Chemisches Recycling von Abfällen mittels Wirbelschichtvergasung

Worum es geht

CELINA arbeitet daran, schwer vermeidbare CO₂-Emissionen aus der thermischen Abfallverwertung deutlich zu senken und den im Abfall enthaltenen Kohlenstoff wieder nutzbar zu machen. Koordiniert wird das Verbundvorhaben von der MVV Umwelt GmbH.

Statt Abfälle wie bisher zu verbrennen, sollen sie in einem thermochemischen Vergasungsverfahren behandelt werden. Dabei wird der enthaltene Kohlenstoff in ein Synthesegas überführt, gereinigt und anschließend über katalytische Prozesse zu Basischemikalien weiterverarbeitet. Ziel ist es, Kohlenstoff nicht als CO₂ in die Atmosphäre abzugeben, sondern in den Nutzungskreislauf zurückzuführen.

Mithilfe einer 1-Megawatt-Pilotanlage soll eine belastbare Datengrundlage entstehen. Auf dieser Basis kann anschließend eine wirtschaftlich tragfähige Industrieanlage geplant werden. Eine solche Anlage könnte am Standort der MVV in Mannheim eine bestehende Abfallverbrennungslinie ersetzen und dadurch mehr als 90 Prozent der CO₂-Emissionen aus diesem Abfallstrom vermeiden.

ARVOS GmbH | SCHMIDTSCHE SCHACK

Was neu ist

CELINA erweitert die Wirbelschichtvergasung, die bereits für Kohle und holzartige Biomasse etabliert ist, auf den deutlich anspruchsvolleren Einsatzstoff Siedlungsabfall. Ziel ist es, künftig eine breite Palette von Abfällen behandeln und die daraus entstehenden Produkte als Basischemikalien in der chemischen Industrie einsetzen zu können.

Ein neuer Baustein ist die anschließende Partielle Oxidation (POX). Ergänzend zur etablierten Sauerstoffeindüsung wird erstmals der Einsatz einer elektrischen Plasmaquelle untersucht. Dadurch kann der Bedarf an Oxidationsmittel reduziert werden. Für die Synthesegasreinigung soll zudem ein regenerativer Absorber entwickelt werden, der Schwefelwasserstoff selektiv abtrennt. Anders als bei einer klassischen Aminwäsche kann dadurch das CO₂ im Synthesegas verbleiben. Dies erhöht auch die Methanolausbeute.

Die Methanolsynthese wird ebenfalls optimiert. Hierfür ist die Entwicklung neuer Katalysatoren vorgesehen, die ein besseres Wärmemanagement und eine verbesserte Leistung ermöglichen und zugleich widerstandsfähiger gegenüber Spurenstoffen sind als herkömmliche Materialien. Sämtliche Prozessschritte werden zunächst in Laboranlagen und anschließend in der 1-Megawatt-Pilotanlage getestet.

Was herausfordernd ist

Ein großer Vorteil der Wirbelschichtvergasung im Vergleich zu anderen Vergasungsverfahren ist der geringe Aufwand zur Aufbereitung der Einsatzstoffe. Herausfordernd ist lediglich die Aufbereitung der Siedlungsabfälle für die Pilotversuche, da diese nur in Pelletform in den Pilotvergaser eingebracht werden können.

Allerdings sind Siedlungsabfälle sehr inhomogen und variieren stark in ihrer Zusammensetzung. Dies kann in Verbindung zu einer ungleichmäßigen Wärmefreisetzung im Vergaser führen. Zudem werden bei der Vergasung von Abfällen große Mengen an höheren Kohlenwasserstoffen (z.B. Teere) frei, die nicht für die Synthese genutzt und bei Abkühlung kondensieren und somit zur Verschmutzung führen können. Zur Konversion dieser Kohlenwasserstoffe wird daher eine POX eingesetzt.

Hinzu kommt der hohe Ascheanteil vieler Abfälle. Dieser kann in der nachgeschalteten POX-Stufe zu Schlackebildung führen und weitere Prozessschritte verschmutzen. Der Einsatz einer plasmabetriebenen POX mit Siedlungsabfällen wurde zudem bisher nicht untersucht. Deshalb muss im Vorhaben ein geeignetes Betriebsfenster gefunden werden, um den im Abfall enthaltenen Kohlenstoff möglichst effektiv umzuwandeln.

Weitere Herausforderungen entstehen durch Spurenstoffe wie Schwefel und Chlor. Sie können Apparate und Katalysatoren schädigen und müssen daher besonders bewertet und behandelt werden. Außerdem ist es erforderlich, für die neu entwickelten Prozessschritte notwendig Komponenten zu konzipieren, zu fertigen, in die Versuchsanlage zu integrieren und anschließend für eine großtechnische Anlage zu dimensionieren.

Was daraus entstehen kann

CELINA kann eine Grundlage dafür schaffen, Kohlenstoff aus Abfällen nicht mehr nur energetisch zu verwerten oder als CO₂ abzuscheiden, sondern als Rohstoff für die chemische Industrie nutzbar zu machen. Damit kann die Abfallwirtschaft einen Beitrag zur Schließung des Kohlenstoffkreislaufs leisten.

Die Demonstration der neuen Prozesskette in einer Pilotanlage kann die spätere Skalierung in den industriellen Maßstab risikoärmer machen. Zugleich entstehen wichtige Erfahrungen zum Verhalten unterschiedlicher Abfälle, zur Synthesegasreinigung und zur Herstellung von Basischemikalien aus Abfallkohlenstoff. Damit kann CELINA die Grundlage für weitere Entwicklungs- und Investitionsvorhaben schaffen und neue Lösungen für gemischte Abfallströme, etwa Kunststofffraktionen, vorbereiten.