Das Institut für Technische Chemie des Karlsruher Instituts für Technologie entwickelte einen innovativen Pyrolyseschneckenreaktor mit integrierter Heißgasfiltration (STYX), der die Erzeugung partikelfreier Dämpfe bzw. Kondensate und Gase ermöglicht. Zur Unterstützung der Technologieentwicklung sind experimentelle und theoretische Arbeiten notwendig, die dem Verständnis und der Beeinflussung der thermischen und chemischen Prozesse bei der Pyrolyse biogener Reststoffe dienen. Dadurch, dass die Dämpfe frei von organischen und mineralischen Partikeln sind, werden typische Probleme der Pyrolyse wie das Zusetzen und Verstopfen von Rohrleitungen und Kondensatoren minimiert. Die Partikelfreiheit ist auch von großem Vorteil für nachgelagerte Anwendungen wie die Verbrennung der Dämpfe zur Wärme- und Stromerzeugung sowie für die Aufarbeitung der Kondensate in Kraftstoffe oder Chemikalien. Im Pyrolyseprozess wird immer auch ein fester, hygienisierter Pyrolysekoks erzeugt. Er kann als Brennstoff zur Energienutzung eingesetzt werden und je nach Nährstoffgehalt der Einsatzstoffe auch als Bodenverbesserer oder Dünger in der Landwirtschaft. Besondere Kennzeichen der STYX Technologie sind Unempfindlichkeit und Flexibilität bei den Einsatzstoffen.
Für Buchenholz als Referenzmaterial wurde am STYX Reaktor experimentell der Einfluss der Prozessparameter auf die Produktverteilung und die Eigenschaften der Pyrolyseprodukte untersucht. Der Einsatzstoff wurde detailliert in Bezug auf die chemische Zusammensetzung charakterisiert. Die Reaktortemperatur wurde als wesentlicher Parameter identifiziert, da sie das thermodynamische Gleichgewicht beeinflusst und letztlich die Produktverteilung bestimmt. Für ausgewählte Bedingungen wurden am Pyrolysereaktor globale und lokale Massen-, Elementar- und Energiebilanzen erstellt. Pyrolysekokse und –öle wurden hinsichtlich des Einsatzes als Brennstoffe untersucht. Außerdem wurden die resultierenden Produkte bei der Aufarbeitung der Pyrolyseöle ermittelt. Das wässrige Kondensat wird bei Pyrolyseprozessen vielfach als Abfallprodukt angesehen. In dieser Arbeit konnte seine Eignung als Ausgangsstoff zur Erzeugung wertvoller Chemikalien gezeigt werden. Das Permanentgas oder nicht-kondensierbare Gas wurde ebenfalls als Brennstoff charakterisiert.
In der Folge wurden am STYX Reaktor bei definierten Prozessbedingungen verschiedene biogene Einsatzstoffe mit hohem Inert- bzw. Mineralanteil untersucht. Die Pyrolyse minderwertiger biogener Einsatzstoffe wie Geflügelkot und getrockneter Klärschlamm unterscheidet sich von der typischer lignozelluloser Biomasse. Der Inertanteil ist verantwortlich für den höheren Anteil fester Pyrolyseprodukte im Vergleich zum Referenz-Einsatzstoff. Der Anteil an Pyrolyseöl ist vergleichbar oder höher als bei lignozellulosem Einsatzstoff, wogegen die Anteile an wässrigem Kondensat und beim Permanentgas deutlich geringer sind. Weiterhin erfordern die Stickstoff-, Schwefel- und Chlorkonzentrationen ebenso wie der Mineral- und der Metallanteil Konzepte zur Abtrennung oder Rückgewinnung möglicher Schadstoffe.
Die Transportmechanismen für rieselfähige Feststoffe und die Hydrodynamik des Gases im Schneckenreaktor wurden am STYX Reaktor experimentell untersucht und als Basis für die Entwicklung eines thermochemischen Modells des Schneckenreaktors verwendet. Darauf aufbauend wurde der Reaktor als Kaskade von perfekt gemischten Rührkesseln für den Feststoff und die Gas-Dampfphase modelliert. Die im Reaktor ablaufenden Einzelprozesse wurden auf der Grundlage von verfügbaren Literaturmodellen beschrieben. Das mechanische Verhalten der Feststoffe wurde über die Mischungsqualität des Schüttgutes beschrieben. Zur Beschreibung des Wärmeaustausches zwischen Reaktor und Dampfphase wurden erzwungene Konvektion und Wärmestrahlung berücksichtigt. Der Wärmeaustausch zwischen Reaktor und Schüttgut wurde mit dem Penetrationsmodell beschrieben, das Partikel und Gaszwischenvolumen als Kontinuum betrachtet. Der Pyrolyseprozess des Referenzmaterials Buchenholz wurde anhand der Kinetik für die Zersetzung von Modellkomponenten beschrieben. Für das Reaktormodell wurde außerdem eine umfangreiche Sensitivitätsanalyse zum Einfluss der wichtigsten Parameter durchgeführt.
Abschließend wurde das thermochemische Reaktormodell experimentell am STYX Reaktor validiert. Dazu wurden Experimente zur Wärmeübertragung eines trockenen Schüttgutes durchgeführt. Die Temperatur des Feststoffes wurde dabei mit temperaturempfindlichen Farbstoffen bestimmt, sodass die wirkliche Oberflächentemperatur der Feststoffpartikel gemessen werden konnte. Der Trocknungsprozess eines inerten porösen Schüttgutes wurde gemessen und mit den numerischen Ergebnissen verglichen. Der Pyrolyseprozess wurde ausführlich untersucht. Die Validierung umfasste die Umsetzung von Buchenholz und sekundärer Gasphase entlang des Reaktors, die Gesamtverteilung und Zusammensetzung der Produkte jeweils als Funktion der Prozessparameter. Es konnte gezeigt werden, dass das thermochemische Modell, das in dieser Arbeit entwickelt wurde, als validiertes und flexibles Werkzeug für das Scale-up des Pyrolysereaktors auf Basis der STYX Technologie eingesetzt werden kann.
Da die Heißgasfiltration eine entscheidende Rolle für die Qualität von Dämpfen und Kondensaten spielt, sollten zukünftig die Vorgänge während des Filtrationsprozesses intensiv untersucht werden. Außerdem sollte die Filtration für die Implementierung in das Reaktormodell ebenfalls modelliert werden. Weiterhin sollten die Pyrolysemechanismen für Modellkomponenten von nicht lignozellulosehaltigen Biomassen in das numerische Modell integriert werden, um die Anwendbarkeit für attraktive Einsatzstoffe dezentraler Pyrolyseprozesse zu erweitern.