Aus Abfall Gas gemacht

Technik

Synthese - In einem Forschungsprojekt haben die Projektpartner eine Pilotanlage gebaut, mit der sie unter anderem aus chlor- und schadstoffhaltigen Abfallströmen ein Synthesegas herstellen. Der im Schachtofen verwendete Kalk ist nicht nur Katalysator, er bindet auch die Schadstoffe, so dass keine Rauchgasemissionen entstehen.

04. Juni 2016

Ein neu entwickeltes Vergasungsverfahren erzeugt aus Altkunststoffen, kohlenstoffhaltigen Sortierresten und Gummiteilen sowie Schreddermaterial der Automobilindustrie ohne Rauchgasemissionen ein gereinigtes Synthesegas. »Wir machen aus Reststoffen Gas. Die bei Verbrennungsprozessen übliche Limitierung der Einsatzmaterialien für Chlor gibt es bei unserer Technologie nicht. Mit Ecoloop wollen wir die Abfall- und Recyclingtechnik sinnvoll ergänzen«, so Roland Möller, Leiter des Forschungsvorhabens und Geschäftsführer der Firma Ecoloop.

Im Prozess dient Kalk als Transportmedium und bindet zugleich Halogene und andere Schadstoffe. Das in einem Schachtofen erzeugte Gas kann Primärenergieträger wie Erdgas in Hochtemperaturprozessen ersetzen oder auch zur Stromerzeugung in Gasmotoren eingesetzt werden. Oder es kann als Rohstoff dienen, um Basischemikalien wie Alkohole oder verschiedene Kohlenwasserstoffe herzustellen.

Großtechnische Pilotanlage

Die erste großtechnische Pilotanlage wurde darauf ausgelegt, bis zu 50.000 Tonnen Altkunststoffe pro Jahr zu verwerten. Dafür sind etwa 3.000 bis 4.000 Tonnen Grobkalk pro Jahr notwendig. Luft und Wasserdampf werden als Vergasungs- und Kühlmittel eingeblasen. Im vertikalen Schachtofen der Anlage laufen bei einer Reaktionstemperatur von 450 bis 1.200 Grad Celsius eine Partialoxidation sowie eine Reihe von Vergasungs- und Pyrolysereaktionen des Materials ab, unterstützt von einer anfänglichen Grundlastfeuerung. Die Ofenanlage kombiniert bewährte technische Anlagen und Methoden, die vor allem aus der Kalkindustrie stammen, zu einem neuen flexiblen Verwertungsverfahren.

Dabei werden die Reststoffe mit Grobkalk vermischt und im Gegenstromprinzip in einem Schüttgutwanderbett zu Synthesegas umgewandelt. Die Wanderbett-Vergaseranlage kommt ohne komplexe oder anfällige drehende Teile oder Einbauten aus. Das Material wird in einem Schüttgutwanderbett aus Kalk und Ersatzbrennstoffen durch die eigene Schwerkraft von oben nach unten transportiert, genauso wie im Kalkbrennprozess.

Funktionsreicher Kalk

Für den Umwandlungsprozess im Schachtofen spielt der Kalk dabei eine entscheidende Rolle; er ist zugleich Transportmedium für die Brennstoffe und gasdurchlässiges Stützgerüst innerhalb des Schüttgutwanderbettes. Seine katalytische Wirkung steigert die Entstehung von Synthesegas.

Außerdem absorbiert der Kalk Chlor, verhindert die Bildung von Dioxinen und Furanen und unterbindet so die Entstehung gefährlicher Rauchgase bei der späteren Synthesegas-Nutzung. Manche Abfälle wie Klärschlämme oder kunststoffhaltige E-Schrott-Fraktionen enthalten zudem Wertstoffe, beispielsweise Phosphor, Edelmetalle oder seltene Erden. Diese können durch Bindung am Feinkalk angereichert, abgetrennt und wiederverwertet werden.

Im Bereich von 400 bis 800 Grad unterstützt der Kalk in Anwesenheit von Wasserdampf als Katalysator die Reformierung von langkettigen Polymeren und polyzyklischen Derivaten. Dadurch wird die Bildung unerwünschter öl- und teerhaltiger Spaltprodukte erheblich reduziert. Saure Schadstoffe wie Chlorwasserstoff- oder Schwefelverbindungen werden an den Kalk gebunden und mit der Asche nach Rückgewinnung ihrer Wärme als Feingut aus dem Grobkalk abgetrennt. Dieser kann danach erneut als Teil des Schüttgutwanderbetts verwendet werden.

Das Roh-Synthesegas wird in der Gasreinigung über Heißgasfilter von Flugstaub befreit und auf Raumtemperatur abgekühlt.

Wirkungsgrad über 80 Prozent

Als Reststoffe verbleiben etwa 8.000 bis 12.000 Tonnen Feingut pro Jahr. Dieses Gemisch aus feinem Kalk, Asche und Schadstoffen muss deponiert werden. Die Anlage ist für eine thermische Nennleistung von 32MW ausgelegt; sie kann als Gegenstromvergaser einen thermischen Wirkungsgrad von über 80 Prozent bei einem Fremdstrombedarf von etwa 1MW erreichen. Das Anlagenkonzept ist flexibel und lässt sich in Industrie und Abfallverwertung einsetzen.

In der ersten großtechnischen Pilotanlage wurden zahlreiche Vergasungskampagnen mit kunststoff- und chlorhaltigen Ersatzbrennstoffen durchgeführt. Dabei haben die Forscher bereits mehr als 2.000 Tonnen unterschiedlicher Materialströme eingesetzt: Mischkunststoffe und Sortierreste aus dem gelben Sack sowie Schredderschwerfraktion aus dem Automobilrecycling. Die Betriebsergebnisse und Erfahrungen fließen in Forschungs- und Entwicklungskooperationen zur Optimierung und Weiterentwicklung der Technologie ein.

Simulationen als Teil der Forschung

Gemeinsam mit der TU Clausthal entwickeln die Forscher ein umfassendes Simulationsmodell des Vergasungsprozesses. Eingangsbasis vieler Daten sind Prozessparameter und Messdaten aus dem großtechnischen Pilotreaktor. Ergänzt wird das Modell durch Versuchsergebnisse und Daten aus Labor- und Technikumsanlagen.

Inzwischen ist die Programmierung des Simulationsmodells weit fortgeschritten und es wurde bereits mit der Validierung verschiedener Prozesseinstellungen und Modell-Tests begonnen. Am Ende soll das Simulationsmodell verlässliche Prozessdaten aus unterschiedlichen Eingangsdaten bereitstellen.

Verschiedene Anlage-Größen

So wird es beispielsweise möglich sein, den Einsatz unterschiedlicher Abfallstoffe zu simulieren und die daraus zu erwartende Synthesegaszusammensetzung und den Wirkungsgrad der Anlage zu ermitteln, ohne dass solche Versuche gleich an der großtechnischen Anlage durchgeführt werden müssen.

Mit Hilfe des Simulationsmodells sollen das Verfahren und das Reaktordesign weiter verbessert werden. Den Schwerpunkt ihrer weiteren Arbeit sehen die Entwickler darin, das Verfahren für verschiedene Reaktorgeometrien und Auslegungsgrößen optimal anzupassen.

Mittelfristiges Ziel ist es, einen optimierten großtechnischen Anlagentyp zu entwickeln, der in unterschiedlichen Auslegungsgrößen eine Vielzahl problematischer Abfallströme vor Ort, ohne aufwendigen ›Mülltourismus‹, effizient verwerten kann.

Die energetische Verwertung von Kunststoffabfällen in der neuen Vergasungsanlage stellt eine günstige Alternative zur Verbrennung in Müllverbrennungsanlagen (MVA) mit anschließend erforderlicher Rauchgasreinigung dar. Die Ecoloop-Technologie kann Müllverbrennungsanlagen sinnvoll ergänzen, indem besonders chlor- und schadstoffhaltige Abfallströme nicht im Gesamtmüllmix verbrannt, sondern stofflich in Synthesegas umgewandelt werden.

Effizientere Verbrennung

Um solche Materialien thermisch verwerten zu können, werden sie bisher dem Gesamtmülleingangsstrom der MVA beigemischt. So gelingt es, bestimmte Grenzwerte nicht zu überschreiten. Doch insbesondere die erhöhten Chlorfrachten führen dabei zu erheblichen technischen Nachteilen. Um der dadurch auftretenden Hochtemperaturkorrosion entgegenzuwirken, müssen Verbrennungsanlagen bei reduzierter Temperatur und reduziertem Dampfdruck betrieben werden. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad. Weitere Folgen sind erhöhte Betriebs- und Instandhaltungskosten.

Vor allem führen hohe Chlorkonzentrationen in Verbrennungsprozessen zur Bildung hochtoxischer Dioxine und Furane, die aufwendig über Rauchgasreinigungsanlagen ausgefiltert und deponiert werden müssen.

Die Vermeidung von Chlorspitzen im Gesamtabfall steigert die Effizienz der Müllverbrennung, reduziert Schadstoffbildung und erlaubt gleichzeitig eine separate Verwertung von Problemstoffen durch rauchgasfreie Umwandlung über Ecoloop in gereinigtes Synthesegas.

Gerhard Hirn (Bine Info, ein Informationsdienst des FIZ Karlsruhe zur Energieforschung)

Erschienen in Ausgabe: 05/2016