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Pyrolysekonzepte

Holz wird auch als lignocellulosische Biomasse bezeichnet und nimmt unter den nachwachsenden Rohstoffen eine besondere Stellung ein, da Holz das einzige Material ist, aus dem wahlweise feste, flüssige oder gasförmige Energieträger bzw. chemische Rohstoffe erzeugt werden können.

Die chemische Struktur bzw. Hauptbestandteile von Holz vairiert nach der Holzart. So besteht z.B.

Nadelholz 45–50 % Cellulose, 25–30 % Lignin sowie 15–20 % Polyosen auch Hemicellulosen genannt. Es kommen auch andere Stoffe (2-8 %) wie z.B. Harze, Wachse, Terpene und Terpenoide (Kautschuk!), Phenole, Gerbstoffe, Chinone, Farbstoffe, Fette, Zucker, Eiweiß, Mineralstoffe usw., die auch als Extraktstoffe bezeichnet werden, vor. Der anorganische Teil (Asche) liegt bei ca. 0.5%. Die Feuchte, ca. 15 % bei trockenem Holz und bis zu 65 % bei frischem Holz, hat bei der Pyrolyse und bei der Qualität der Produkte einen wesentlichen Stellenwert.

Wenn nur die Temperatur, mit dem größten Einfluss, in Betracht gezogen wird, kann man die Umwandlung in 3 Bereiche einteilen: 1. Im Temperaturbereich bis ca. 200°C (k1) wird zuerst holzgebundenes H2O? entfernt und anschließend setzt eine beginnende Verkohlung ein wenig Gase und Dämpfe frei. Zusätzlich wird die Holzfestigkeit herabgesetzt, da Lignin (Holzträgersubstanz) erweicht. Hauptbestandteile bei niedrigen Temperaturen sind Kohle, CO2 und H2O?. 2. Zwischen 200-500°C (k2) wird eine erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit um ca. den Faktor 100 bei 500°C beobachtet (Faustregel: Temperaturerhöhung um 10°C verdoppelt die Reaktionsgeschwindigkeit). Typische Produkte im Mitteltemperaturbereich sind der Abb. 1-7 zu entnehmen. 3. Ab ca. 500°C (k3) nimmt die zusätzliche Vergasung des Pyrolyseöles und des Kohlerückstandes zu. Dies folgt aus Sekundärreaktionen (k4), da durch die extreme Energie auch die Bindungen des Öles gebrochen werden.

Alle thermische Prozeduren zur Herstellung eines flüssigen Energieträgers aus fester lignocellulosehaltiger Biomasse beruht auf einer pyrolytischen (ohne O2!) Zersetzung der Zellulose, Hemicellulose etc. Ab Temperaturen zw. 200-300°C werden die Polymere (Makromoleküle), beginnend bei Hemicellulose, dann bei Cellulose und anschließend bei Lignin, durch die thermische Energie irreversibel durch Bindungsbruch zerstört. Als Produkte entstehen Gase wie CO, CO2, H2, CH4 bzw. höhere KW’s und Dämpfe von organischen Verbindungen wie aromatische KW’s, PAK’s, Aldehyde, Ketone, Säuren usw., die dann bei RT und Normaldruck auskondensieren und als Pyrolyseöl bezeichnet werden. Ab ca. 500°C ist die Zersetzung abgeschlossen und es bleibt ein Verkohlungsrückstand über, der ca. 55 % des unvollständig umgesetzten Lignins und 5 % der Cellulose beinhaltet (vom Gesamtanteil). Die Hemicellulose ist zu fast 100 % umgesetzt.

Besonders seit der Ölkrise in den 70er Jahre wurden die Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der Holzverflüssigung intensiviert. Ziel dieser „alten“ Methode, die bereits in der Zwischenkriegszeit bei manchen Kraftfahrzeugen Verwendung fand, ist eine möglichst hohe Ausbeute an qualitativ hochwertigem Produktöl. Die Qualität des Öles richtet sich nach der gewünschten Verwendung. Für den Einsatz als Brennstoff sind z.B. Heizwert, Wasser- und Aschegehalt wichtige Parameter und als chemischer Rohstoff sollte eine möglichst schmale Produktpalette entstehen, da die Auftrennung der einzelnen Komponenten einen hohen technischen und zeitlichen Aufwand erfordert.

thermische Umwandlungsprozesse

Verflüssigung vereint die Vorteile von hoher Energiedichte (vgl. konventionellen Treibstoff „Benzin“) und guten Transport- bzw. Lager- und Speichereigenschaften des festen bzw. gasförmigen Energieträgers. Zusätzlich kann die Abhängigkeit von Regionen, die ein geringes oder kein Erdölaufkommen haben, durch den Einsatz von Biomasse verringert werden.

Pyrolyseöl

Die Flash-Pyrolyse mit Temperaturen bis 500 °C und Verweilzeiten von < 1s ist momentan die beste Methode aller Pyrolyseverfahren um hohe Ausbeuten an Öl zu erhalten.

Das Produktöl der Flash-Pyrolyse ist eine dunkelrote bis dunkelbraune Flüssigkeit mit niedriger Viskosität und unangenehmen Geruch. Es kann bis zu 30 % Wasser enthalten, das auf der einen Seite aus der Restfeuchte im Holz und auf der anderen Seite aus den Spaltungsreaktionen gebildet wird. Das Öl besteht hauptsächlich aus Aldehyden, Alkoholen, Furane, org. Säuren, Phenole, verschieden „höhere“ Aromaten (PAK’s) sowie aus oligomeren Kohlenhydrate und Ligninderivate (vgl. Tab. 1). Das Pyrolyseöl ist je nach Wassergehalt unterschiedlich stabil: Bei einem hohen Gehalt an Wasser ist es zwar stabil, doch aus energetischer Sicht unerwünscht.

  • organisch Säuren 5 – 10 %
  • Aldehyde & Hydroxyaldehyde 5 – 20 %
  • Ketone & Hydroxyketone 0 – 10 %
  • Phenole 20 – 30 %
  • Wasser 15 – 30 %
  • pyrolytisches Lignin 15 – 30 %
  • feste Bestandteile 0 – 1 %
Quellennachweis
  # Datei  http://www.mci4me.at/mci4me/app/download/Praktikumsanleitung.pdf?DOCID=100048878&blobIndex=file.
  1. Datei http://deposit.ddb.de/cgi-bin/dokserv?idn=964083507&dok_var=d1&dok_ext=pdf&filename=964083507.pdf
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