Customer SUCCESS STORY
Simultane thermische Analyse zur Umwandlung von Feststoffabfall in Energieträger
Lesen Sie unsere neueste Customer Success Story von Professor Guozhao Ji, Dalian University of Technology, China! Sie befasst sich mit der Umwandlung von Feststoffabfall in höherwertige, verwertbare Stoffe mit Hilfe des simultanen thermischen Analysegerätes (STA) von NETZSCH. Zu diesem Thema wurden bereits mehrere wissenschaftliche Arbeiten veröffentlicht.
Dr. Guozhao Ji, 1986 geboren, promovierte 2014 in Chemieingenieurwesen an der Universität von Queensland, Australien. Seinen MS- und BS-Abschluss in Maschinenbau absolvierte er 2101 bzw. 2018 an der Northeastern University, Volksrepublik China. Derzeit arbeitet er als außerordentlicher Professor an der School of Environmental Science and Technology an der Dalian University of Technology in China (DUT). Zu den Forschungsinteressen von Dr. Ji gehören die Vergasung von Feststoffabfall, die kinetische Modellierung thermochemischer Umwandlungen, die CO2-Ausscheidung sowie die numerische dynamische Strömungsmechanik. Er ist Autor von über 100 Publikationen in Fachzeitschriften, zwei Büchern und drei Buchkapiteln, mit über 3200 Zitierungen und einem H-Index von 35.
Im Folgenden gibt uns Dr. Guozhao Ji Einblicke in seine Forschung zur Umwandlung von Feststoffabfall in Energie.
“Durch die präzisen Messungen mit den NETZSCH-STA-Geräten erhalten wir einen zuverlässigen Vergleich unserer aufbereiteten Materialien, was nicht nur die Materialauswahl erleichtert, sondern auch eine Orientierungshilfe für die Aufbereitung der Funktionsmaterialien darstellt.”
Dr. Guozhao Ji: “Das Labor für das Recyling von Feststoffabfällen an der DUT befasst sich der Umwandlung solcher Abfälle in hochwertige Produkte auf Basis thermochemischer Reaktionen. Die dabei entstehenden Produkte finden beispielsweise Anwendung in der Energie-, Umwelt- und Materialindustrie.“
2019 schickten wir einige Proben von CO2-Sorptionsmitteln an NETZSCH Scientific Instruments Trading (Shanghai) Ltd., die sehr professionelle Auftragsmessungen durchführten. Diese großartige Erfahrung hat unsere weitere Zusammenarbeit mit NETZSCH sehr vorangetrieben. Im Jahr 2020 bestellte unser Labor eine NETZSCH-STA 449 F3 , die hauptsächlich der Untersuchung des Abbauverhaltens organischer Festabfälle dient. 2021 kaufte unser Labor eine STA 2500 zur Untersuchung des CO2-Sorptionsverhaltens unserer Funktionsmaterialien, die zur Verbesserung der Vergasung von Feststoffabfall eingesetzt werden sollen. Im Jahr 2023 wurde eine NETZSCH-DSC 404 F3 angeschafft, um thermodynamische Informationen während der Pyrolyse organischer Abfälle zu erhalten und den Phasenübergang anorganischer Abfälle während der thermischen Behandlung zu identifizieren.”
Dr. Ji, welche besonderen Herausforderungen stellten sich Ihrem Unternehmen vor dem Einsatz unserer Lösungen, und welche Fragen oder Probleme wollten Sie damit lösen?
- "Eine präzise Temperaturregelung: Wir haben ein Funktionsmaterial entwickelt, das zur Vergasung organischer Abfälle eingesetzt wird. Dieses Material muss unter Vergasungsbedingungen CO2 absorbieren und unter Regenerationsbedingungen CO2 freisetzen. Der Hauptunterschied zwischen Vergasungs- und Regenerationsbedingungen ist die Temperatur. Bei der Vergasung liegt die Temperatur bei etwa 700 °C, bei der Regeneration bei etwa 900 °C. Um die Leistungsfähigkeit unseres Funktionsmaterials zu bestimmen, muss die Temperatur häufig, schnell und präzise geändert werden.
- Hohe Probeneinwaagen: Wir arbeiten hauptsächlich an der thermischen Aufbereitung organischer Abfälle, deren Eigenschaften innerhalb eines bestimmten Bereichs variieren. Aufgrund der geringen Homogenität echter organischer Abfälle können sich die TG-Messergebnisse ändern, wenn wir jedes Mal nur eine Probenmenge mit wenigen Milligramm nehmen. Um die Repräsentativität des Abfallmaterials zu verbessern, benötigen wir eine größere Probenmenge, die alle Bestandteile des organischen Abfalls beinhaltet."
Warum haben Sie sich für NETZSCH entschieden?
"Die Marke NETZSCH hat einen guten Ruf im Bereich der Forschung. Während unserer täglichen Arbeit lesen wir eine Vielzahl an Forschungsartikeln, und NETZSCH ist der am häufigsten gefundene Hersteller im Bereich der thermogravimetrischen Analysen in diesen Artikeln.
Darüber hinaus verfügen die Geräte von NETZSCH über eine genaue Temperaturregelung, Heizrate und Gasumgebung, was effiziente zyklische Prüfungen unseres Funktionsmaterials ermöglichte. Basierend auf unserer begrenzten Umfrage ließ sich mit NETZSCH die größte Probenmenge realisieren, was stabilere und wiederholbare Ergebnisse der Zersetzung von Festabfall ermöglichte."
Bitte nennen Sie ein konkretes Beispiel für den Einsatz unserer Lösungen.
Ein Beispiel ist das thermische Abbauverhalten von Altreifen
"Mit zunehmender Verbreitung der Automobile und der weltweit steigenden Reifenherstellung fällt eine beträchtliche Menge an Altreifen an. Aufgrund ihrer Umwelttoxizität und ihrer Abbaubarkeit können Altreifen eine Gefahr für die menschliche Gesundheit und die Umwelt darstellen. Ein vielversprechender Weg zur Aufbereitung von Altreifen ist die Pyrolyse, bei der nicht nur Abfälle minimiert, sondern auch wertvolle Produkte wie Synthesegas, Heizöl und Holzkohle hergestellt werden können. Die thermische Analyse (TG) gilt als eine effektive Technologie zur Untersuchung des Pyrolyseverhaltens von Altreifen. Die TG liefert beispielsweise Informationen über Anfang-, End- und Peaktemperaturen der Pyrolysereaktion, die zum Verständnis des Pyrolyseprozesses sowie zur Auslegung des Pyrolysereaktors und dessen Optimierung beitragen. Die TG-Experimente wurden mit einer NETZSCH-STA 2500 und einer NETZSCH-STA 449 F3 durchgeführt. Etwa 6 mg des Ausgangsmaterials wurden in einen Al2O3-Keramiktiegel gegeben und mit drei Heizraten von 10, 20 und 30 °C/min von Raumtemperatur auf 600 °C aufgeheizt. Als Trägergas wurde Stickstoff mit einer Durchflussrate von 200 ml/min-1 verwendet."
Das thermische Abbauverhalten von Altreifen ist in Abbildung 1 dargestellt. Es ist deutlich zu sehen, dass die Hauptpyrolysereaktion des Altreifens im Temperaturbereich von 200 °C bis 500 °C mit einem Massenverlust von 64 % auftritt. Die zwei in den DTG-Kurven beobachtete Peaks im Temperaturbereich von 300 °C bis 410 °C bzw. 410 °C bis 450 °C entsprechen dem Abbau der Hauptbestandteile des Altreifens, Naturkautschuk und Synthesekautschuk. Die Anfangstemperatur (Ts) der Pyrolysereaktion, die Temperatur des maximalen Gesichtsverlusts (Tmax) und die Endtemperatur (Te) der Pyrolysereaktion zeigen mit zunehmender Aufheizrate eine steigende Tendenz (Tabelle 1).
Tabelle 1. Charakteristische Parameter der Pyrolyse von Altreifen mit drei unterschiedlichen Heizraten
Heizrate (°C·min-1) | Ts(°C) | Tmax(°C) | Te(°C) |
10 | 288 | 375 | 524 |
20 | 298 | 388 | 530 |
30 | 308 | 395 | 544 |
Sorptionsmittel auf CaO-Basis haben ein großes Anwendungspotenzial für die Kohlenstoffabscheidung vor der Verbrennung. Bei einer typischen Reaktion zur Wasserstofferzeugung durch Dampfreformierung kann durch die Zugabe von Sorptionsmitten auf CaO-Basis das in-situ erzeugte CO2 entfernt werden, wodurch das thermische Gleichgewicht gebrochen wird und die treibende Kraft der Reaktion erhöht wird und so die Reaktion in Richtung Wasserstofferzeugung verschoben wird. Dadurch lassen sich die Konzentration und Produktion von H2 verbessern. Aufgrund ihrer Tendenz zum SinternSintern ist ein Herstellungsverfahren zur Bildung eines mechanisch stabilen Körpers aus einem keramischen oder metallischen Pulver.Sintern müssen inerte Stabilisatoren jedoch bei hoher Tamman-Temperatur dotiert werden.
CO2-Sorptionsmittel auf Ca-Basis setzen in der Regel Untersuchungen zur Gewichtsänderung während der Karbonisation und Kalzinierung unter N2- oder CO2-Atmosphäre bei hohen Temperaturen (650 °C bis 850 °C) voraus, um das CO2-Adsorptionsvermögen und die Adsorptionskinetik des Materials zu bestimmen. In dieser Studie wurden Stahlschlacke und Kalkstein gemischt, um Sorptionsmittel auf Basis von Stahlschlacke herzustellen. Die Adsorptionsfähigkeit der Sorptionsmittel auf Basis von Stahlschlacke wurde mit Hilfe der TG (NETZSCH-STA 449 F5 ) untersucht.
Hier sind die Ergebnisse:
"Wie in Abbildung 2 gezeigt, nimmt das CO2-Adsorptionsvermögen von reinem CaO schnell ab (0,293 CO2/g Sorptionsmittel auf 0,097 CO2/g Sorptionsmittel), während das Adsorptionsvermögen des mit einer anfänglichen Säurekonzentration von 2 mol/l hergestellten Sorptionsmittels eine deutlich geringere Abnahme aufweist. Zudem nimmt die Stabilität des Sorptionsmittels mit steigendem Anteil der Stahlschlackendotierung zu. Die Sorptionsmittel auf Basis von Stahlschlacke zeigen auch eine bessere Gesamtleistung bei dem CO2-Absorptionsvermögen über 30 Zyklen. Abbildung 3 zeigt die Änderung der Adsorptionsrate. CaO weist anfänglich einen deutlichen Vorteil bei der Adsorptionsrate auf. Mit zunehmender Zyklusanzahl nimmt die Adsorptionsrate von CaO jedoch deutlich ab und stabilisiert sich schließlich auf einem niedrigen Niveau. Im Gegensatz dazu zeigen die mit Stahlschlacke dotierten Sorptionsmittel eine deutliche Verbesserung, wobei der Effekt mit zunehmender Zyklusanzahl ausgeprägter wird."
Wie haben Sie die erhaltenen Ergebnisse genutzt?
"Die NETZSCH-STA 2500 und STA 449 F3 verfügen über eine sehr genaue und schnelle Temperaturregelung. Diese Temperaturschwingungsregelung ist sehr nützlich und hilfreich bei der Prüfung unserer Funktionsmaterialien für die Abfallvergasung.
Durch die präzisen Messungen mit den NETZSCH-Geräten erhalten wir einen zuverlässigen Vergleich unserer aufbereiteten Materialien, was nicht nur die Materialauswahl erleichtert, sondern auch eine Orientierungshilfe für die Aufbereitung der Funktionsmaterialien darstellt. Wir haben dazu über 50 Forschungsartikel in Fachzeitschriften wie Energy & Environmental Science, Environmental Science & Technology, Chemical Engineering Journal, Fuel Processing Technology, Journal of Cleaner Production etc. veröffentlicht."
Haben Sie auch Erfahrungen mit unserer Kundenbetreuung und unserem Kundenservice?
"Ja, und ich würde sagen, weit mehr als nur gute Erfahrungen. Herr Haiming Zhang und Frau Shenjun Sheng haben uns vor dem Kauf der NETZSCH-Geräte sehr unterstützt. Nach dem Kauf der NETZSCH STA 2500 und STA 449 F3 erhielten wir auf unsere Fragen immer eine umgehende Antwort von Herrn Shuaitao Zeng.
Auch das Seminar am 9. Mai 2023 in Dalian war eine großartige Veranstaltung. Meine Schüler und ich haben von den Ingenieuren und Experten sehr umfassende, praxisnahe und nützliche Informationen erhalten."
Dr. Ji, vielen Dank für dieses positive Feedback!
Wie sehen Sie Ihre zukünftige Zusammenarbeit mit uns? Gibt es neue Herausforderungen, denen Sie sich gerne stellen möchten?
"Das nächste Thema, an dem ich gerne weiter mit NETZSCH zusammenarbeiten möchte, ist die Vergasung von organischen Abfällen durch Zugabe von Dampf in den TG-Ofen. Zwar stehen uns derzeit die nötigen Mittel nicht zur Verfügung, doch früher oder später werden wir mit den verfügbaren Mitteln solche Tests durchführen.
Der zweite Punkt, den ich adressieren möchte, ist eine schnelle Aufheizung, die der Aufheizrate in realen Szenarien entsprechen könnte. Wir wollen das Zersetzungsverhalten von organischen Abfällen bestimmen, wenn sie in Reaktoren in Kontakt mit Wärmeträgern kommen. In solchen Situationen könnte die Aufheizrate bis zu 102~103K s-1 erreichen. Das Erreichen dieser Aufheizrate mit genauer Messung der Masse wird ein großer revolutionärer Schritt für die Abfallaufbereitung sein."
