Pyrolyse

Pyrolyseolje fra kornavfall

Pyrolyse eller pyrolytisk nedbrytning (fra gammelgresk πῦρ pyr 'ild' og λύσις lýsis '(oppløsende)') beskriver forskjellige termokjemiske omdannelsesprosesser der organiske forbindelser er delt ved høye temperaturer og i fravær av oksygen (λ = 0). De høye temperaturene deler båndene i molekylene, og ekskludering av oksygen forhindrer forbrenning. De resulterende produktene er forskjellige.

Pyrolyse brukes i mange tekniske prosesser. På denne måten kan biomasse omdannes til produkter av høyere kvalitet som drivstoff eller kjemikalier, men pyrolyseprosesser foregår også i klassisk koksing av kull og i produksjon av kull . Fra et kjemisk synspunkt er krakking av petroleum også en pyrolyseprosess, men kalles ikke det.

Utdaterte termer for teknisk pyrolyse er pyrolyse , tørr destillasjon , nedbrytende destillasjon , avgassing eller karbonisering . Roten Ordet “pyranic” i navnene til kjemiske forbindelser så som katechol , pyrucic syre og pyrodruesyre går tilbake til denne.

Konseptuell presisjon

Begrepet pyrolyse brukes ofte ikke på en helt ensartet måte.

På den ene siden refererer det til tekniske prosesser som tar sikte på en ufullstendig termokjemisk omdannelse som ikke går utover denne fasen av pyrolytisk nedbrytning. På den annen side blir den pyrolytiske nedbrytningsfasen i den termokjemiske omdannelsen ofte referert til som pyrolyse. I denne forstand kan det være uønsket og kan for eksempel oppstå ved overoppheting eller dårlig varmeoverføring.

Når det gjelder brannadferd av tre, brukes begrepet pyrolyse også for tidspunktet hvor et isolerende og beskyttende lag av forkullet tre skapes over det gjenværende treet.

Differensiering fra forgassning

Forgassing må skilles fra pyrolyse . Dette er også en termokjemisk omdannelse, men det går utover pyrolyse. Sammenlignet med pyrolyse, bruker gassifisering et forgassingsmiddel med oksygen- eller oksygenatomer, hvorved råstoffet ytterligere oksyderes og hovedsakelig dannes gassprodukter. Gasser produseres også under pyrolyse, men målet er flytende eller faste produkter.

historie

Tre tjære og tonehøyde oppnådd ved pyrolyse er den eldste plasten kjent for mennesker. Utvinning av tjære og bek ( bjørkekvae ) ved pyrolyse var kjent allerede i den europeiske Mesolittisk (8300 til 4000 BC ). Dette ble spesielt brukt som lim og for tetting. Bjørkekvae ble også brukt til å lime de piler den såkalte Ötzi . Fra 1700-tallet og utover ble det også laget tjærer av forskjellige andre råvarer , f.eks. B. fra kull .

Produksjonen av kull ved hjelp av pyrolyse har også vært kjent i flere århundrer.

For tiden blir pyrolyse undersøkt videre, spesielt som et middel til energisk og materiell bruk av fornybare råvarer.

Kjemi av pyrolyse

Den pyrolytiske nedbrytningen er en fase i løpet av en termokjemisk omdannelse av et stoff eller en blanding av stoffer, som avhengig av stoffet oppnås ved rundt 150–700 ° C. Varmen bryter bindinger i de store organisk-kjemiske molekylene og skaper nye, mindre molekyler. Nedbrytning av stoffet kan sees visuelt. Siden det ikke er noe eksternt oksygen tilstede, er det ingen forbrenning og ingen oksidasjon. Likevel kan reaksjoner som involverer oksygenatomer finne sted hvis disse allerede er tilstede i utgangsmaterialet. Pyrolytisk nedbrytning er en endoterm prosess.

Produkter

Kull som et pyrolyseprodukt

Under pyrolyse dannes komplekse produktblandinger fra faste (f.eks. Trekull ), flytende ( pyrolyseolje ) og gassformige ( pyrolysegass ) produkter, de nøyaktige proporsjonene avhengig av de spesifikke forholdene og utgangsmaterialet. I utgangspunktet kan det sies at jo høyere temperatur og jo lengre pyrolysetid, mer gassformige produkter oppnås, og jo lavere temperatur og jo kortere tid, mer flytende produkter. Når polymerer pyrolyseres, blir de tilsvarende monomerene ofte produsert som et produkt.

Produktene kan brukes energisk som en sekundær energibærer, ettersom de har høyt energiinnhold, og kan også brukes videre som materiale ved å ekstrahere individuelle kjemikalier fra dem. Pyrolysen av biomasse er en mulighet til å produsere organiske basiske kjemikalier som benzen eller fenolbiobasert , som for tiden bare produseres fra fossile kilder.

Tekniske pyrolyse varianter

Pyrolysesystemer er differensiert etter type oppvarming. Ved direkte pyrolyse føres varme gasser over substratet, mens reaksjonen ved indirekte pyrolyse blir varmet opp fra utsiden.

Det er også mange andre differensierings- og klassifiseringsalternativer, for eksempel i henhold til underlag, liggetid eller temperatur.

En ofte valgt klassifisering, spesielt i pyrolyse av biomasse, er klassifiseringen i henhold til reaksjonens varighet. Ofte i langsom pyrolyse (Engl. Er langsom pyrolyse ), medium hastighet (Engl. Midtliggende pyrolyse og rask pyrolyse) (Engl. Nesten pyrolyse eller flashpyrolyse ) delt, men det er også grovere eller finere underavdelinger.

Oversikt over forskjellige typer biomasse pyrolyse med typiske verdier
Type pyrolyse Temperatur [° C] Lengden på oppholdet Oppvarmingshastighet Andel faste produkter [%] Andel flytende produkter [%] Andel gassprodukter [%]
Rask pyrolyse ≈ 500 <2-3 s høy ≈ 12 ≈ 70 ≈ 13
Medium hastighet pyrolyse ≈ 500 10-30 s middels til høy ≈ 25 ≈ 50 ≈ 25
Langsom pyrolyse
karbonisering ≈ 400 h - d lav ≈ 35 ≈ 30 ≈ 35
Torrefaksjon ≈ 250 10-60 min lav ≈ 80 ≈ 5 ≈ 20

Rask pyrolyse

Denne prosessen har blitt forsket intenst siden 1990-tallet og er rettet mot produksjon av flytende pyrolyseolje . Det er forskjellige typer systemer, men det som alle har til felles er at prosessen er delt inn i tre deler. Først må biomassen tilberedes, f.eks. B. ved tørking og mekanisk knusing. Dette etterfølges av kort pyrolytisk nedbrytning ved 500 ° C. Produktet blir deretter kondensert og renset og om nødvendig ytterligere raffinert. Prosessenergien kan dekkes delvis ved forbrenning av uønskede faste og gassformige reaksjonsprodukter.

For å oppnå så mye pyrolyseolje som mulig er det viktig at biomassepartiklene blir varmet opp veldig raskt og deretter avkjøles igjen veldig raskt. Dette går hånd i hånd med helt spesielle tekniske systemer. I tillegg må biomassepartiklene være tilstrekkelig små for dette.

Medium hastighet pyrolyse

Den middels raske pyrolysen finner sted ved ca. 500 ° C. Pyrolysemassen varmes opp middels raskt og i ca. 10 til 30 sekunder. Denne formen for pyrolyse er foreløpig fortsatt i pilotfasen.

Langsom pyrolyse

Målet med langsom pyrolyse er produksjon av faste sekundære energikilder. Det kan videre deles inn i forkulling og torrefaksjon.

karbonisering

Forkulling eller karbonisering (fullstendig langsom pyrolyse) har vært kjent som en metode for å lage kull i årtusener og utføres fortsatt kommersielt den dag i dag.

Torrefaksjon

Anvendelser av teknisk pyrolyse

Pyrolyse av fornybare råvarer

Pyrolyseprosesser er klassifisert som lovende teknologier for å kunne bruke fornybare råvarer - spesielt de som er basert på lignocellulose - og for å fortrenge fossile brensler, og det er derfor det har blitt utført massiv forskning på dem i lang tid. Prosessene er imidlertid foreløpig ikke økonomiske og økonomiske av stor betydning. Pyrolysen av biomasse er et trinn i produksjonen av et bredt utvalg av biodrivstoff og plattformkjemikalier .

Den pyrolytiske produksjonen av produkter gir et stort potensial for reduksjon av klimagasser sammenlignet med konvensjonell fossilbasert produksjon. Den nøyaktige balansen avhenger spesielt av bruken av pyrolyseproduktene og typen biomasse.

Pyrolysen av biomasse i form av pyrogen CO 2 separasjon og lagring (PyCCS) blir også sett på som et middel for CO 2 fiksering.

Pyrolyse av avfall

Pyrolyse er et viktig alternativ til forbrenning for gjenvinning av avfall som gamle dekk, trevirke eller plast. Mange slike systemer drives i Asia, spesielt Japan, og har også blitt testet i Tyskland. For Tyskland vurderer Federal Environment Agency avfallspyrolyse ganske kritisk og anser høyst pyrolytisk forbehandling av avfall som fornuftig under visse omstendigheter.

I tillegg kan pyrolyse også brukes som en termisk metode for jordsanering i jord med forurensning av olje, kvikksølv og dioksin.

Aktivert karbonproduksjon og regenerering

Etter at kull og bindemiddel er blitt blandet til en definert masse, presses og oppvarmes pellets i en oksygenfri atmosfære.

Forbruket, d. H. Aktivt kull som er forurenset med forurensningen blir oppvarmet i en oksygenfri atmosfære, og forurensningene blir utvist ved temperaturer rundt 800 ° C og også delvis sprukket.

Resirkulering av plast

For plastgjenvinning brukes en pyrolyse med fluidisert seng etter den såkalte hamburgermetoden .

Andre pyrolyseprosesser og anvendelsesområder

Tekniske problemer

Hvis for eksempel oksygen suges inn gjennom defekte tetninger, kan det dannes en eksplosiv blanding hvis temperaturen er for lav. Fra ca. 450 ° C er dette ikke lenger mulig fordi oksygen reagerer umiddelbart med det brennbare reaktorinnholdet (gass, karbon) i form av delvis forbrenning.

Et annet problem er at gassformige produkter (f.eks. Tjæreolje ) kondenserer på kuldebroer og deretter kan dryppe ut av lekkasjer.

weblenker

Wiktionary: Pyrolyse  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

Individuelle bevis

  1. ^ Wilhelm Gemoll : Gresk-tysk skole- og håndbok . München / Wien 1965.
  2. ↑ a b c d e f g h i j Holger Watter: Sustainable Energy Systems - Basics, System Technology and Application Eksempler . 1. utgave. Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8348-0742-7 , 7. biomasse, s. 136-186 ( google.de ).
  3. ^ A b c Veronika Wilk, Hermann Hofbauer, Martin Kaltschmitt: Termo-kjemiske konverteringsprosesser . I: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (red.): Energi fra biomasse - grunnleggende, teknikker og prosesser . 3. oppdatert og utvidet utgave. Springer Vieweg, Berlin 2016, ISBN 978-3-662-47437-2 , 11.2, pp. 646-683 .
  4. ↑ Oppføring ved pyrolyse. I: Römpp Online . Georg Thieme Verlag, åpnet 5. november 2019.
  5. ↑ a b c d e f g h i Hermann Hofbauer, Martin Kaltschmitt, Frerich Keil, Dietrich Meier, Johannes Welling: Pyrolyse . I: Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer (red.): Energi fra biomasse - grunnleggende, teknikker og prosesser . 3. oppdatert og utvidet utgave. Springer Vieweg, Berlin 2016, ISBN 978-3-662-47437-2 , kap. 14 , s. 1183-1266 .
  6. ^ A b c d Tony Bridgwater: Review Biomass for energy . I: Journal of the Science of Food and Agriculture . teip 86 , 2006, s. 1755-1768 , doi : 10.1002 / jsfa.2605 .
  7. ↑ Chunbao Xu, Fatemeh Ferdosian: Konvertering av lignin til biobaserte kjemikalier og materialer . Springer, Berlin 2017, ISBN 978-3-662-54957-5 , pp. 13-33 .
  8. ↑ Patent US9453166B2 : Systemer og prosesser for katalytisk pyrolyse av biomasse og hydrokarbonholdige materialer for fremstilling av aromater med valgfri olefinresirkulering, og katalysatorer som har valgt partikkelstørrelse for katalytisk pyrolyse. Arkivert 29. september 2015 , publisert 27. september 2016 , søker: University of Massachusetts, oppfinner: George H. Huber, Anne Mae Gaffney, Jungho Jae, Yu-Ting Cheng. ‌
  9. ↑ a b c Poritosh Roy, Goretty Diaz: Utsikter for pyrolyseteknologier i bioenergisektoren: En gjennomgang . I: Fornybar og bærekraftig energi omtaler . teip 77 , 2017, s. 59-69 , doi : 10.1016 / j.rser.2017.03.136 .
  10. ↑ Constanze Werner, Hans-Peter Schmidt, Dieter Gerten, Wolfgang Lucht , Claudia Kammann : Biogeochemical potential of biomass pyrolysis systems for limiting global warming to 1.5 ° C. Environmental Research Letters , 13 (4), 2018, 044036. doi: 10.1088 / 1748-9326 / aabb0e
  11. ↑ Karl J. Thomé-Kozmiensky, Norbert Amsoneit, Manfred Baerns, Frank Majunke: Avfall; 6. behandling . I: Ullmann's Encyclopedia of industriell kjemi . Wiley-VCH, Weinheim 2012, s. 481-540 , doi : 10.1002 / 14356007.o28_o06 .
  12. ↑ pyrolyse planter. No-Waste-Technology GmbH, åpnet 7. november 2019 .
  13. Quick Peter Quicker, Yves Noël: Toppmoderne teknikker til alternative metoder for termisk avhending av avfall . I: Umweltbundesamt (Red.): Tekster . teip 17 , 2017, s. 1–201 .
  14. ↑ Markus Gleis: Pyrolyse og forgassning . Red.: Karl J. Thomé-Kozmiensky, Michael Beckmann (=  energi fra avfall . Volum 8 ). TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky, Neuruppin 2011, ISBN 978-3-935317-60-3 , s. 437-465 ( vivis.de ).