Klärschlamm ist ein unvermeidbarer Reststoff, der durch die Abwasserreinigung produziert wird. Auf den ersten Blick ist Klärschlamm ein schadstoffhaltiger Abfall, der sicher entsorgt werden muss. Bei genauerem Hinsehen handelt es sich um einen Sekundärrohstoff. Der mineralische Anteil enthält wertvolle Elemente wie Phosphor, die zurückgewonnen werden können. Diese Arbeit setzt den Fokus jedoch auf den organischen Anteil, welcher als Ausgangsstoff verwendet werden kann, um fossilen Kohlenstoff in Kraftstoffen und Chemikalien zu ersetzen.
Im experimentellen Teil dieser Arbeit wird die Machbarkeit der Synthesegaserzeugung aus Klärschlamm durch Wasserdampfsauerstoff-Wirbelschichtvergasung nachgewiesen. Es konnte gezeigt werden, dass der Prozess im untersuchten 20-kW-Maßstab zuverlässig funktioniert und dass das Synthesegas hohe H2- und CO-Konzentrationen enthält und somit für die Synthese von Kraftstoffen und Chemikalien geeignet ist. Die Verunreinigungen NH3, H2S, COS und Teerspezies, einschließlich heterozyklischer Spezies wie Pyridin, wurden in beträchtlichen Konzentrationen im Synthesegas gemessen. Kleine Mengen an Kalkstein als Bettadditiv ermöglichten das Cracken von schweren Teeren und die anteilige Abscheidung von H2S und COS. Der Kaltgaswirkungsgrad erhöhte sich stetig mit steigender Vergasungstemperatur aufgrund einer verbesserten Umwandlung von Teer und Koks. Eine typische Betriebstemperatur von 850 °C erfordert eine Sauerstoffzahl von 0,33 und es wird ein Kaltgaswirkungsgrad von 63 S% erreicht. Darüber hinaus kann das H2/CO-Verhältnis durch Anpassung der zugeführten Dampfmenge gesteuert werden, um die gewünschte Stöchiometrie für die Synthese zu erreichen, was jedoch zu einem höheren Energiebedarf für die Dampfbereitstellung führt. Die experimentellen Ergebnisse können für die Prozessauslegung genutzt werden, z. B. für einen TRL 7 Demonstrator.
Darüber hinaus wurde ein Vergasermodell entwickelt und eine integrierte Prozesskette simuliert, um die Umwandlung von Klärschlamm zu synthetischem Erdgas (SNG) mit und ohne Einbeziehung von Power-to-Gas zu bewerten. Der Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung inkl. Eigenverbrauch beträgt 51 % bei einer Kohlenstoffausnutzung von 33 %. Diese Werte können durch die Einbeziehung von Power-to-Gas gesteigert werden. Für das produzierte SNG wurden CH4-Konzentrationen von 0,81 m3 m-3 bis 0,84 m3 m-3 und N2-Konzentrationen von bis zu 0,15 m3 m-3 berechnet, bedingt durch die Umwandlung von brennstoffgebundenen Stickstoff zu im SNG verbleibendem N2. Zudem ergaben die Simulationen, dass bis zu 20 % des eingesetzten Klärschlamms durch Wärmeintegration getrocknet werden können. Dies impliziert, dass auch externe Wärmequellen zum Trocknen verwendet werden müssen.
Insgesamt hat sich die Wasserdampfsauerstoffvergasung als effiziente und technisch machbare Alternative zur Wirbelschichtverbrennung für zukünftige Monoverwertungsanlagen erwiesen.