AP 4 Verwendung der anorganischen Fraktion

In diesem Arbeitspaket wurde das Potenzial zur Aufwertung der anorganischen Fraktion mittels biologischer, physikalischer und chemischer Techniken zu einem Produkt mit Mehrwertschöpfung untersucht. Die anorganische Fraktion besteht aus Asche und Sand. Die Asche stammt aus der Biomasse und der Sand aus dem Pyrolyseverfahren. AP 4 wurde unter der Leitung der Saxion Hogescholen durchgeführt.

Die Pyrolyse hochwertiger holziger Biomasse ergibt einen anorganischen Gehalt von 0,4–1,0 wt% oder weniger. Im Rahmen dieses Forschungsschrittes wird geprüft, ob minderwertige Biomasseströme für die Pyrolyse verwendet werden können. Die Menge der anorganischen Fraktion kann auf die Art auf 40-50% steigen, wenn beispielsweise getrocknete Gärreste verwendet werden. Bei einem so hohen Prozentsatz ist es erforderlich, zusätzlich zum Pyrolyseöl auch die anorganische Fraktion als vollwertiges Produkt abzusetzen. Das Hauptaugenmerk bei der Verarbeitung der anorganischen Fraktion liegt auf den Schwermetallen. Abhängig vom Ausgangsprodukt können diese mehr oder weniger vorhanden sein und sich negativ auf die Umwelt auswirken und damit können die Anwendungsmöglichkeiten begrenzt sein.So ist Holzasche von Verbrennungsprozessen, zum Beispiel vom Gesetzgeber nicht als vollwertiger Düngestoff anerkannt.

Abbildung 1: In der Studie wurden drei Ascheproben überprüft. Die unterschiedlichen Farben zeigen eine jeweilige unterschiedliche Zusammensetzung.

Die verschiedenen minderwertigen Biomasseströme liefern verschiedene Aschezusammensetzungen (Abbildung 1). Die Zusammensetzung der Verbrennungsaschen ist theoretisch für die Verwendung als Bodendünger/künstliches Düngemittel (wie beispielsweise nach einem Waldbrand) geeignet. Die Asche von minderwertigen Biomasserohstoffen, auf die sich das Projekt konzentriert, wird aller Wahrscheinlichkeit nach signifikante Mengen an Natrium, Phosphor, Kalium usw. enthalten. Wegen der hohen Temperaturen, die während der Behandlung und Pyrolyse erreicht werden, kommt Ammoniak nicht mehr in der Asche vor. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass das vorhandene Calcium und Magnesium nützlich sind, um den pH-Wert des Bodens konstant zu halten. Die beiden letzteren Elemente sind ebenfalls in der Asche vorhanden. Nachfolgend sind die nächsten Forschungsschritte beschrieben: Zunächst wurde die Zusammensetzung der verschiedenen Arten von Asche bestimmt, dann das Ergebnis verschiedener Separationstechnologien und letztlich eine bestimmte Alternative zur Problemlösung der Aufbereitung der Asche aufgezeigt.

Zusammensetzung der Asche

Asche besteht im Wesentlichen aus mehreren Elementen, von denen Calcium, Kalium, Natrium, Magnesium und Chlor die wichtigsten sind. Die Prozentsätze dieser Elemente in den verschiedenen Fraktionen der Asche können aufgrund der Verwendung verschiedener Biomasseströme, der Pyrolyseprozessdurchführung (z.B. Boden- oder Flugasche) und der Menge an zugefügtem Sand aus dem Pyrolyseprozess beträchtlich variieren. Neben diesen Elementen wurden auch Schwermetalle in der Asche gefunden. Diese Schwermetalle ergeben den negativen Wert der Asche, da sie giftig sein können. Es ist auch deutlich geworden, dass diese Elemente einschließlich der Schwermetalle in unterschiedlichen Zusammensetzungen in der Asche vorhanden sein können. Eine Übersicht einer typischen Zusammensetzung von Asche ist unten dargestellt.

Abbildung 2: Eine typische Zusammensetzung von Asche. Das Verhältnis kann durch die Menge an Sand variieren. Indikation: weniger als 0,1% wird für die Elemente Kupfer, Nickel, Cadmium usw. er-mittelt.

Darüber hinaus wurde die Zusammensetzung der Asche, unter anderem mit dem Rasterelektronenmikroskop (SEM) und mit Röntgenstrahlung (XRD), hinsichtlich ihrer Form und Struktur ermittelt. Aus der Analyse des SEM wird ersichtlich, dass die Partikelgröße (Abbildung 3) variiert. Außerdem zeigt die REM-Aufnahme, dass die Partikel in der Zusammensetzung variieren: Das heißt auf der Mikroebene ist die Asche eine heterogene Mischung. Dieser Verdacht wird durch die XRD-Analyse bestätigt, welche zeigt, dass das Aschegemisch teilweise aus kleinen Kristallen besteht. Möglicherweise ist es daher möglich, Partikel nach Dichte und Größe zu trennen, um so auch die Elemente voneinander trennen zu können. Im Idealfall können die Schwermetalle entfernt werden und die verbleibende Asche kann auf die Biomasse als Düngemittel zurückgeführt werden, wodurch ein Kreislauf entstehen könnte.

Abbildung 3: REM-Aufnahme der Asche. Die Maßeinheit ist einen halben Millimeter lang. Partikel # 1 besteht hauptsächlich aus CaO, # 2 aus einer Vielzahl von Elementen, # 3 insbesondere aus CaO, # 5 hauptsächlich aus SiO (Sand). Partikel # 4 besteht hauptsächlich aus Kohlenstoff, was ver-mutlich aus dem Verfahren von SEM herrührt.

Die Aufbereitung der Asche
Während der Studie wurde nach einer einfa-chen und kostengünstigen Verfahrensweise der Ascheaufbereitung gesucht. Diese Schrit-te basieren auf einem einfachen Prinzip und geringen Investitions-, Energie- und Chemi-kalienkosten. Die im Folgenden beschriebe-nen Techniken wurden angewandt:
(1) Die Trennung nach Größe durch Sie-bung erbrachte nicht die gewünschte Wirkung, die Zusammensetzung der Elemente in den verschiedenen Frakti-onen änderte sich nicht.
(2) Die Gewinnung von magnetischen Eisenteilchen aus der Asche war zwar möglich, allerdings ist der Anteil von Ei-sen sehr klein und darüber wiesen die-se Partikel auch Verunreinigungen auf, wodurch es wirtschaftlich nicht attraktiv erscheint, die Asche magnetisch zu reinigen.
(3) Die Trennung von elektrostatischer Ladung ergab geladene und ungeladene Teilchen, aber keine Trennung der Ele-mente.
(4) Das Absinken von Partikeln in Wasser brachte keine signifikante Trennung der Elemente.
(5) Filtrationsexperimente wurden umfangreich untersucht, die Variationen von Temperatur und pH-Wert bieten vielfältige Möglichkeiten.

Abbildung 5: Beispiel für ein Filtrationsexperiment: Pyrolyse-Asche wird mit entmineralisiertem Was-ser gemischt. Schließlich wird diese Lösung durch einen Filter geleitet, wobei die unlöslichen Teilchen in dem Filter (als Rückstand) zurückbleiben. Auf der rechten Seite ist das Ergebnis eines Filtrations-schritts. Die größere weiße Flasche enthält Kalium, Chlorid, Natrium und getrocknetes Filtrat. Der rechte Behälter enthält den Rückstand.

Ein großer Teil der Asche, wie die Elemente Kalium, Natrium und Kalzium, ist in Wasser löslich. Daher wurden verschiedene Filtrationstechniken bei verschiedenen pH-Werten und Temperaturen (Abbildungen 5 und 6) durchgeführt. Die Filtrationstests zeigen, dass es möglich ist, den Großteil von Kalium, Chlor, Schwefel und teilweise Calcium aus der Asche zu filtern. Durch die Steuerung der Temperatur und des pH-Werts kann die Men-ge an Calcium im Filtrat beeinflusst werden. Wenn ein großer Teil dieses Calciums im Fil-trat endet, dann ist das Endprodukt schließ-lich gut geeignet für die Landwirtschaft. Die meisten der Schwermetalle und störenden Bestandteile bleiben im Rückstand vorhan-den, wodurch am Ende also ein Teil der Nähr-stoffe von den Schwermetallen getrennt ist.

Lösung für die Verarbeitung von Pyrolyse-Asche
Momentan wird die Pyrolyseasche vom Ge-setzgeber als Abfall definiert, da sie Schwermetalle enthält. Die Schwermetalle machen es derzeit unmöglich, die Asche direkt als Dünger zu verwenden. Die Aufbereitung der Asche mittels Filtration bietet allerdings Perspektiven für ein Produkt zur Bodenverbesserung. In diesem Zusammenhang macht es Sinn, die Möglichkeit einer gesetzlichen Änderung zu inventarisieren, um Pyrolyseasche dennoch als Bodenverbesserer zu nutzen. Wenn es gelingt, die Schwermetalle herauszufiltern, könnte eine solche gesetzliche Änderung eine Lösung für die Verarbeitung von Pyrolyseasche bieten: zum Beispiel die Rückführung der Asche dorthin, wo sie herkommt (Biomassefermentation) oder zurück in den Wald. Dadurch ist kaum Vorbehandlung nötig.

Abbildung 6: Filtrat und Rückstand. Die obige Abbildung zeigt einen Ausschnitt aus getrocknetem Filtrat(links) und Rückstand (rechts). Nach dem Trocknen der Fraktionen bleibt eine harte Substanz über (daher die Klumpen auf dem Bild)