Zur Reaktionskinetik der Oxidation von Kohlenstoffmaterialien aus Biomasse

Zur Modellierung von Vergasungs- und Verbrennungsprozessen zur energetischen Nutzung von Biomasse ist die Kenntnis von reaktionskinetischen Daten für die Sauerstoff-Oxidation von Biomassepyrolysaten erforderlich. Eine ausführliche Literaturübersicht zeigt den Stand der Forschung bezüglich der experimentellen Ermittlung von reaktionskinetischen Parametern für die Oxidation von Pyrolysaten aus Lignin, Cellulose und pflanzlicher Biomasse sowie der Suche nach einem plausiblen Reaktionsmechanismus für die Reaktion von Sauerstoff mit festen Kohlenstoffmaterialien. Es wird eine Versuchsanlage mit einem quasistationär betriebenen Differentialreaktor konstruiert, die eine Messung der Reaktionskinetik und der reaktiven inneren Oberfläche (RSA) für die Reaktion eines Pyrolysats aus Maispflanzen mit Sauerstoff ermöglicht. Die getrockneten und zerkleinerten Maispflanzen werden 7 Minuten lang bei 1073 K in einem Drehrohrofen pyrolysiert. Das Pyrolysat zeichnet sich vor allem durch seine hohe Porosität von über 0,9 und seinen hohen Aschegehalt von 0,24 aus. Die RSA wird nach der Methode der Messung von Übergangskinetiken (TK) bestimmt. Die Bestimmung der RSA erfolgt für die Reaktionsprodukte CO und CO2 getrennt, für die entsprechend ermittelten Werte werden die Bezeichnungen CO-RSA und CO2-RSA eingeführt. Die Abhängigkeit dieser Größen von der Sauerstoffkonzentration läßt sich durch eine Langmuir-Isotherme beschreiben, ebenso das leichte Absinken der CO-RSA mit der Kohlendioxidkonzentration. Über dem Abbrand zeigen sich unterschiedliche Verläufe für die CO-RSA, CO2-RSA und die innere Oberfläche nach der BET-Methode. Zur Charakterisierung der Oberflächenzwischenprodukte werden temperaturprogrammierte Desorptionsversuche (TPD) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß eine Unterscheidung in zwei Kohlenstoff-Sauerstoff-Oberflächenkomplexe ausreichend ist. Die experimentellen Untersuchungen zum Oxidationsverlauf werden im kinetisch bestimmten Bereich durchgeführt. Dabei werden die Parameter Temperatur, Sauerstoff-, CO- und CO2-Konzentration variiert. Anhand der Ergebnisse der reaktionskinetischen Untersuchungen wird ein Reaktionsmechanismus für die Kohlenstoff-Sauerstoff-Reaktion entwickelt. Dieser Reaktionsmechanismus umfaßt 7 Elementarreaktionen, für welche die reaktionskinetischen Parameter numerisch ermittelt werden. Darüber hinaus werden reaktionskinetische Parameter für einfachere massenbezogene Reaktionsgeschwindigkeitsansätze berechnet und summarische Reaktionsgeschwindigkeitsansätze für die Bildung von CO und CO2 aus dem Reaktionsmechanismus hergeleitet.

Zur katalytischen Vergasung von Biomasse

Ziel der vorliegenden Arbeit ist das Studium des Einflusses mineralischer Stoffe bei dem Vergasungsprozess von Biomasse um Grundlagen zur Verbesserung der Technologie mit experimentellen Methoden zu schaffen. Als Katalysator wird der mineralische Anteil oder Asche, Dolomit und Braunkohlenkoks den Kaffeeschalen, Ölpalmschalen oder Buchenholz zu gemischt. Als Vergasungsmittel wird Wasserdampf benutzt. Als experimentellen Anlagen werden eine Thermowaage und ein Drehrohrreaktor eingesetzt. Zur Vergasung im Drehrohrreaktor wurden Versuche mit Gemischen aus Dolomit und Buchenholz durchgeführt. Variierte Versuchsparameter waren der Massestrom, die Wasserdampfkonzentration, die Temperatur, der Kalzinierungsgrad des Dolomits, die Kontaktzeit zwischen Gas und Partikeln und die Verweilzeit. Durch die Variation des Massestroms wurden unterschiedliche Schütthöhen erreicht, wodurch das Verhältnis zwischen aktiver und passiver Zone in der Schüttung verändert wird. Die Prozessvariablen wurden so eingestellt, dass längs der Reaktorlänge als Bewegungsformen Stürzen, Stürzen-Gleiten und diskontinuierliches Gleiten auftreten. Zur Variation der Kontaktzeit zwischen den Partikeln und der Gas-Atmosphäre wurde ein Einbau mit sechs ebenen Wendeblechen durchgeführt. Die Ergebnisse der Versuche belegen, dass der katalytische Einfluss des Dolomits einen bedeutenden Effekt bei der Verminderung der Teerbeladung der Produkte hat. Die Wendebleche führten zu einer Steigerung der Gaserzeugung unter bedeutender Verminderung des Teergehalts, besonders in Anwesenheit von Dolomit. In der gegenwärtigen Untersuchung wurde die neuronale Netz-Methode benutzt, um die Beziehungen zwischen den Variabeln, die den Prozess beeinflussen, zu analysieren.

Der Einfluss organischer Düngung auf die mikrobielle Biomasse und deren Residuen in unterschiedlichen Nutzungssystemen

Die Gabe von organischem Dünger beeinflusst die Menge und die Zusammensetzung der organischen Substanz im landwirtschaftlich genutzten Boden. Dies wirkt sich auch auf den Umfang der mikrobiellen Biomasse im Boden und ihrer Gemeinschaftsstruktur aus. Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Untersuchung von mineralischer und organischer Düngung auf die der mikrobiellen Gemeinschaft im Oberboden, Unterboden und unter subtropischen Bedingungen. Der Fokus der Arbeit lag zum einen in der Bestimmung der physiologischen Substratnutzungsdiversität der mikrobiellen Gemeinschaft, zum anderen in der Untersuchung der mikrobiellen Biomasse und deren Residuen nach organischer Düngung. Es konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass das Substratnutzungsmuster der mikrobiellen Gemeinschaft sich signifikant zwischen langfristiger Rottemistdüngung und mineralischer Düngung unterscheidet. Diese Trennung wurde hauptsächlich durch die erhöhte Mineralisation von Kohlenhydraten und Aminosäuren gesteuert. Auch wurden der Boden pH-Wert und der Gehalt an organischer Substanz im Boden als Hauptmechanismen für die Unterscheidung der Düngevarianten identifiziert. Wenn auch die multi-SIR Methode keine Effekte von biodynamischen Präparaten auf die Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft zeigen konnte, so war eine Trennung zwischen den Düngeintensitäten bei Rottemistdüngung mit biodynamischen Präparaten und mineralischer Düngung möglich. In Bezug dazu war die multi-SIR Methode empfindlicher, als die Bestimmung der mikrobiellen Biomasse oder des organischen Kohlenstoffs im Boden. Ergänzend dazu wurde der Substratnutzungsdiversitätsindex nach langjähriger mineralischer Düngung gegenüber der Rottemistdüngung verringert. Dies könnte auf eine Verminderung der Bodenfruchtbarkeit hindeuten. Auch wurde untersucht, inwieweit die Düngung mit Rottemist die Speicherung des organischen Materials (SOC und N) im Unterboden, einem weltweit bedeutenden C-Speicher, beeinflusst. Ein steigendes C/N-Verhältnis ging einher mit einer Verringerung der mikrobiellen Residualmasse am gesamten organischen Kohlenstoff mit der Tiefe. Langfristige organische Düngung führte zu einer Erhöhung des Verhältnisses pilzlicher zu bakterieller Residuen im Oberboden und steigerte den Gehalt an bakteriellen Residuen im Unterboden gegenüber mineralischer Düngung. Da keine Steigerung des gesamten organischen Kohlenstoffs im Unterboden vorliegt, kann eine Erhöhung des mikrobiellen Umsatzes im Unterboden bei organischer Düngung vermutet werden. Daneben sank das Verhältnis der pilzlichen zu bakteriellen Residuen von 2,6 im Oberboden auf 2,1 im Unterboden. Weitere Untersuchungen sind hier noch nötig, um die Rolle von mikrobiellen Residuen im Unterboden zu zeigen. Des Weiteren wurden die Auswirkungen von mit Aktivkohle und Tanninen angereichertem Ziegenkot auf die mikrobielle Biomasse, ihre Residuen und des organischem Kohlenstoff im Boden untersucht. Die Applikation der Aktivkohle sowie der Tannine erfolgte als Futterzusatz und direkt auf dem Feld. Nach zweijähriger Versuchsdauer unter subtropischen Bedingungen stieg die mikrobielle Biomasse im Boden nach organischer Düngung am stärksten an, gefolgt von den mikrobiellen Residuen und dem organischen Kohlenstoff. Der Anteil des Ergosterols an der gesamten mikrobiellen Biomasse deutete darauf hin, dass der Boden durch einen hohen Gehalt an saprotrophischen Pilzen gekennzeichnet war. Eine Dominanz der bakteriellen Residualmasse lässt einen schnellen Abbau der pilzlichen Residuen vermuten. Auch hatte die Aktivkohle einen positiven Einfluss auf die organische Bodensubstanz und die Zugabe von Tanninen erhöhte den extrahierbaren Stickstoff im Boden. Doch gab es keine Effekte durch die unterschiedlichen Applikationsmethoden auf dem Versuchsfeld. Es wurde gezeigt, dass die organische Düngung sich positiv auf die Bodenqualität auswirkt. Nicht nur das physiologische Profil der mikrobiellen Gemeinschaft wird verändert, sondern auch die mikrobiellen Residuen im gesamten Bodenprofil (0 – 100 cm) werden durch organische Düngung im Vergleich zur mineralischen Düngung erhöht. Die Rolle der mikrobiellen Biomasse und ihrer Residuen als Anzeiger für die Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur wurde in der vorliegenden Arbeit dargestellt. Dies zeigt einmal mehr, dass diese als Indikator für Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur herangezogen werden können. Speziell in Nutzungssystemen mit einem schnellen Umsatz der organischen Substanz, wie unter ariden subtropischen Bedingungen, bildet die Bestimmung der mikrobiellen Biomasse und ihrer Residuen eine Möglichkeit, die Dynamik der mikrobiellen Biomasse und der organischen Substanz durch Düngung zu dokumentieren.