DE102019120641A1

DE102019120641A1 - Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus Abfällen

Info

Publication number: DE102019120641A1
Application number: DE102019120641.3A
Authority: DE
Inventors: Josua Vieten; Martin Roeb
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2021-02-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus Abfällen, dadurch gekennzeichnet, dass man Zunächst gegebenenfalls vorhandene anorganische Bestandteile aus den Abfällen aussortiert, und die verbleibenden organischen Bestandteile thermisch verwertet, so dass CO und H2entstehen, wobei mittels wenigstens eines Metalloxids das Verhältnis von CO und H2kontrolliert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus Abfällen. Dabei kann durch ein Metalloxid das Verhältnis von CO und Wasserstoff kontrolliert werden, wodurch ein Synthesegas erhalten wird, welches bei der Herstellung von unterschiedlichen Kohlenwasserstoffen eingesetzt werden kann.
Heutzutage werden Abfälle entweder dem Recycling zugeführt oder verbrannt. Dies erfolgt sowohl bei gemischten Haushalts- und gewerblichen Abfällen aber auch bei Plastikabfällen. Das Recycling hat den Nachteil, dass die einzelnen Stoffe aufwändig voneinander getrennt werden müssen und dass ein signifikanter Anteil nicht verwertbarer Reststoffe übrigbleibt. Die thermische Verwertung ist nicht nachhaltig, da so die Kohlenwasserstoffe als Rohstoff verloren gehen und CO₂ entsteht.
Typischerweise bestehen Plastikabfälle, wie sie zum Beispiel in Haushalten anfallen, vor allem aus Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Polystyrol (PS) und Polyethylenterephthalat (PET). Darüber hinaus sind halogenierte und insbesondere chlorierte Kohlenwasserstoffe, beispielsweise in Form von Polyvinylchlorid (PVC) enthalten, deren Verbrennung je nach Temperatur Dioxine, Chlorwasserstoff oder sogar Phosgen erzeugt.
Neben der Verbrennung ist auch die Pyrolyse von Abfällen möglich, welche je nach Temperatur zur Bildung von paraffinartigen Ölen, einfachen Kohlenwasserstoffen wie Methan, Wasserstoff oder Kohlenstoff und eher kleineren Mengen Kohlenstoffmonooxid führt. Bei der Pyrolyse werden die Abfälle thermisch in Abwesenheit von Sauerstoff zersetzt.
Haushaltsabfälle oder gewerbliche Abfälle enthalten neben Kunststoffabfällen eine Vielzahl an weiteren Stoffen, wie zum Beispiel Lebensmittel und Gartenabfälle, aber auch anorganische Stoffe wie Metalle und Glas. Bei der Pyrolyse oder Verbrennung des Abfalls bleiben die anorganischen Stoffe (Metalle, Glas, Keramiken etc.) in fester Form zurück und werden in der Regel einer Mülldeponie zugeführt.
Während die thermische Verwertung von Abfällen die Gewinnung von elektrischem Strom ermöglicht, wird für das Recycling Energie benötigt. Allerdings werden die Rohstoffe beim Recycling einer weiteren Verwendung zugeführt.
Das Recycling von Abfällen erfordert eine aufwändige Trennung insbesondere unter Mitwirkung aller Beteiligten. Die Trennung bereits gemischter Abfälle ist sehr aufwändig. Selbst bei vorsortierten Kunststoffabfällen bleibt in der Regel ein gewisser Anteil an nicht trennbaren Reststoffen zurück, welcher thermisch verwertet wird. Die thermische Verwertung ist jedoch nicht nachhaltig, da Rohstoffe verloren gehen und zudem CO₂ als Abfallprodukt in die Atmosphäre entlassen wird. Zudem ist die Qualität der durch Recycling erzeugten Kunststoffe durch Verunreinigungen und unvollständige Trennung der Abfallstoffe oft niedriger als die Qualität von direkt aus Erdöl hergestellten Produkten, weswegen die Nachfrage nach entsprechenden Produkten eher als gering anzusehen ist.
Es besteht daher Bedarf an einem Verfahren, mit welchem Kunststoffabfälle aber auch gemischte Abfälle verwertet werden können. Der Energiebedarf soll möglichst gering sein und der Prozess soll auch die Einbindung erneuerbarer Energiequellen erleichtern. Gleichzeitig soll die Bildung von CO₂ möglichst geringgehalten oder sogar vermieden werden. Zudem ist es wünschenswert, dass die aus den Abfällen erhaltenen Komponenten einer weiteren Verwendung zugeführt werden können.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass mithilfe eines Metalloxids eine partielle Oxidation von Abfällen bei einer thermischen Verwertung ermöglicht wird, sodass CO und H₂ in relevanten Mengen entstehen. Das Verhältnis zwischen CO und H₂ wird dabei durch das Metalloxid beeinflusst. In einer 1. Ausführungsform wird daher die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus Abfällen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man zunächst gegebenenfalls vorhandene anorganische Bestandteile aus den Abfällen aussortiert, die verbleibenden organischen Bestandteile thermisch verwertet, sodass CO und H₂ entstehen, wobei mittels wenigstens eines Metalloxids das Verhältnis von CO und H₂ eingestellt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine Art Recycling auch von nicht sortenrein sortierten Abfällen und ermöglicht die Gewinnung von Synthesegas und damit beliebiger Kohlenwasserstoffe aus gemischten organischen Abfällen. Organische Abfälle im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle Arten von Abfall, die Kohlenwasserstoffe enthalten. Anorganische Abfälle wie Metalle, Glas und Keramiken können mit dem vorliegenden Verfahren nicht behandelt werden, da diese nicht zu Kohlenmonoxid und Wasserstoff oxidiert werden können. Abfälle im Sinne der vorliegenden Erfindung sind somit Haushaltsabfälle, gewerbliche Abfälle und insbesondere Plastikabfälle. Organische Verbindungen in diesen Abfällen sind Bestandteile, die Kohlenwasserstoffe aufweisen. Besonders bevorzugte Abfälle im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Kunststoffabfälle.
Durch die Anwesenheit des Metalloxids wird eine partielle Oxidation der organischen Bestandteile der Abfälle ermöglicht. Während bei der Thermolyse eine vollständige Oxidation der Abfälle zu CO₂ erfolgt, wird diese mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden. Es entsteht somit kein CO₂, welches aus den Abfallbestandteilen entsteht. Zudem kann die Bildung von giftigen und gefährlichen Gasen, wie zum Beispiel Blausäure oder Dioxine, die bei der Pyrolyse entstehen, aufgrund der Anwesenheit des Metalloxids weitestgehend vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen von Abfällen,
b) ggf. Abtrennen anorganischer Bestandteile aus den Abfällen,
c) in Kontakt bringen der Abfälle mit wenigstens einem Metalloxid,
d) Erhitzen des Abfall-Metalloxidgemisches auf eine Temperatur von 500 °C oder mehr, wodurch eine partielle Oxidation des Abfalls erfolgt und CO und H₂ gebildet werden, und das Metalloxid reduziert wird.
e) ggf. Aufreinigung und Abtrennung von CO und H₂.

In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen von Abfällen,
b) ggf. Abtrennen anorganischer Bestandteile aus den Abfällen,
c) Erhitzen des Abfalls auf eine Temperatur von 500 °C oder mehr, wodurch Pyrolysegase wie Methan und H₂ entstehen,
d) in Kontakt bringen der entstehenden Pyrolysegase Methan und H₂ mit einem Metalloxid, wodurch CO und H₂ entstehen, und das Metalloxid reduziert wird,
e) ggf. Aufreinigung und Abtrennung von CO und H₂.

Erfindungsgemäß ist es möglich, zunächst die Abfälle mit dem wenigstens einen Metalloxid in Kontakt zu bringen und die Mischung aus Metalloxid und Abfall zu erhitzen. Es ist jedoch auch möglich, zunächst den Abfall mittels Pyrolyse zu behandeln und die entstehenden Gase mit dem wenigstens einen Metalloxid in Kontakt zu bringen, wodurch der CO Anteil im Pyrolysegas erhöht wird. Durch die Reaktion in Anwesenheit des Metalloxids erfolgt eine partielle Oxidation der Abfälle, wodurch CO und H₂ entstehen. Eine Gasmischung, welche CO und H₂ umfasst, wird üblicherweise als Synthesegas bezeichnet. Gleichzeitig wird das wenigstens eine Metalloxid reduziert. Üblicherweise erfolgt die Reduktion bis hin zum reinen Metall. Es ist jedoch auch möglich, dass das Metalloxid nicht zum elementaren Metall sondern zu einem Oxid in einer anderen Oxidationsstufe reduziert wird.
Während im Stand der Technik die Pyrolyse von Abfällen beschrieben ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine partielle Oxidation von Abfällen. Hierdurch ist der Anteil an CO im Synthesegas höher im Vergleich zu bisher bekannten Verfahren. Die Bildung von Rückständen wie Teer und Ruß ist deutlich reduziert, ebenso wie die Bildung giftiger Nebenprodukte wie beispielsweise Blausäure oder Dioxine. Durch die Kombination von Pyrolyse und partieller Oxidation kann über die Kontrolle des Verhältnisses zwischen Metalloxid und Kohlenwasserstoffen in den Abfällen das Verhältnis zwischen CO und H₂ gebildeten Synthesegas eingestellt werden, sodass dann in einem weiteren Schritt die Herstellung verschiedener synthetischer Kohlenwasserstoffe aus dem Synthesegas möglich ist.
Daher umfasst das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform weiterhin den Schritt/die Schritte:

g) Speicherung des in Schritt e) gebildeten Synthesegases und/oder
h) Synthese von Kohlenwasserstoffen aus dem Synthesegas.

Das bei der partiellen Oxidation erhaltene Synthesegas wird in einer bevorzugten Ausführungsform zur Synthese von Kohlenwasserstoffen aus dem Synthesegas eingesetzt. Dabei ist es möglich, das Synthesegas unmittelbar nach der partiellen Oxidation der Abfälle beispielsweise in einem Fischer-Tropsch-Verfahren umzusetzen. Es ist jedoch auch möglich, das Synthesegas zu speichern. Die Speicherung des Synthesegases ist insbesondere dann bevorzugt, wenn die Synthese von Kohlenwasserstoffen von der Verwertung der Abfälle zeitlich und/oder räumlich entkoppelt sein soll.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die für das erfindungsgemäße Verfahren notwendige Energie mittels regenerativer Energien gewonnen, insbesondere mittels Windenergie, Wasserenergie und/oder Solarenergie.
Besonders bevorzugt wird die Energie mittels Solarenergie und vorzugsweise mittels konzentrierter Solarstrahlung bereitgestellt.
Insbesondere in diesen Fällen ist die Speicherung des in Schritt d) gebildeten Synthesegases von Vorteil. Hierdurch kann die Synthese von Kohlenwasserstoffen zeitlich unabhängig von der Verwertung der Abfälle erfolgen. Insbesondere bei der Verwendung von Solarenergie und insbesondere konzentrierter Solarstrahlung kann so eine von der Solarstrahlung unabhängige Synthese von Kohlenwasserstoffen erfolgen.
Bei der Synthese von Kohlenwasserstoffen in einem Fischer-Tropsch-Verfahren wird üblicherweise Energie frei, da das Verfahren exotherm abläuft. Diese freiwerdende Energie kann in einer bevorzugten Ausführungsform zur Stromerzeugung genutzt werden. Koppelt man die Stromerzeugung an die freiwerdende Energie bei der Herstellung der Kohlenwasserstoff, so ermöglicht die Speicherung des Synthesegases die Stromgewinnung unabhängig vom Sonnenschein.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit nicht nur eine einfache Verwertung von Abfällen, über welche die Bildung von CO₂ reduziert und insbesondere vermieden wird. Das Verfahren ermöglicht auch die Bildung von Kohlenwasserstoffen und damit Rohstoffen für neue Produkte oder synthetische Kraftstoffe. Zudem kann die Energiegewinnung von regenerativen Energien entkoppelt werden, sodass quasi eine Speicherung regenerativer Energien ermöglicht wird, da das Synthesegas als Energieträger eine Pufferfunktion übernimmt.
Die Abfälle, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwertet werden können, sind vorzugsweise Kunststoffabfälle und/oder feste Haushaltsabfälle. Es können jedoch auch andere gewerbliche Abfälle verwertet werden. Während bei Recyclingverfahren Kompositmaterialien quasi nicht zu verwerten sind, können diese mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Synthesegas umgesetzt werden. Gerade die Wiederverwendung von Kompositmaterialien stellt ein wichtiges Thema bei der Wiederverwendung von Abfällen dar, da klassische Recyclingverfahren hier üblicherweise versagen. Im erfindungsgemäßen Verfahren können solche Kompositmaterialien, wie sie beispielsweise von der Firma Tetrapak als Verpackungsmaterialien für Milch oder andere Getränke verwendet werden, verwertet werden. Aus den entstehenden Gasen CO und H₂ (Synthesegas) können neue Rohstoffe gewonnen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren findet in Anwesenheit wenigstens eines Metalloxids statt. Dabei kann ein einzelnes Metalloxid anwesend sein. Es können auch Mischungen von 2,3, 4 oder mehreren Metalloxiden anwesend sein. Als Metalloxid kommen prinzipiell alle Oxide aller Metalle mit ähnlicher Reduktionsenthalpie wie Kupfer(II)oxid infrage, die edel genug sind, um nicht von Salzsäure angegriffen zu werden, und die keine bei der Betriebstemperatur stabilen Carbonate bilden. Dies dient der Vermeidung der Bildung von Carbonaten und Chloriden als Nebenprodukte. Falls keine chlorierten Kohlenwasserstoffe im Abfall enthalten sind, ist die Beständigkeit gegenüber Salzsäure nicht relevant. Geeignete Metalloxide sind Oxide von Platin, Palladium, Gold, Silber, Nickel und/oder Kupfer. Besonders bevorzugt wird Kupferoxid als Metalloxid eingesetzt. Insbesondere wenn halogenhaltige Verbindungen Bestandteil der Abfälle sind, kann es zur Bildung von Halogenwasserstoffsäuren kommen. Diese greifen einige der Metalloxide, wie beispielsweise Nickeloxid, an. Eine partielle Oxidation ist dann nicht mehr sichergestellt, da Nebenprodukte entstehen. Bei der Verwendung von Kupferoxid ist die Anwesenheit halogenhaltige Bestandteile in den Abfällen im Hinblick auf die partielle Oxidation nicht nachteilig.
Durch die partielle Oxidation wird das Metalloxid reduziert. Die so erhaltene reduzierte Form des Metalloxids, welche beispielsweise in Form des elementaren Metalls vorliegen kann oder aber in einer geringeren Oxidationsstufe als zu Beginn des Verfahrens, kann Re-Oxidiert werden, sodass ein Metalloxid erhalten wird, welches erneut im Verfahren eingesetzt werden kann. Eine solche Re-Oxidation kann beispielsweise mit Luft erfolgen, aber auch in Anwesenheit beliebiger anderer sauerstoffhaltige Gase. Die Re-Oxidation des Metalloxids ist besonders bevorzugt, da hierdurch Energie frei wird, welche beispielsweise zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Es ist auch denkbar, dass die bei der Re-Oxidation freiwerdende Energie genutzt wird, um die Energie, welche zur Initialisierung eines Syntheseprozesses von Kohlenwasserstoffverfahren benötigt wird, bereitzustellen oder um Wasserdampf auf eine höhere Temperatur zu erhitzen. Eine solche bevorzugte Ausführungsform ist in der beigefügten 1 schematisch gezeigt.
Bevorzugt wird der Abfall in einem 1. Schritt getrocknet und zerkleinert. Haushaltsabfälle weisen übrige üblicherweise einen hohen Wasseranteil auf. Die partielle Oxidation des Abfalls ist besonders effektiv, wenn der Restwasseranteil im Abfall möglichst gering ist. Wasser ist im vorliegenden Verfahren störend, da es nicht zur Bildung des Synthesegases beiträgt, sondern im Gegenteil sogar die Bildung von CO zugunsten der Bildung von CO₂ begünstigen kann (Wassergas-Shift-Reaktion). Daher ist es vorteilhaft, wenn der Wasseranteil des Abfalls durch ggf. Vortrocknung reduziert wird. Danach oder davor werden anorganische Bestandteile, wie beispielsweise Metalle, Glas und Keramiken, aus dem Abfall entfernt. Dies kann durch bekannte Verfahren, die beispielsweise magnetische Eigenschaften oder Dichteunterschiede ausnutzen, erfolgen. Die Entfernung anorganischer Bestandteile kann in einer Variante des Prozesses auch nach der Synthesegasherstellung erfolgen, solange sichergestellt ist, dass dieser die chemische Reaktion nicht beeinträchtigt.
In einer Ausführungsform wird der Abfall anschließend mit Kupferoxid bzw. einem anderen geeigneten Metalloxid in Kontakt gebracht. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn Metalloxid und Abfall homogen miteinander vermischt werden. Die Menge an Metalloxid, die für das Verfahren benötigt wird, ist von der Art des Abfalls abhängig. Vorzugsweise liegt das Mischungsverhältnis von Abfall zu Metalloxid, insbesondere von Abfall zu Kupferoxid im Bereich von 1:1 bis 1:5, insbesondere von 1:2 bis 1:4, vorzugsweise von 1:3. Das Mischungsverhältnis ist zum einen von der Art und Zusammensetzung der Abfälle, die behandelt werden, abhängig. Zudem wird durch die Menge an Metalloxid, insbesondere von Kupferoxid, das Verhältnis von Wasserstoff zu CO im Synthesegas eingestellt. Die Zusammensetzung des Synthesegases muss je nach gewünschtem Kohlenwasserstoff-Endprodukt angepasst werden, um so gesättigte oder (in verschiedenem Ausmaß) ungesättigte Kohlenwasserstoffe zu erhalten. Die erfindungsgemäße Verwendung eines Metalloxids erlaubt die Kontrolle über die Zusammensetzung des Synthesegases.
In dieser Ausführungsform wird dann das Abfall-Metalloxid-Gemisch in einem Reaktor erhitzt. Dies erfolgt in Abwesenheit von Sauerstoff, also in einer Art Pyrolyse. Die hier benötigte Wärme kann entweder auf konventionelle Art und Weise erhalten werden. Vorzugsweise wird der Reaktor direkt oder indirekt mit konzentrierter Solarstrahlung beheizt. Die Temperatur liegt vorzugsweise in einem Bereich von 500 °C bis 1200 °C, vorzugsweise von 600 °C bis 1000 °C, insbesondere von 800 °C bis 900 °C. Die Temperaturbehandlung kann dabei bei Umgebungsdruck stattfinden, das bedeutet, dass der Druck im Inneren des Reaktors nicht eingestellt oder manipuliert wird. Drücke im Bereich von 0,001 bar bis 50 bar sind jedoch möglich, ohne dass das erfindungsgemäße Verfahren hierdurch negativ beeinflusst wird.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform wird zunächst der zerkleinerte getrocknete Abfall erwärmt. Dies erfolgt in Abwesenheit von Sauerstoff, also in einer Art Pyrolyse. Die Temperaturen liegen auch hier vorzugsweise in einem Bereich von 500 °C bis 1200 °C, vorzugsweise von 600 °C bis 1000 °C, insbesondere von 800 °C bis 900 °C. Durch diese Pyrolyse entsteht Methan und Wasserstoff. Dieses Pyrolysegas wird dann in einem separaten Reaktor mit dem Metalloxid, insbesondere mit Kupferoxid in Kontakt gebracht, wodurch der Anteil an CO im Synthesegas erhöht wird.
Ungeachtet dessen, ob der Abfall direkt mit dem Metalloxid in Kontakt gebracht wird oder dass in Kontakt bringen erst mit den entstehenden Abgasen erfolgt, folgt in einem nächsten Schritt die Nachbehandlung des gebildeten Synthesegases. Sollten bei dem Verfahren unerwünschte Gase, wie insbesondere Chlorwasserstoff sowie gegebenenfalls Phosphoroxide oder Ammoniak entstehen, so können diese über bekannte Verfahren, wie beispielsweise mit einem Gaswäscher entfernt werden.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, dass das Verhältnis zwischen CO und Wasserstoff im Synthesegas eingestellt wird, indem Wasserstoff hinzugefügt wird, da häufig üblicherweise der Wasserstoffanteil geringer ist, als im Synthesegas notwendig. Auch die Zugabe von Erdgas oder Biogas zur Kontrolle der Synthesegaszusammensetzung ist möglich, da dieses einen recht hohen Anteil gesättigter Kohlenwasserstoffe enthält und so den Wasserstoffanteil des Synthesegases zu erhöhen vermag. Die Umsetzung des Erdgases oder Biogases erfolgt dabei ohne Bildung von CO₂.
Das nun erhaltene Synthesegas kann in einem geeigneten Tank (Puffertank) gespeichert werden. Dies ermöglicht die Entkopplung der Herstellung von Kohlenwasserstoffen von der Solarstrahlung, insbesondere in den Fällen, in denen diese zur Erwärmung des Reaktors zur thermischen Behandlung das Abfalls genutzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird dann die Synthese von Kohlenwasserstoffen aus Synthesegas betrieben. Hierdurch können Monomere von Kunststoffen, Treibstoff oder anderen Petrochemie erhalten werden. Dies kann beispielsweise in einem Fischer-Tropsch-Verfahrens nach dem Stand der Technik erfolgen. Hierbei handelt es sich um einen exothermen Prozess. Zur Abführung der Wärme kann eine Kühlung beispielsweise mit Wasser vorgenommen werden. Das so erwärmte Wasser bzw. der so erhaltene Wasserdampf kann dann genutzt werden um mithilfe einer Dampfturbine Strom zu gewinnen, wie in 1 schematisch dargestellt.
Auch das erfindungsgemäße Verfahren führt dazu, dass Nebenprodukte entstehen. Kohlenstoff, Ruß und Teer können im Straßenbau oder bei der Herstellung höherwertiger Produkte wie Graphit, Aktivkohle oder Carbonfasern verwendet werden.
Das entstehende Metall kann an der Luft oder mit Hilfe einer anderen Sauerstoff enthaltenden Gasatmosphäre wieder oxidiert werden. Auch hierdurch wird Energie frei. Als Nebenprodukt fällt hier weitestgehend sauerstofffreie Luft an, sodass quasi reines Stickstoffgas als Nebenprodukt anfällt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Energie aus der Oxidation des Metalls zu Metalloxid sowie aus dem Fischer-Tropsch-Verfahren genutzt, um elektrischen Strom herzustellen. Besonders bevorzugt ist dabei die Verdampfung von Wasser mithilfe der Abwärme aus dem Herstellungsverfahren von Kohlenwasserstoffen. Beispielsweise kann der Dampf zunächst auf 150-300° C vorgewärmt werden. Die Überhitzung kann dann mithilfe der Abwärme aus der Metalloxidation, insbesondere Kupferoxidation, erfolgen, sodass ein überhitzter Dampf mit einer Temperatur von etwa 400 °C bis 500 °C erhalten werden kann. Dieser Dampf kann dann in eine Turbine mit einem Generator genutzt werden, um elektrischen Strom zu erzeugen.
Wird das aus dem Abfall erhaltene Synthesegas zwischengespeichert, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Entkopplung der Stromherstellung von der aktuellen Sonneneinstrahlung. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt damit ein Beispiel für ein vollständig regenerativen Prozess zur Stromerzeugung ohne CO₂-Emissionen dar, der vollständig regelbar ist - unter der Voraussetzung, dass konzentrierter Solarstrahlung zur Erwärmung des Abfalls genutzt wird.
Wird die Menge an Metalloxid derart gewählt, dass ein Überschuss an Wasserstoff entsteht, so kann ein geschlossener Kreisprozess realisiert werden. Im Folgenden wird die Energiebilanz bei Verwendung von Kupfer/Kupferoxid als Metalloxid am Beispiel von Alkenen C_nH_2n als Bestandteil der Abfälle gezeigt. Ebenso stellen die Alkene C_nH_2n ein gewünschtes Zielprodukt dar. $2 C_{n} H_{2n} + 2 n CuO \to n CO + 2 {n H}_{2} + n C + 2 n Cu (+ 189 kJ/n \cdot mol)$
$2 {n H}_{2} + n C O \to C_{n} H_{2n} + {n H}_{2} O (- 330 kJ/n \cdot mol)$
$2 n Cu + O_{2} \to 2 n CuO (-184 kJ/n \cdot mol)$
Die Entsorgung von Abfall, insbesondere von Kunststoffabfällen ist ein weltweit drängendes Problem, nicht zuletzt auf Grund der Verschmutzung der Weltmeere mit Abfällen. Ein nachhaltiger Prozess zur Abfallentsorgung, welcher CO₂-Emissionen vermeidet und ein Recycling aller organischer Abfälle ermöglicht, ist nicht bekannt. Genau dies ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren. Aufgrund der endlichen Ölvorkommen und wegen des zunehmenden Bedarfs an CO₂-freien Technologien wegen des Klimawandels suchen Unternehmen der Chemieindustrie nach neuartigen Prozessen zur Herstellung von Synthesegas. Gleichzeitig ist die regenerative Stromversorgung unabhängig von der Verfügbarkeit von Sonne und Wind ein zentrales Thema aktueller Forschung und Entwicklung.
Gerade in Schwellenländern ist die Müllentsorgung ein großes Problem (siehe Waste Atlas http://www.atlas.d-waste.com). In Ländern mit geringer Recyclingquote besteht häufig auch das Problem einer nicht fachgerechten Entsorgung. Es ist jedoch so, dass in vielen dieser Länder, der DNI (Direct Normal Irradiation) hoch ist. Als DNI wird die Jahressumme in kWh pro Quadratmeter, die durch Solarstrahlung erzielt werden kann, angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit die Nutzung von Solarenergie zur Wiederverwertung von Abfall, Gewinnung von Rohstoffen bei gleichzeitiger Stromgewinnung, welche unabhängig von der Solareinstrahlung ist.
Das Ergebnis der partiellen Oxidation von Kunststoffmüll und Haushaltsabfällen wurde simuliert.
Die Zusammensetzung von Kunststoffabfällen wurde der Literatur entnommen (40 wt% Polypropylen, 35 w% Polyethylen, 19 w% Polystyrol, 5 w% Polyethylenterephathalat, 1 w% Polyvinylchlorid nach Czajczyńska, D., et al., Potential of pyrolysis processes in the waste management sector. Thermal Science and Engineering Progress, 2017. 3: p. 171-197; Adrados, A., et al., Pyrolysis of plastic packaging waste: A comparison of plastic residuals from material recovery facilities with simulated plastic waste. Waste Management, 2012. 32(5): p. 826-832).
Zur thermodynamischen Berechnung werden diese Kunststoffe durch ihre Monomere dargestellt. Es wird getrockneter (also wasserfreier) Abfall angenommen. Aus den oben erwähnten Überlegungen ergibt sich die folgende Zusammensetzung des Abfalls in der Modellrechnung:

Anteil (mol%) Kunststoffabfall

Ethen 51.13 %

Propen 38.95 %

Styrol 7.47 %

Ethylenglykol 0.90 %

Terephthalsäure 0.90 %

Vinylchlorid 0.66%
Im Folgenden wurde die Zusammensetzung des Produktstroms mit Hilfe von Kupfer(II)-oxid so optimiert werden, dass bei der Verwertung von Kunststoffabfällen ein CO:H₂-Verhätnis von 1:2 entsteht zur Anwendung in der Fischer-Tropsch-Synthese von Alkenen.

Daraus ergibt sich ein Mischungsverhältnis von Abfall zu CuO von 24.8 w% : 75.2 w%. In der Produktmischung entsteht dann bei Reaktion unter den gleichen Bedingungen gemäß Simulation die folgende Mischung als Produkt:

Partielle Oxidation von Kunststoffa bfall, 900 °C, 1 bar.
		Molarer	Anteil
Kohlenstoff	C (s)	23.28	%

Kupfer	Cu(s)	22.46	%
Wasserstoff	H₂	35.39	%
Kohlenstoffmonoxid	CO	17.74	%
Wasser	H₂O	0.47	%
Methan	CH₄	0.45	%
Stickstoff	N₂	0	ppm
Kohlenstoffdioxid	CO₂	0.17	%
Phosphortrioxid	P₄O₆	0	ppm
Chlorwasserstoff	HCl	0.09	%
Ammoniak	NH₃	0	ppm
Cyanwasserstoff	HCN	0	ppm
Ethen	C₂H₄	0.3	ppm
Ethan	C₂H₆	0	ppm

Interessanterweise entsteht bei der partiellen Oxidation von Hausabfall unter Verwendung von Kupfer(II)-oxid bei 1 bar unabhängig von der Temperatur eine deutlich geringer Konzentration an gefährlichen Gasen wie Blausäure und Diphosphor. Bei Verwendung von Hausabfall entsteht entsprechend mehr Kohlenstoffmonoxid. Hier kann durch Anpassen des Mischungsverhältnisses zwischen Kupfer(II)-oxid und Abfall die Zusammensetzung des Produktgasstroms entsprechend angepasst werden.
Der Wasserstoffanteil kann auch durch Zugabe von Erdgas bzw. Methan erhöht werden - der hier gezeigte Prozess ist also eine Möglichkeit, Erdgas klimafreundlich in einem exothermen Prozess zu oxidieren, ohne dass CO₂ frei wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Czajczyńska, D., et al., Potential of pyrolysis processes in the waste management sector. Thermal Science and Engineering Progress, 2017. 3: p. 171-197 [0043]
Adrados, A., et al., Pyrolysis of plastic packaging waste: A comparison of plastic residuals from material recovery facilities with simulated plastic waste. Waste Management, 2012. 32(5): p. 826-832) [0043]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Synthesegas aus Abfällen, dadurch gekennzeichnet, dass man Zunächst gegebenenfalls vorhandene anorganische Bestandteile aus den Abfällen aussortiert, und die verbleibenden organischen Bestandteile thermisch verwertet, so dass CO und H₂ entstehen, wobei mittels wenigstens eines Metalloxids das Verhältnis von CO und H₂ kontrolliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen von Abfällen, b) ggf. Abtrennen anorganischer Bestandteile aus den Abfällen, c) in Kontakt bringen der Abfälle mit wenigstens einem Metalloxid, d) Erhitzen des Abfall-Metalloxidgemisches auf eine Temperatur von 500 °C oder mehr, wodurch eine partielle Oxidation des Abfalls erfolgt und CO und H₂ gebildet werden, und das Metalloxid reduziert wird. e) ggf. Aufreinigung und Abtrennung von CO und H₂.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen von Abfällen, b) ggf. Abtrennen anorganischer Bestandteile aus den Abfällen, c) Erhitzen des Abfalls auf eine Temperatur von 500 °C oder mehr, wodurch Methan und H₂ entstehen, d) in Kontakt bringen der entstehenden Pyrolysegase Methan und H₂ mit einem Metalloxid, wodurch CO und H₂ entstehen, und das Metalloxid reduziert wird, e) ggf. Aufreinigung und Abtrennung von CO und H₂.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfälle feste Haushaltsabfälle, Kunststoffabfälle und/oder Kompositmaterialien umfassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metalloxid ausgewählt ist auch Pt, Pd, Au, Ag, Ni und/oder Cu, insbesondere Cu.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die für das Verfahren benötigte Energie mittel konzentrierter Solarstrahlung bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, weiterhin umfassend f) Re-Oxidation des reduzierten Metalloxids, so dass ein Metalloxid erhalten wird, welches erneut im Verfahren eingesetzt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, weiterhin umfassend g) Speicherung des in Schritt e) gebildeten Synthesegases und/oder h) Synthese von Kohlenwasserstoffen aus dem Synthesegas.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die in Schritt f) und ggf. Schritt h) freiwerdende Energie zur Stromerzeugung nutzt.