Thermische Abfallbehandlung - Klausurvorbereitung

Thermische Abfallbehandlung

Dipl.-Ing. Drazen Gajic,

Dipl.-Ing. Roland Aeckersberg,

Universitätsprofessor Dr.-Ing. Jürgen Heil

Lehr- und Forschungsgebiet Kokereiwesen,

Brikettierung und thermische Abfallbehandlung

Klausurvorbereitung

Klausur 05.02.09
Wiederholung 01.04.09

L²P:

• Abfallverbrennungsanlagen in Deutschland.pdf
• Brennstoff Kohle.pdf
• Einfluss des pH-Wertes bei 8 frischen und 8 gealterten Schlackenproben.pdf
• Korrosionarten.pdf
• Leitfaden Verbrennungsrechnung.pdf
• Massenbilanz einer MVA.pdf
• Müllverbrennungsrost - Phasen eines Brandes.pdf
• MVA Ingolstadt.pdf
• MVA.pdf
• Schema einer Müllverbrennungsanlage.pdf
• Thermische Abfallbehandlung.pdf
• Übungsfragen.pdf
• Umweltbelastungen durch Schadstoffe.pdf
• Zusatzinformation zu Kapitel 10 - Deacon.pdf
• Zusatzinformation zu Kapitel 10 - Tiermehl.pdf
• Zusatzinformation zu Kapitel 10.pdf
• Zusatzinformation zu Kapitel 13 und 21.pdf
• Zusatzinformation zu Kapitel 13.pdf
• Zusatzinformationen Kapitel 2 b.pdf
• Zusatzinformationen Kapitel 2.pdf
• Zusatzinformationen Kapitel 4.pdf

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Brennstoff Kohle

Elementaranalyse von Steinkohle

• Kohlenstoff C2
  
• Wasserstoff H2
  
• Sauerstoff O2
  
• Schwefel S2
  

Rohsteinkohle

• Wasser
• Asche

Kohlenart + ihre flüchtigen Bestandteile (aufsteigender Anteil)

• Anthrazit
• Magerkohle
• Esskohle
• Fettkohle
• Gaskohle
• Gasflammkohle
• Flammkohle

Hypothetisches Modell einer Steinkohle nach J.H Shinn

• Verknüpfungsstellen (ca. 14) zu -CH2-Seitenketten, die aus umgelagerter Cellulose aus Suberin oder ähnlichen Substanzen entstanden sein können
• "From coal to single-stage and two stage products,: a reactive model of coal structure (1984)

Deacon-Reaktion

Deacon-Reaktion

Im Feuerraum von MVA entstehen HCL aus

• thermischer Zersetzung von chlorhaltigen Organika und chlorhaltigen Kunststoffen
• direkte Hydrolyse von

NaCl + H2O => HCl + NaOH

• HCl kann unter günstigen Bedingungen (Katalysator, Temperatur) zu elementarem Chlor (Cl2) weiterreagieren
• Katalysator: CuCl2
• Temp: über 430°C
• 60-70% des HCl reagieren zu Chlor

• Deacon-Reaktion: 2HCl + 1/2 O2 =(430°, CuCl2)=> Cl2 + H2O
  

Katalytische Wirkungsweise des Kupfer(II)chlorids:

• Shwermetallchlorid + Schwermetalloxid - Reaktionsschema für Chlorbildung
  
• CuCl2 + 1/2 O2 => CuO + CuCl2
• CuO + HCL => CuCl2 + H2O
• ------------------------------------
• 2HCl + 1/2 O2 =(430°, CuCl2)=> Cl2 + H20

• Elementarer Chlor kann zur Chlorierungg von nicht-verbrannten orgasischen Verbindungen genutzt werden
• feuchtes Chlorgas ist ein wesentlich besseres Oxidationsmittel als trockenes Chlorgas = > in abgekühlten Rauchgasen kann es zu Problemen kommen

Tiermehl- und Tierfettverbrennung

BSE

• Rinderseuche = Rinderwahnsinn
• BSE = bovine spongiform encephalopathy
• schwammartige (spongiforme) nicht entzündliche Erkrankung (Enzephalopathie) beim Rind (Eiweißablagerungen im Gehirn => Pendant zu Alzheimer ?)
  
• Creutzfelder-Jakob-Syndrom
• aus Tierkörperbeseitigungsanstalten (Abdeckereien) kommen jährlich ca. 700.00t Tierfett und Tiermehl, die entsorgt werden sollen

Tierfett

• wasserreich, Verwendung in der Seifenherstellung
• Heizwert von 35.000 - 40.000 kJ/kg

Tiermehl

• durch Extraktion von Fett befreites Gewebe
• angereichert mit zerkleinertem Knochenmaterial (Mineralien)
• feinkrümeliges, graubraunes, trockenes Pulver von fleischartigem Geruch
• sterilisiert war es in der Tierzucht ein verwendetes Futtermittel
• reines Tiermehl (wasserfrei + kein Knochenmaterial) hat einen hohen Heizwert: 25.000 kJ/kg
• fast reines Eiweiß (Protein) => Cave: bei Verbrennung Stickstoffgehalt (Aminosäuren) beachten

Tiermehlzusammensetzung (absteigender Anteil)

• Asche
• Kohlenstoff
• Wasserstoff
• Stickstoff
• Chlor
• Fluor

Anorganische Komponente der Tiermehlasche (Knochen)

• Calciumphosphate
• Hydroxylapatite
• Calciumcarbonat
• Magnesiumphosphat

Tiermehl darf nur anteilig dem Müll bei der Verbrennung in einer MVA beigefügt werden

• Pulverform
• hoher Heizwert im Vergleich zu Müll
• hoher Anteil an Brennstoff-Stickstoff im Vergleich zu Müll und damit verstärkte NO /NO2 - Bildung
• hoher Choridgehalt; Korrosion !

Träger des Stickstoffs

• α-Aminosäuren (AS) R-CH (NH2)
• COOH (Proteine)
• Blutfarbstoffe (Hämoglobin)
• Muskelfarbstoffe (Porphyrin-Systeme)
• Gallen und Fäkalpigmente

Literatur:

• Tiermehl in Müllheizkraftwerk Stellinger Moor / Hamburg
• Phosphinbildung in Rostfeuerungen
• Mitverbrennung von Tierkörpern
• Praktische Erfahrungen bei der versuchsweisen Mitverbrennung von Tierfett im Kraftwerk Ingolstadt

Fazit: die Tiere haben keinen Anwalt auf dieser Welt, sie sind rechtlos !!!

Kohlenmonoxid

• in der Umwelttechnik ein unerwünschtes Gas

• sollte möglichst in Kohlendioxid überführt werden

• Wasserstoff geht bei üblichen Verbrennungsprozessen in Wasserdampf über

• CO und H2 sind wichtige Basisprodukte

Herstellung im Laboratorium

• "Entwässerung von Ameisensäure mit heißer konzentrierter Schwefel- oder Phosphorsäure

• HCOOH =(100°C, H2SO4 o. H3PO34)=> CO + H2O

Technische Gewinnung aus großen Mengen von

• Erdgas
• Rohbenzin (Naphta-Fraktion)
• Heizöl
• Kohlen/Koks
• Gichtgas von Hochöfen
• Abgas der Carbidsynthes
• Verbrennung Grubengas

Vor der Weiterverarbeitung muss CO-Gas gereinigt werden

Reaktionsschema für die Erzeugung aus Erdgas, Rohbenzin oder Heizöl mit Sauerstoff

• -CH2- + 1/2 O2 => CO + H2

Reaktionsschema für die Erzeugung aus Erdgas, Rohbenzin oder Heizöl mit Wasserdampf

• -CH2- + H2O => CO + 2H2

wichtigste großtechnische Verfahren von ICI, 1962 (Imperial Chemical Industries)

• Kohlenwasserstoffe werden werden bis zu einem Siedepunkt von ca. 200°C erhitzt (Naphta)

• vor der Vergasungsreaktion wird eine Entschwefelungsstufe (Hydrierung) vorgeschaltet, da die Katalysatoren (primärer Reformer) gegen Schwefel sehr empfindlich sind.

• im primären Reformer (erster Vergasungsreaktor /Spaltungreaktor) läuft die angestrebte Dampfreformierung (Vergasung mit H2)

-CH2- + H20 =(700-830°C / 15-40bar / Ni-K2O-Al2O3-Katalysator)=> CO + 2H2

bei hohem Druck (aber sonst gleichen Bedingungen) neigt das gebildete Spaltgas zum Teil zur Methanisierung

• CO + 3H2 => CH4 + H2O

Man versucht den CH4-Gehalt auf 0,3 Vol% zu begrenzen. Dazu wird (4 Mol Edukte zu 2 Mol Produkte) bei Temperaturen oberhalb von 1200°C an Ni-Katalysatoren in einem sekundären Reformer eine Nachspaltung vorgenommen

Verfahren ohne Katalysatoren

• 1200-1500 °C / 30-80bar
• BASF
• Texaco
• Hydrocarbon-Research
• Shell

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Anmerkung:

• es herrscht ein Druck von 1bar über der Wasseroberfläche
• alle weitere 10m nach unten in die Tiefe erhöht sich der Druck um 1bar
• 80 bar entsprechen also 790m Wassertiefe (tödlich!)
  
• die größte subjektive Druckempfindung erfolgt in den ersten 0-10 m ! (daher soll man beim Tauchen, egal ob mit oder ohne Atemgerät so oft wie möglich einen Druckausgleich durch Pressen gegen die geschlossene Nase vornehmen, so oft, bis einem der Druck unter Wasser angenehm erscheint)
  
• Fahrradreifen werde zwischen 2-3 bar aufgepumpt
• Je härter ein Reifen aufgepumpt wird, desto geringer ist der Rollwiderstand und desto geringer wird die Gefahr, dass Glassplitter und ähnlich scharfes Material sich im Fahrradmantel verfängt
• Autofahrer, die nicht regelmäßig den Reifendruck überprüfen, haben eine höhere Spritrechnung (s.a. Abmontieren des Dachgepäckträgers etc.)
  

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Kohle- /Koksvergasung

• Koppers-Totzek
• Lurgi
• Bergbau-Forschung
• Kellog
• Sumitomo

Rheinbraun AG: Hochtemperatur-Winkler-Verfahren (HTW) im Wirbelbett (Winkler-Generator)

1.Teil (wärmeliefernde partielle Verbrennung /exotherm)

• 2C + O2 =(800-1100°C /25bar)=> 2CO

2. Teil (stark wärmeverbrauchend / endotherm)

• C + H2O =(800-1100°C / 25 bar)=> CO + H2

weitere Vergasungs- / Spaltungsreaktionen

heterogene Wassergas-Reaktion

• C + H2O <=> CO + H2

homogene Wassergas-Reaktion

• CO + H2O <=> CO2 + H2

hydrierende Vergasung

• C + 2H2 <=> CH4

Methanisierung

• CO + 3H2 <=> CH4 + H2O

Reaktionen die zu weiteren Schadstoffen führen

• H2S
• COS
• NH3
• etc

• heterogen = Ausgangssubstanzen wie C und H2O liegen in verschiedenen Aggregatzuständen vor

• homogen = Ausgangssubstanzen wie C und H2O liegen in gleichen Aggregatzuständen vor => sie sind grundsätzlich besser zu handhaben und zu berechnen

bisherige Erkenntnisse:

• Die Vergasung von Erdölprodukten (CH2-Ketten) führen stets zu CO-H2-Mischungen

• Nur die Vergasung von Koks ("reiner Kohlenstoff) mit O2 führt zu CO

• Koks als Brennstoff kostet zwischen 22 Euro und 50 Euro pro 100 kg.

• Koks als Droge kostet je nach Gegend (München ist teurer als FFM) 40-60 Euro pro Gramm. Das reicht für 3-4 Lines. Wenn du es kiloweise kaufst, ist es wahrscheinlich etwas billiger. (tina t)
  

• (Bem. der Red: ab 90% Reinheit (Zungenspitzen-Test) handelt es sich um sehr gutes Koks, das pro Gramm so +/- um die 90 Euro liegt => deshalb findet man von diesem Zeug auch so viel auf Politiker- und Schicki-Micki-Toiletten ... das arme Volk nimmt Pep oder XTC und wundert sich dann, dass bei Abusus (=Missbrauch) die Zähne ausfallen, die Erkältungen zunehmen, die Knochen weich werden und Depressionen einen in immer kürzeren Abständen einholen)
  

• Die Vergasung von Kohle (hochpolymere CH-Verbindung) wird auch bei Vergasung mit Sauerstoff einen gewissen Anteil an H2 liefern

• Für die Gewinnung von CO muss daher das CO-H2-Gemisch getrennt werden. Die CO-Gewinnung aus der Koks-Vergasung mit Sauerstoff ist ebenfalls nicht einfach; neben der Abtrennung von Schadstoffen muss auch das CO2 (Verbrennungsreaktionen, Boudouard) abgetrennt werden.

• Die Vergasungsreaktionen sind eine Quelle für Wasserstoff

• Die Mischung CO + H2, deren Stöchiometrie verändert werden kann, wird in der Regel als Synthesegas bezeichnet, da hiervon vielfältige Reaktionen möglich sind ("C1-Chemie")