gebunden sind. Sie sind äußerst problematisch, da sie korrosive und toxische Verbindungen in der Öl- und Gasphase erzeugen.

Die drei bedeutendsten Heteroatome sind:

• Chlor: Hauptsächlich aus Kunststoffen wie Polyvinylchlorid (PVC). Während der Pyrolyse bildet es hochkorrosives Chlorwasserstoffsäure (HCl)-Gas und chlorierte organische Verbindungen im Öl.
• Schwefel: Stammt aus vulkanisiertem Gummi in Reifen und bestimmten Arten von Biomasse oder Kohle. Es wandelt sich hauptsächlich in Schwefelwasserstoff (H₂S) in der Gasphase und schwefelhaltige organische Moleküle im Öl um.
• Stickstoff: Kommt in Kunststoffen wie Polyurethan und Nylon sowie in den Proteinen und Enzymen aller Biomasse vor. Es bildet Verbindungen wie Ammoniak (NH₃) und Cyanwasserstoff (HCN) in der Gasphase und stickstoffhaltige heterozyklische Verbindungen (z. B. Pyridine) im Öl.

Sauerstoffhaltige Verbindungen und Wasser

Obwohl es nicht immer auf die gleiche Weise als „Verunreinigung“ wie Schwermetalle betrachtet wird, ist Sauerstoff ein kritischer Fremdstoff, insbesondere in Bioöl, das aus Biomasse gewonnen wird.

Ein hoher Sauerstoffgehalt führt zur Bildung von Carbonsäuren, Phenolen und Ketonen. Dies macht das Bioöl sauer (niedriger pH-Wert), korrosiv und thermisch instabil, was eine Verwendung als Direktkraftstoff ohne erhebliche Aufbereitung verhindert.

Wasser ist ebenfalls vorhanden, entweder durch Feuchtigkeit im Ausgangsmaterial oder als Reaktionsprodukt, was den Energiewert des Pyrolyseöls senkt.

Verteilung der Verunreinigungen nach Produkt

Verunreinigungen verteilen sich nicht gleichmäßig. Zu verstehen, wo sie sich ansammeln, ist entscheidend für die Gestaltung von Reinigungssystemen.

Im Pyrolyseöl

Das flüssige Produkt, oft als Bioöl oder Reifenderivatöl bezeichnet, ist ein komplexer Cocktail. Seine Hauptverunreinigungen sind schwefel-, stickstoff- und sauerstoffhaltige organische Verbindungen. Diese machen das Öl viskos, sauer und instabil und erfordern einen kostspieligen Aufbereitungsprozess, die Hydrobehandlung, um sie zu entfernen, bevor es in einer traditionellen Raffinerie mitverarbeitet werden kann.

In der Pyrolysekohle

Das feste Kohleprodukt ist der Hauptspeicher für anorganische Verunreinigungen. Alle Schwermetalle und Mineralasche aus dem Ausgangsmaterial werden sich hier konzentrieren. Dies ist der wichtigste Faktor, der die Endverwendung der Kohle bestimmt. Ein hoher Metallgehalt macht sie zu Sondermüll, während eine saubere, metallfreie Kohle ein wertvolles Produkt für die Landwirtschaft (Biokohle) oder Metallurgie sein kann.

Im Pyrolysegas

Das nicht kondensierbare Gasprodukt ist der Ort, an dem die flüchtigsten und korrosivsten anorganischen Verbindungen landen. Die Hauptverunreinigungen sind die sauren Gase HCl (aus Chlor) und H₂S (aus Schwefel). Ammoniak (NH₃) ist ebenfalls ein häufiges Problem. Diese Gase müssen „gewaschen“ oder gereinigt werden, bevor das Gas sicher in einem Motor oder einer Turbine zur Stromerzeugung verbrannt werden kann.

Die Konsequenzen und Kompromisse verstehen

Das Ignorieren von Verunreinigungen führt zu Betriebsversagen, Umweltstrafen und schlechten wirtschaftlichen Ergebnissen.

Starke Korrosion der Ausrüstung

Das Vorhandensein von HCl, H₂S und sauren Sauerstoffverbindungen erzeugt eine stark korrosive Umgebung im Reaktor und in den nachgeschalteten Rohrleitungen, insbesondere wenn Wasser vorhanden ist. Dies kann zu schnellem Verschleiß der Ausrüstung, Lecks und kostspieligen Stillständen führen.

Verminderter Produktwert und eingeschränkte Verwendbarkeit

Kontaminierte Produkte haben stark begrenzte Märkte. Ein saures, instabiles Öl kann nicht als Kraftstoff verwendet werden. Eine mit Schwermetallen belastete Kohle kann nicht im Boden eingesetzt werden. Ungereinigtes Gas zerstört einen Motor. Der Wert der Endprodukte hängt direkt von ihrer Reinheit ab.

Katalysatorvergiftung während der Aufbereitung

Viele Prozesse zur Aufbereitung von Pyrolyseöl zu nutzbaren Kraftstoffen basieren auf Katalysatoren. Schwefel-, Stickstoff- und Chlorverbindungen sind starke Katalysatorgifte, die sie schnell deaktivieren und erhebliche Betriebskosten verursachen.

Nichteinhaltung von Umweltvorschriften

Die Verbrennung von ungewaschenem Pyrolysegas kann zur Emission von Schwefeloxiden (SOx) und Stickoxiden (NOx) führen, Hauptbestandteile von saurem Regen. Das Auslaugen von Schwermetallen aus unsachgemäß gelagerten Kohleprodukten kann Boden und Grundwasser verunreinigen und erhebliche Haftungsrisiken nach sich ziehen.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Ihre Strategie für den Umgang mit Verunreinigungen muss mit Ihrem Hauptziel für die Pyrolyseeinheit übereinstimmen.

• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Herstellung von hochwertigem Flüssigkraftstoff liegt: Sie müssen extrem sauberes, sortiertes Ausgangsmaterial mit minimalem PVC-, Schwefel- und Stickstoffgehalt priorisieren und stark in Ölaufbereitungstechnologien wie die Hydrobehandlung investieren.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Abfallwirtschaft und Energierückgewinnung liegt: Sie müssen in robuste, korrosionsbeständige Reaktormaterialien und ein hochwirksames Gasscrubbing-System investieren, um die Emissionsvorschriften zu erfüllen, und akzeptieren, dass Ihre Öl- und Kohleprodukte möglicherweise von geringerer Qualität sind.
• Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Herstellung von landwirtschaftlicher Biokohle liegt: Ihr gesamter Prozess muss der Verwendung von sauberem, unbelastetem Biomasse-Ausgangsmaterial gewidmet sein, um sicherzustellen, dass die Endkohle frei von Schwermetallen und anderen Toxinen ist.

Letztendlich ist das proaktive Management von Verunreinigungen im Ausgangsmaterial der entscheidende Faktor für ein erfolgreiches Pyrolysevorhaben.

Zusammenfassungstabelle:

Art der Verunreinigung	Häufige Quellen	Hauptauswirkung	Betroffenes Hauptprodukt
Schwermetalle (Pb, Cd, Hg)	Elektroschrott, behandeltes Holz	Macht Kohle zu Sondermüll; Boden-/Wasserverschmutzung	Pyrolysekohle
Chlor (Cl)	PVC-Kunststoffe	Bildet korrosives HCl-Gas; Katalysatorvergiftung	Pyrolysegas & Öl
Schwefel (S)	Reifen, Gummi	Bildet H₂S-Gas; SOx-Emissionen; Katalysatorvergiftung	Pyrolysegas & Öl
Stickstoff (N)	Nylon, Polyurethan, Biomasse	Bildet NH₃, HCN; NOx-Emissionen; Katalysatorvergiftung	Pyrolysegas & Öl
Sauerstoff (O)	Biomasse	Macht Öl sauer, instabil und korrosiv	Pyrolyseöl

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