WO2025061231A1 - Method for recovering phosphorus from phosphorous-containing organic waste materials - Google Patents
Method for recovering phosphorus from phosphorous-containing organic waste materials Download PDFInfo
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- WO2025061231A1 WO2025061231A1 PCT/DE2024/100827 DE2024100827W WO2025061231A1 WO 2025061231 A1 WO2025061231 A1 WO 2025061231A1 DE 2024100827 W DE2024100827 W DE 2024100827W WO 2025061231 A1 WO2025061231 A1 WO 2025061231A1
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- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B25/00—Phosphorus; Compounds thereof
- C01B25/01—Treating phosphate ores or other raw phosphate materials to obtain phosphorus or phosphorus compounds
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
- C02F11/10—Treatment of sludge; Devices therefor by pyrolysis
Definitions
- the invention relates to a process for the recovery of phosphorus from phosphorus-containing organic waste materials.
- phosphorus recovery from sewage sludge with a phosphorus content above 2% by mass is required from 2029. This can be achieved either by direct phosphorus recovery or by thermal pretreatment, such as co- or mono-incineration, with subsequent phosphorus recovery or by material recycling of the sewage sludge ash using the phosphorus content.
- thermochemical and non-thermochemical processes with regard to the process control
- fertilizer-producing and non-fertilizer-producing processes with regard to the products.
- thermochemical processes are superior to non-thermochemical processes in that they simultaneously sanitize and remove pathogens.
- reducing processes can produce synthesis gas consisting of carbon monoxide and hydrogen, or pyrolysis can produce additional oil-like intermediates, thus enabling material rather than thermal utilization of the carbon. This is associated with the minimization of CCh emissions.
- Pyrolysis produces both pyrolysis gas, i.e. synthesis gas and light hydrocarbons, and a liquid by-product. Synthesis gas is understood to be a gas mixture containing carbon monoxide and hydrogen as its main components.
- non-fertilizer-producing processes offer the possibility of recovering phosphorus either in the form of elemental (white) phosphorus or in the form of phosphoric acid. These substances are higher-value products, as they open up additional recycling routes. Furthermore, the phosphorus must be separated from the heavy metals contained in the sewage sludge, which can be achieved, for example, by selective conversion into the gas phase.
- EP 3 305 724 A1 discloses a process for removing phosphorus from organic substrate material.
- the feedstocks are first Pyrolysis takes place at temperatures between 400 °C and 800 °C, and volatile carbon compounds are removed, which leads to an increased concentration of phosphorus in the coke residue.
- Phosphate is then extracted from the coke, for example, using acids, alkalis, or other extraction agents.
- a disadvantage of this process is that the phosphorus is largely not separated from the heavy metals contained in the feedstock, resulting in only low-quality products contaminated with heavy metals.
- the utilization of the resulting pyrolysis products such as pyrolysis oil and pyrolysis gas, is not.
- EP 2 640 531 A2 and US 2013/272944 A1 disclose a process for the treatment of organic waste materials such as sewage sludge, sewage sludge ash, and animal meal.
- the feedstock is mixed with chlorine-containing additives, which form more volatile chlorides with the metals contained, in particular, in the sewage sludge ash, so that the feedstock can be depleted of heavy metals in an oxidation step (0.85 ⁇ ⁇ 1.6).
- the feedstock, depleted of heavy metals is then thermally treated in an inductively heated reactor with a graphite bed at 1300 °C to 1600 °C under reducing conditions, so that elemental phosphorus is formed, which can be removed with the product gas.
- the phosphorus is then separated by quenching.
- the disadvantage of this process is that the carbon content of the feedstock is only thermally utilized due to the oxidative removal of heavy metals.
- DE 10 2020 001 989 A1 discloses a process in which over 80% of the phosphorus contained in sewage sludge can be recovered in the form of phosphorus pentoxide in a rotary kiln under exposure to carbon and silicon dioxide at temperatures above 1250°C and a residence time of over 20 minutes. It is described that the phosphorus, initially released at least partially in elemental form, is reoxidized with oxygen. The resulting phosphorus pentoxide is then converted to phosphoric acid in a "hydrator.” No information is provided on the fate of the exhaust gas not converted in the hydrator. [0011] In view of this state of the art, a process for the recycling of sewage sludge is desirable in which not only phosphorus is recovered but also other chemical elements such as carbon or hydrogen contained in the sewage sludge can be utilized.
- the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
- it is intended to provide a process for the recovery of phosphorus from phosphorus-containing organic waste materials, in particular from sewage sludge, which enables the thermochemical recovery of phosphorus with co-utilization of carbon contained in the phosphorus-containing organic waste materials.
- a process for recovering phosphorus from a phosphorus-containing organic waste material comprises the steps:
- phosphorus-containing organic waste can refer to a phosphorus-containing material that contains organic components and/or inorganic components.
- the phosphorus-containing organic waste also contains carbon.
- the carbon can be present in elemental form and in chemically bound form.
- the phosphorus-containing organic waste can be, for example, sewage sludge, sludge coke, sewage sludge ash, dry sludge, biomass, bone meal, or animal meal.
- the phosphorus-containing organic waste is preferably sewage sludge. The process according to the invention is thus particularly suitable for recovering phosphorus from sewage sludge.
- step (a) comprises a preparation of the phosphorus-containing organic waste.
- the preparation can be, for example, a comminution of the phosphorus-containing organic waste. The preparation can be carried out before the pretreatment.
- the pretreatment may include predrying the phosphorus-containing organic waste.
- the sewage sludge may be subjected to predrying, thereby obtaining predried sewage sludge.
- the predrying may, for example, take place at a temperature of 50 to 200°C.
- the pretreatment may alternatively or additionally to predrying comprise pyrolysis of the phosphorus-containing organic waste.
- the sewage sludge is subjected to pyrolysis, whereby sewage sludge coke is obtained.
- the pyrolysis is preferably carried out at a temperature of 300 °C to 900 °C, more preferably at a temperature of 300 °C to 700 °C and particularly preferably from 400 °C to 600 °C.
- the pyrolysis temperature and the holding time depend on the phosphorus-containing organic waste material used. The holding time is also dependent in particular on the amount of phosphorus-containing organic waste material to be pyrolyzed.
- a holding time of 5 h can be selected for 1 kg of phosphorus-containing organic waste material. It can be provided that the holding time is between 5 min and 10 h. It can be provided that the volatile pyrolysis products obtained during pyrolysis are put to use. For example, synthesis gas components produced during pyrolysis can be put to use.
- the phosphorus-containing organic waste is subjected to pre-drying and subsequent pyrolysis.
- sewage sludge can be pre-dried and subsequently subjected to pyrolysis.
- pretreatment in particular by means of pyrolysis, moisture and volatile decomposition products are separated from the phosphorus-containing organic waste.
- the phosphorus remains in the solid pyrolysis residue.
- Hydrocarbon-containing components can be condensed from the gaseous and/or vaporous pyrolysis products and further recycled. Whether pretreatment is carried out depends on the phosphorus-containing organic waste material. In contrast to pyrolysis, volatile decomposition products are not separated or are only separated to a limited extent during predrying.
- a thermal treatment of the phosphorus-containing feedstock in step (b) is carried out at a temperature of 950°C or higher.
- the thermal treatment is carried out at a temperature of 980°C or higher, more preferably 1030°C or higher, even more preferably 1200°C or higher, and particularly preferably 1250°C or higher.
- the thermal treatment can be carried out at a temperature in a range from 950°C to 1550 °C, preferably in a range from 980 °C to 1550 °C, more preferably in a range from 1050 °C to 1450 °C, even more preferably in a range from 1150 °C to 1350 °C and particularly preferably in a range from 1250 °C to 1350 °C.
- the inventors have found that phosphorus contained in the phosphorus-containing feedstock passes into the gas atmosphere above a temperature of 950 °C.
- the temperature at which phosphorus contained in the phosphorus-containing feedstock passes into the gas phase depends on the type of phosphorus-containing feedstock.
- the thermal treatment be carried out at a temperature of 1250 °C or above this temperature.
- the specific temperature at which the thermal treatment is carried out depends on the type of phosphorus-containing feedstock, in particular its components and their proportions in the phosphorus-containing feedstock. The following considerations apply: From 1050 °C, a significant release of phosphorus is detected. However, sufficiently high release rates with regard to particle residence times and a sufficiently high total release of phosphorus are only achieved from 1250 °C. Higher temperatures do not currently represent a disadvantage with regard to phosphorus release. However, they can entail energy-related disadvantages, such as a reduction in the overall efficiency of the thermal treatment.
- the thermal treatment is preferably carried out at a pressure in a range of 0.9 bar to 50 bar absolute pressure.
- the thermal treatment can be carried out at ambient pressure.
- the ambient pressure can be 1.013 bar.
- the thermal treatment is carried out at a pressure of 10 to 40 bar, more preferably 20 to 30 bar, and most preferably 25 bar.
- the duration of the thermal treatment depends on the phosphorus-containing feedstock, in particular its components and their proportions, the temperature and the amount of the phosphorus-containing feedstock. This duration includes the residence of the phosphorus-containing feedstock at temperatures above 950 °C and may include holding times at temperatures above 950 °C. The thermal treatment may be carried out for a period of 5 seconds to 5 hours. The duration of the thermal treatment may correspond to the residence time of the phosphorus-containing feedstock in the reactor intended for the thermal treatment.
- the thermal treatment in step (b) can be carried out in a reaction chamber. It can be provided that reducing conditions develop in the reaction chamber during the thermal treatment in step (b). It is not absolutely necessary for the reducing conditions to already exist in the reaction chamber at the beginning of the thermal treatment in step (b). Rather, it may be sufficient for the reducing conditions to develop during the thermal treatment in step (b).
- step (b) of the process according to the invention can ensure or improve the release of phosphorus from the phosphorus-containing feedstock. It enables the co-utilization of carbon contained in the phosphorus-containing organic waste.
- the reducing conditions that develop in the reaction chamber ensure that carbon compounds contained in the phosphorus-containing organic waste are not oxidized or are only oxidized by components that also originate from the phosphorus-containing organic waste.
- the process according to the invention can therefore use a phosphorus-containing organic waste, such as sewage sludge, to thermochemically recover phosphorus with co-utilization of the carbon contained in the waste. Heavy metals contained in the phosphorus-containing organic waste can also be separated.
- the process according to the invention can provide a phosphorus-containing solution and a phosphorus-containing precipitate, which can be converted into phosphoric acid by regeneration.
- the phosphoric acid can then be converted into elemental phosphorus.
- the thermal treatment is carried out under reducing conditions.
- the reducing conditions ensure that the thermal treatment in the reaction chamber takes place under non-oxidizing conditions. If reducing conditions are provided, the reducing conditions can arise during the execution of step (b). It is therefore not absolutely necessary to add one or more reducing gases to the gas atmosphere in the reaction chamber.
- a carrier gas and/or a reaction gas may be introduced into the reaction chamber.
- the introduction of only the carrier gas, i.e., no reaction gas, is only advantageous if the phosphorus-containing feedstock contains carbon or if foreign carbon is added to it.
- the carrier gas may consist of one or more of the following gases: nitrogen, argon, helium or a mixture of two or more of these gases.
- the reaction gas may consist of one or more of the following gases: oxygen, water vapor, hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, or a mixture of two or more of these gases.
- the use of the reaction gas is intended to create reducing conditions in the reaction chamber during the thermal treatment.
- the reaction gas may consist, for example, of hydrogen and/or carbon monoxide.
- the reaction gas is hydrogen or contains hydrogen.
- the reaction gas is water vapor and oxygen.
- the reaction space contains a mixture of carbon monoxide and hydrogen.
- carbon monoxide is produced together with hydrogen in step (b) during the thermal treatment of the phosphorus-containing feedstock by reaction of the phosphorus-containing feedstock itself with the reaction gas.
- carbon monoxide from the phosphorus-containing feedstock will pass into the gas phase without carbon monoxide being used as a reaction gas.
- gas or component of the reaction gas is used.
- hydrogen from the phosphorus-containing feedstock will also pass into the gas phase without hydrogen being used as a reaction gas or component of the reaction gas. It is therefore not necessary in most cases to provide carbon monoxide and/or hydrogen as a reaction gas in step (b).
- one embodiment can thus provide a reaction gas consisting of oxygen, water vapor, carbon dioxide, or a mixture of two or more of these gases. Carbon monoxide and/or hydrogen can then pass into the gas atmosphere in the reaction space in step (b) with the formation of reducing conditions.
- the reaction gas should be provided in a substoichiometric ratio, i.e. the ratio of the amount of oxygen in the reaction gas to the amount of oxygen that would be required for complete combustion of the carbon and hydrogen contained in the phosphorus-containing feedstock.
- a substoichiometric ratio exists, for example, when the air ratio lambda is less than 1.
- the reaction gas is supplied to the reaction chamber in a substoichiometric molar ratio.
- a substoichiometric molar ratio exists when the molar amount of oxygen in the reaction gas is less than the molar amount of oxygen required for complete combustion of the carbon and hydrogen contained in the phosphorus-containing feedstock.
- the molar ratio can, for example, be less than 0.5, preferably less than 0.3, and particularly preferably less than 0.1.
- the molar ratio is 0 when the reaction gas contains no oxygen.
- the gas atmosphere that forms in the reaction chamber during the thermal treatment in step (b) should therefore not contain any oxygen.
- the gas atmosphere that forms in the reaction chamber is a reducing gas or reducing gas mixture. This reducing gas or reducing gas mixture is generated either by supplying the reaction gas or during the thermal treatment by reacting the reaction gas with the phosphorus-containing feedstock. and/or with the foreign carbon. In these cases, the gas atmosphere formed in step (b) provides reducing conditions.
- the carbon of the phosphorus-containing feedstock reacts with the reaction gas.
- the carbon is oxidized to CO and CO2 with the oxygen contained in the reaction gas. CO and CO2 can then react further.
- reaction gas Preferably, only a reaction gas, but no carrier gas, is fed into the reaction chamber.
- This is advantageous in order to be able to recycle carbon contained in the phosphorus-containing feedstock and which enters the gas atmosphere during the thermal treatment in step (b).
- a mixture of nitrogen and hydrogen can, for example, be used to carry out the process according to the invention on a laboratory scale.
- the thermal treatment of the phosphorus-containing feedstock causes the phosphorus contained in the phosphorus-containing feedstock to transition into the gas phase. In this way, the phosphorus-containing product gas is obtained.
- This transition begins, according to the inventors' findings, at 950 °C.
- the inventors have further found that phosphorus contained in the phosphorus-containing feedstock in the gas phase in the form of elemental phosphorus.
- the phosphorus-containing product gas contains all or some of the components of the carrier gas fed into the reaction chamber and/or the reaction gas fed into the reaction chamber. It may contain further components that originate from the phosphorus-containing feedstock and pass into the gas atmosphere during the thermal treatment.
- the product gas may contain one or more of the following compounds: carbon monoxide (CO), hydrogen (FE), water vapor (FEO), carbon dioxide (CO2) and methane (CEE).
- the product gas may contain one or more other gases in low concentrations: EES, COS, NEE, ethane, ethene, ethyne, although this list is not exhaustive.
- a low concentration is understood to mean a concentration of the gas(es) of less than 1 vol.%, based on the volume of the product gas.
- the thermal treatment can be carried out in the reaction chamber of a reactor.
- the phosphorus-containing feedstock is introduced into the reaction chamber of the reactor.
- the carrier gas and/or the reaction gas are fed into the reaction chamber.
- reducing conditions can develop.
- the reactor can be a furnace, for example, a furnace with a vertical reaction tube. This furnace can be electrically heated, e.g., via resistance heating elements or, preferably, via a thermal plasma.
- the process according to the invention enables solid gasification of the phosphorus-containing feedstock.
- the solid gasification is preferably allothermal. This can be achieved by coupling electrical energy, e.g., via resistance heating elements or plasma.
- the pyrolysis and the thermal treatment provided in step (b) can be carried out in separate reactors, which can be located, for example, at different locations, or in a single reactor.
- a solid pyrolysis residue is obtained, which according to the invention can be used as a phosphorus-containing feedstock can be used.
- This solid pyrolysis residue may contain carbon.
- An example of a phosphorus-containing organic waste material that contains carbon is sewage sludge.
- carbon also referred to as extraneous carbon, can be added to it, either in elemental form or in the form of another carbon-containing compound.
- An example of a phosphorus-containing organic waste material that does not contain carbon is bone meal.
- the extraneous carbon can, for example, originate from a carbon-containing, preferably carbon-rich, waste product.
- the carbon-rich waste product used for this purpose can, for example, be a carbon-containing plastic or a mixture of such plastics. It can be provided that the carbon-rich waste product does not contain any phosphorus. Due to the reducing effect of the carbon contained in the phosphorus-containing feedstock, the extraneous carbon added thereto and/or the reducing conditions formed in the reaction chamber on the one hand and the high temperatures in step (b) on the other hand, the phosphorus contained in the feedstock can be released in the form of elemental phosphorus, phosphorus oxides and/or phosphanes.
- Step (c) of the process according to the invention provides for contacting the phosphorus-containing product gas with an aqueous solution containing copper(II) ions to separate phosphorus from the phosphorus-containing product gas.
- an aqueous solution containing copper(II) ions to separate phosphorus from the phosphorus-containing product gas.
- the phosphorus-containing product gas obtained in step (b) is introduced into the solution containing copper(II) ions.
- the aqueous solution containing copper(II) ions is preferably a 0.01 M to saturated solution, more preferably a 0.05 M to saturated solution, and particularly preferably a 0.1 M to saturated solution.
- the aqueous solution containing copper(II) ions can be a 0.1 M, a 0.2 M, a 0.25 M, a 0.5 M, or a 1.2 M solution.
- the aqueous solution containing copper(II) ions is a 0.05 M to 0.3 M solution.
- the saturation concentration for CuSO4*5H2O is approximately 1.4 M at room temperature. It has been shown that the higher the concentration of The higher the concentration of copper(II) ions in the aqueous solution, the higher the separation of phosphorus from the phosphorus-containing product gas.
- a phosphorus-depleted product gas is obtained.
- the phosphorus-depleted product gas is also referred to below as depleted product gas.
- the aqueous solution containing copper(II) ions can be provided in a scrubber.
- the phosphorus-containing product gas is preferably fed to the scrubber at a temperature above the sublimation temperature of phosphorus pentoxide.
- the phosphorus-containing product gas can be fed to the scrubber via a product gas line having a temperature above the sublimation temperature of phosphorus pentoxide.
- the product gas line can be heated.
- a product gas line heated above the sublimation temperature of phosphorus pentoxide can be provided, through which the phosphorus-containing product gas is fed into the scrubber.
- the sublimation temperature of phosphorus pentoxide is 362°C at an ambient pressure of 1.013 bar.
- the phosphorus-containing product gas is fed to the scrubber at a pressure of 1.013 bar, it is preferably fed to the scrubber at a temperature above 362°C.
- the scrubber can be a washing bottle or a container with a spray device for the aqueous solution containing copper(II) ions. Multiple scrubbers can be provided. Each scrubber can have a stirring device.
- the aqueous solution containing copper(II) ions can be, for example, an aqueous copper(II) sulfate solution or an aqueous copper(II) chloride solution, with an aqueous copper(II) sulfate solution being preferred.
- the inventors have achieved particularly high phosphorus recovery with a 0.1 M and a 0.2 M copper(II) sulfate solution.
- the copper(II) sulfate solution is a 0.05 M to 0.3 M solution.
- a copper-phosphorus compound can be a copper phosphide, for example copper(I) phosphide (CuaP).
- the phosphorus species contained in the phosphorus-containing product gas can form phosphoric acid and/or a copper phosphide-containing precipitate with the copper(II) ions when the phosphorus-containing product gas is introduced into the aqueous solution containing copper(II) ions.
- Other gas components contained in the phosphorus-containing product gas such as CO, EE, CO2 and/or CEL, can pass through the aqueous solution containing copper(II) ions without further reaction. They can then be used for material purposes, e.g., chemical synthesis, or for energy recovery. If the product gas contains H2O, this can remain in the aqueous solution containing copper(II) ions.
- the other gas components contained in the phosphorus-containing product gas are components that (i) come from the phosphorus-containing feedstock, (ii) from the added foreign carbon or the added carbonaceous, preferably carbon-rich waste product or (iii) from the supplied carrier gas and/or reaction gas.
- the phosphorus-containing product gas can be brought into contact with the aqueous solution containing copper(II) ions at a temperature below the evaporation temperature of the aqueous solution containing copper(II) ions, for example at ambient temperature or room temperature.
- Room temperature is understood to mean, in particular, a temperature of 10 to 30°C.
- the phosphorus-containing product gas can be brought into contact with the aqueous solution containing copper(II) ions at an absolute pressure of at least 0.9 bar and less than 50 bar.
- the thermal treatment can be carried out at ambient pressure.
- the ambient pressure can be 1.013 bar.
- the process according to the invention can thus comprise a step (d) which provides for the separation of phosphorus from the phosphorus-containing solution obtained in step (c) and/or the optionally formed phosphorus-containing precipitate.
- the process according to the invention can comprise the separation of one or more phosphorus-containing compounds. Copper-phosphorus compounds which are obtained as solids when the phosphorus-containing product gas is introduced into the aqueous solution containing copper(II) ions can be separated from the phosphorus-containing solution by a solid-liquid separation process, for example filtration or centrifugation. For example, copper phosphide can be separated by filtration or centrifugation.
- the separated copper-phosphorus compound(s) can then be converted to elemental phosphorus and/or phosphoric acid, for example by acidification with an inorganic acid such as sulfuric acid and subsequent oxidation using oxygen such as atmospheric oxygen.
- the air can be supplied by air injection.
- the phosphorus-containing solution and phosphorus-containing precipitate, both of which can be obtained in step (c), contain, for example, Cu ⁇ P, H3PO4, and CuSO4. If the solution is acidified with H2SO4 and subsequently oxidized with air, the 13P is oxidized to Cu3(PO4)2. Thus, a mixture of copper ions, Sulfate ions and phosphate ions are present. If CuSC is separated by ion exchange or another separation process, an aqueous solution containing only H3PO4 is obtained.
- the oxidation of the CU3P can occur from the precipitate if no filtration is carried out.
- the precipitate is filtered to separate it and the precipitate is processed separately, or (ii) no filtration is carried out and the suspension of precipitate and solution is oxidized.
- the phosphorus species contained in the solution are oxidized by air injection or in another way and then separated, for example by ion exchange.
- phosphoric acid formed during the oxidation is separated, for example by ion exchange.
- Phosphoric acid and/or other phosphorus compounds present in the phosphorus-containing solution can be separated from the phosphorus-containing solution by means of a molecular separation process, thereby obtaining a phosphorus-depleted solution. In this way, it is possible to recycle the aqueous solution containing copper(II) ions, for example, the copper sulfate solution.
- An example of a molecular separation process is separation by ion exchange.
- phosphoric acid can be separated by ion exchange. Separation by membrane processes is also possible.
- the process according to the invention uses a solution containing copper(II) ions, for example copper sulfate, as a scrubbing medium for separating phosphorus from a product gas formed in a thermochemical process under non-oxidizing conditions.
- copper(II) ions for example copper sulfate
- the phosphorus-containing exhaust gases produced during the thermal treatment are post-combusted or post-oxidized to obtain water-soluble phosphorus species, which are subsequently scrubbed from the exhaust gas.
- the process according to the invention selectively removes the phosphorus species from the product gas, allowing not only the utilization of the volatile pyrolysis products obtained previously in the pyrolysis step, but also the utilization of the resulting gas components carbon monoxide and/or hydrogen.
- the process according to the invention enables the recovery of phosphorus and phosphorus-containing compounds from a gas phase.
- the gas phase can be the product gas obtained in step (b).
- phosphorus from phosphorus-containing organic waste materials such as sewage sludge, sewage sludge coke or biomass can be thermally converted into the gas phase (step (b)), separated (step (c)) and thus recovered.
- the material utilization of the carbon contained in the phosphorus-containing feedstock is enabled by at least CO and H2, which are contained in the product gas, passing through the solution containing copper(II) ions, whereby a depleted product gas is obtained and can be further utilized in a subsequent chemical synthesis.
- the component(s) can be used to synthesize the compounds methanol, methane, ammonia, gasoline, or kerosene.
- the process according to the invention thus enables carbon recycling.
- step (b) The pretreatment of the phosphorus-containing organic waste and the thermal treatment of the phosphorus-containing feedstock according to step (b) can be carried out spatially and/or temporally separately. However, this is not mandatory.
- Fig. 1 is a flow diagram of a first embodiment of the process according to the invention.
- Fig. 2 is a flow diagram of a second embodiment of the process according to the invention.
- a phosphorus-containing feedstock is provided (101) obtained by pre-drying a phosphorus-containing organic waste material, such as sewage sludge.
- a phosphorus-containing organic waste material such as sewage sludge.
- the pre-dried phosphorus-containing organic waste material is not subjected to pyrolysis but is used directly as a phosphorus-containing feedstock. It should be noted that pre-drying is not mandatory.
- the provided phosphorus-containing feedstock is then subjected to a thermal treatment according to step (b) at a temperature of at least 950 °C (102).
- the thermal treatment takes place in a reaction chamber.
- reducing or non-oxidizing conditions are created in the reaction chamber.
- a carrier gas (103) and/or a reaction gas (104) can be supplied to the phosphorus-containing feedstock.
- a gaseous phosphorus-containing product gas is obtained, which is fed to a separation system (106) to carry out step (c). Ash and/or slag are also obtained (105).
- the separation system the phosphorus-containing product gas is brought into contact with an aqueous copper(II) sulfate solution.
- the phosphorus-containing product gas is scrubbed, whereby phosphorus, for example P2 and P2O5, is separated from the phosphorus-containing product gas to obtain a phosphorus-depleted product gas.
- One or more components, for example H2, CO, and/or CH4, of the phosphorus-depleted product gas can be subjected to material and/or energy utilization (107).
- a phosphorus-containing aqueous copper(II) sulfate solution is obtained (108).
- a copper phosphide precipitate may form.
- the phosphorus-containing aqueous copper(II) sulfate solution and the phosphorus-containing precipitate can be regenerated according to step (d) (109).
- the suspension of phosphorus-containing precipitate in phosphorus-containing aqueous copper(II) sulfate solution can be acidified with H2SO4 and subsequently oxidized with air, yielding phosphoric acid.
- the phosphoric acid can be separated (HO).
- the dashed frame 1 shown in Fig. 1 indicates a process step of the method according to the invention.
- the narrower dashed frames in Fig. 1 indicate steps (a), (b), (c), and (d).
- the second embodiment shown in Fig. 2 corresponds to the first embodiment shown in Fig. 1, except that in step (a) a phosphorus-containing feedstock obtained by pyrolysis of a phosphorus-containing organic waste is provided.
- the process section shown in Fig. 1 is the second process section 1, which is preceded by a first process section.
- the first process section is indicated by a dashed frame 2.
- the narrower dashed frames in Fig. 2 indicate steps (a), (b), (c) and (d).
- a phosphorus-containing organic waste material such as sewage sludge
- the provided phosphorus-containing organic waste material is subsequently subjected to preparation by comminution (202).
- the comminuted phosphorus-containing organic waste material is then subjected to pyrolysis at a temperature of 400 to 600 °C (203), whereby the phosphorus-containing feedstock is obtained.
- Pyrolysis also produces vaporous pyrolysis products, which are fed to a condensation system (204).
- the pyrolysis products condensed therein are utilized (205).
- Uncondensed pyrolysis products, in particular FE, CO, CO2, and CEU, are also obtained therein (206).
- the uncondensed pyrolysis products are subjected to CO2 removal (207).
- the remaining uncondensed pyrolysis products can be subjected to material and/or energy utilization (107).
- the phosphorus-containing feedstock obtained during pyrolysis is then subjected to a thermal treatment (102), as already described in connection with the embodiment shown in Fig. 1. This is followed by the steps also described in connection with Fig. 1.
- a coke obtained by pyrolysis of sewage sludge was used. This coke is also referred to below as sewage sludge coke.
- the recovery of phosphorus from sewage sludge coke was carried out using a pilot plant known as GeRiX (Ab- The gasification process is carried out using a gasification system called "gasification equipment for reduction in fixed bed” (abbreviation for "gasification equipment for reduction in fixed bed”). This process quantitatively determines the recovery of phosphorus. The entire process was carried out at a pressure of 1,013 bar.
- step (b) of the process according to the invention sewage sludge coke samples, each weighing 2.4 g, were placed in a sample crucible through an opening from below into the reaction chamber of a vertical tube furnace with a ceramic reactor and sealed with a flange system.
- the process atmosphere was adjusted via mass flow controllers (MFCs) on the periphery of the system.
- the volume flow for the experiments was 30 l/h STP.
- STP describes standard conditions, namely an absolute pressure of 1.01325 bar and a temperature of 0 °C.
- the sewage sludge coke was treated at a temperature of 1450 °C (heating from room temperature to the final temperature at 5 K/min). For this purpose, the sewage sludge coke was heated from room temperature to a temperature of 1450 °C.
- the product gas exiting the reactor was piped to two gas scrubbers to carry out step (c) of the process according to the invention.
- This pipe is referred to below as the gas line.
- the entire gas line downstream of the reactor up to the scrubbers used for phosphorus deposition was heated to over 362°C. The heating was monitored using thermocouples in the gas line to ensure sufficient heating. A temperature of over 362°C is necessary to prevent gaseous phosphorus pentoxide from resubliming.
- Two glass scrubbers containing CuSO4 solution were installed at the end of the gas line.
- a product gas containing N2, FE, and small amounts of CO, CEU, and other hydrocarbons, which exited the scrubbers, was piped into the exhaust air.
- N2 and FE contained in the product gas originate from the carrier gas and reaction gas used in step (b), while at least the carbon and oxygen components of CO, CEU and other hydrocarbons originate from the phosphorus-containing feedstock.
- the sample crucible was removed from the furnace, the residue was weighed to obtain m residue, and the residual phosphorus content was determined using optical emission spectroscopy with inductively coupled plasma and electrothermal evaporation (ETV-ICP-OES) and, comparatively, using X-ray fluorescence analysis.
- ETV-ICP-OES inductively coupled plasma and electrothermal evaporation
- P is the mass fraction of released phosphorus relative to the mass of phosphorus contained in the sewage sludge coke used
- mCoke is the mass of sewage sludge coke used according to the initial weight
- Sewage sludge coke mcoke is the mass of residue remaining from the sewage sludge coke after step (b) has been carried out, as measured by the final weighing;
- P separation is the mass fraction of separated phosphorus based on the mass of phosphorus released from the sewage sludge coke used; mp, filter i is the mass of phosphorus contained in the filter cake of the first wash bottle; mp, filter i is the mass of phosphorus contained in the filter cake of the second wash bottle; mp, solution i is the mass of phosphorus contained in the Cu2SO4 solution of the first wash bottle; mp, solution 2 is the mass of phosphorus contained in the Cu2SO4 solution of the second wash bottle; mp, released is the mass of phosphorus released in step (b), where mp, released - P price * P coke * n coke.
- phosphorus release refers to phosphorus that passes from the sewage sludge coke into the gas atmosphere in the reaction chamber in step (b).
- phosphorus separation refers to phosphorus that passes from the product gas into the CuSC solution in step (c) or precipitates from this solution as a copper-phosphorus compound. The phosphorus separation is determined from the mass of phosphorus separated by filtration and the mass of phosphorus present in the solution.
- the two wash bottles each contained 2.6 L of CuSC solution and each had a stirring device. Either a 0.25 M CuSC solution or a 0.1 M CuSC solution was used.
- the furnace was heated at a heating rate (AHR) of 5 K/min to a temperature of 1450 °C. After reaching 1450 °C, the furnace was allowed to cool by switching off the heating to allow the residue to be removed.
- AHR heating rate
- a depleted product gas was obtained which, in addition to hydrogen, also contained carbon monoxide.
- the depleted product gas can be used further, for example, for chemical synthesis.
- Example 1 phosphorus was extracted from coke oil using a 0.1 M Cu2SO4 solution.
- the initial weight mKoks of coke oil was 2.4030 g, and the final weight mRückstand was 1.2823 g.
- the phosphorus content of the initial weight PKoks was 7.60 mass%, and the phosphorus content of the final weight PRückstana was 4.24 mass%.
- Equation (1) a phosphorus release P of ⁇ 70.2% was determined. According to equation (2), 55.2% of this was separated, namely 35% in the filter cake and 65% in solution.
- Example 2 phosphorus was extracted from coke oil using a 0.25 M Cu2SO4 solution.
- the initial weight mKoks of coke oil was 2.4050 g, and the final weight mRückstand was 1.2933 g.
- the phosphorus content of the initial weight PKoks was 7.60 mass%, and the phosphorus content of the final weight PRückstana was 4.23 mass%.
- equation (1) a phosphorus release P of approximately 70% was determined.
- equation (2) 64.3% of this was separated, namely 45% in the filter cake and 55% in solution.
- Example 3
- Example 3 phosphorus was extracted from coke_03 using a 0.25 M Cu2SO4 solution.
- the initial weight mcoke of coke_01 was 2.4010 g, and the final weight mresidue was 1.4576 g.
- the phosphorus content of the initial weight Pcoke was 6.51 mass%, and the phosphorus content of the final weight Presidue was 0.83 mass%.
- Equation (1) a phosphorus release P of ⁇ 92% was determined. According to equation (2), 84.8% of this was separated, namely 31% in the filter cake and 69% in solution.
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Abstract
Description
Beschreibung Description
Verfahren zur Gewinnung von Phosphor aus phosphorhaltigen organischen Abfallstoffen Process for the extraction of phosphorus from phosphorus-containing organic waste materials
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Phosphor aus phosphorhaltigen organischen Abfallstoffen. [0001] The invention relates to a process for the recovery of phosphorus from phosphorus-containing organic waste materials.
[0002] Gemäß der 2017 beschlossenen Neuordnung der Klärschlammverwertung [1] ist ab 2029 eine Phosphorrückgewinnung aus Klärschlämmen mit einem Phosphorgehalt über 2 Masse-% erforderlich. Dabei kann entweder eine direkte Phosphorrückgewinnung oder eine thermische Vorbehandlung, beispielsweise eine Co- oder Monoverbrennung, mit nachgeschalteter Phosphorrückgewinnung oder stofflicher Verwertung der Klärschlammasche unter Nutzung des Phosphorgehalts erfolgen. [0002] According to the new regulations for sewage sludge utilization adopted in 2017 [1], phosphorus recovery from sewage sludge with a phosphorus content above 2% by mass is required from 2029. This can be achieved either by direct phosphorus recovery or by thermal pretreatment, such as co- or mono-incineration, with subsequent phosphorus recovery or by material recycling of the sewage sludge ash using the phosphorus content.
[0003] Bis 2032 vergrößert sich der Kreis der rückgewinnungspflichtigen Kläranlagen, da ab 2032 eine bodenbezogene Verwertung nur noch für Kläranlagen mit einer Ausbaugröße von unter 50000 Einwohneräquivalenten möglich ist. Wird der Phosphor aus dem Klärschlamm direkt rückgewonnen, so muss der Phosphorgehalt im Klärschlamm auf unter 2 Masse-% gesenkt werden. Sind mehr als 4 Masse-% Phosphor im Klärschlamm enthalten, so ist es ausreichend, den Phosphorgehalt um 50 Masse-% zu reduzieren. Wird der Klärschlamm verbrannt und Klärschlammasche verwendet, so müssen 80 Masse-% des in der Asche enthaltenen Phosphors rückgewonnen werden. [0003] By 2032, the number of sewage treatment plants subject to mandatory recovery will increase, as from 2032, soil-based recycling will only be possible for sewage treatment plants with a capacity of less than 50,000 population equivalents. If phosphorus is recovered directly from sewage sludge, the phosphorus content in the sewage sludge must be reduced to below 2% by mass. If the sewage sludge contains more than 4% by mass of phosphorus, it is sufficient to reduce the phosphorus content by 50% by mass. If the sewage sludge is incinerated and sewage sludge ash is used, 80% by mass of the phosphorus contained in the ash must be recovered.
[0004] 2021 wurde ein Großteil, d. h. über 75 %, des anfallenden Klärschlamms einer thermischen Verwertung hauptsächlich durch Verbrennung zugeführt. Spätestens ab 2032 entfällt oftmals die Möglichkeit der landwirtschaftlichen Nutzung des Klärschlamms, so dass dieser Klärschlamm einer anderen Verwertungsform zugeführt werden muss. Aktuell sind keine Daten zu weiterführenden Verwertungswegen der bei der thermischen Verwertung entstehenden Klärschlammasche bzw. Mischasche in Deutschland vorhanden. [0005] Prinzipiell sind viele Verfahren zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm in der Literatur beschrieben. Diese lassen sich im Hinblick auf den Einsatzstoff in Klärschlammverfahren und Klärschlammascheverfahren, im Hinblick auf die Prozessführung in thermochemische und nicht-thermochemische und im Hinblick auf die Produkte in düngererzeugende und nicht-düngererzeugende Verfahren unterteilen. [0004] In 2021, a large portion, i.e., over 75%, of the sewage sludge generated was subjected to thermal treatment, primarily through incineration. By 2032 at the latest, the agricultural use of sewage sludge will often no longer be possible, so this sewage sludge must be subjected to another form of treatment. Currently, no data are available in Germany on further treatment options for the sewage sludge ash or mixed ash generated during thermal treatment. [0005] In principle, many processes for phosphorus recovery from sewage sludge have been described in the literature. These can be divided into sewage sludge processes and sewage sludge ash processes with regard to the feedstock, thermochemical and non-thermochemical processes with regard to the process control, and fertilizer-producing and non-fertilizer-producing processes with regard to the products.
[0006] Eine direkte Klärschlammverwertung ist der Klärschlammverbrennung und der anschließenden Rückgewinnung von Phosphor aus der Asche vorzuziehen, da einerseits der Prozessschritt der Verbrennung entfällt und andererseits eine parallele Verwendung anderer Wertstoffe wie des im Klärschlamm gebundenen Kohlenstoffs möglich ist. Weiterhin sind thermochemische Verfahren den nicht-thermochemischen Verfahren insofern überlegen, dass gleichzeitig eine Hygienisierung und eine Entfernung von Pathogenen stattfinden. Weiterhin ist beispielsweise durch reduzierende Prozessführung eine Erzeugung von Synthesegas, bestehend aus Kohlenstoffmonooxid und Wasserstoff, oder durch Pyrolyse eine zusätzliche Erzeugung von ölartigen Zwischenprodukten möglich, so dass eine stoffliche anstelle einer thermischen Verwertung des Kohlenstoffs ermöglicht wird. Damit verbunden ist die Minimierung von CCh-Emissi- onen. Bei der Pyrolyse entsteht sowohl Pyrolysegas, d. h. Synthesegas und leichte Kohlenwasserstoffe, als auch ein flüssiges Nebenprodukt. Unter Synthesegas wird ein Gasgemisch verstanden, das als Hauptkomponenten Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff enthält. [0006] Direct sewage sludge utilization is preferable to sewage sludge incineration and the subsequent recovery of phosphorus from the ash because, on the one hand, the incineration process step is eliminated and, on the other hand, parallel use of other valuable materials such as the carbon bound in the sewage sludge is possible. Furthermore, thermochemical processes are superior to non-thermochemical processes in that they simultaneously sanitize and remove pathogens. Furthermore, for example, reducing processes can produce synthesis gas consisting of carbon monoxide and hydrogen, or pyrolysis can produce additional oil-like intermediates, thus enabling material rather than thermal utilization of the carbon. This is associated with the minimization of CCh emissions. Pyrolysis produces both pyrolysis gas, i.e. synthesis gas and light hydrocarbons, and a liquid by-product. Synthesis gas is understood to be a gas mixture containing carbon monoxide and hydrogen as its main components.
[0007] Im Vergleich zu düngererzeugenden Verfahren besteht bei nicht-düngererzeu- genden Verfahren die Möglichkeit, Phosphor entweder in der Form von elementarem (weißem) Phosphor oder in Form von Phosphorsäure rückzugewinnen. Diese Stoffe sind höherwertige Produkte, da weitere Verwertungswege eröffnet werden. Weiterhin ist eine Abtrennung des Phosphors von den im Klärschlamm enthaltenen Schwermetallen notwendig, welche beispielsweise über selektive Überführung in die Gasphase erfolgen kann. [0007] Compared to fertilizer-producing processes, non-fertilizer-producing processes offer the possibility of recovering phosphorus either in the form of elemental (white) phosphorus or in the form of phosphoric acid. These substances are higher-value products, as they open up additional recycling routes. Furthermore, the phosphorus must be separated from the heavy metals contained in the sewage sludge, which can be achieved, for example, by selective conversion into the gas phase.
[0008] Aus EP 3 305 724 Al ist ein Verfahren zur Phosphorentfrachtung aus organischem Substratmaterial bekannt. Hierbei werden die Einsatzstoffe zunächst bei Temperaturen zwischen 400 °C und 800 °C pyrolysiert und flüchtige Kohlenstoffverbindungen entfernt, was zu einer Aufkonzentration des Phosphors im Koksrückstand führt. Anschließend wird eine Gewinnung von Phosphat, beispielsweise durch Säuren, Laugen oder andere Extraktionsmittel aus dem Koks vorgeschlagen. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass weitestgehend keine Trennung des Phosphors von den im Einsatzstoff enthaltenen Schwermetallen erfolgt, wodurch lediglich minderwertige, mit Schwermetallen verunreinigte Produkte erhalten werden können. Weiterhin wird zwar die Rückführung des Kokses, jedoch nicht die Verwertung der weiterhin anfallenden Pyrolyseprodukte wie Pyrolyseöl und Pyrolysegas berücksichtigt. [0008] EP 3 305 724 A1 discloses a process for removing phosphorus from organic substrate material. Here, the feedstocks are first Pyrolysis takes place at temperatures between 400 °C and 800 °C, and volatile carbon compounds are removed, which leads to an increased concentration of phosphorus in the coke residue. Phosphate is then extracted from the coke, for example, using acids, alkalis, or other extraction agents. A disadvantage of this process is that the phosphorus is largely not separated from the heavy metals contained in the feedstock, resulting in only low-quality products contaminated with heavy metals. Furthermore, while the recycling of the coke is considered, the utilization of the resulting pyrolysis products, such as pyrolysis oil and pyrolysis gas, is not.
[0009] Aus EP 2 640 531 A2 und US 2013/272944 Al ist ein Verfahren zur Aufbereitung von organischen Abfallstoffen wie Klärschlamm, Klärschlammasche und Tiermehl bekannt. Hierbei wird der Einsatzstoff mit chlorhaltigen Zuschlagsstoffen vermengt, welche mit den insbesondere in der Klärschlammasche enthaltenen Metallen leichterflüchtige Chloride bilden, so dass die Einsatzstoffe in einem Oxidationsschritt (0,85 < < 1,6) an Schwermetallen abgereichert werden können. Anschließend wird der hinsichtlich Schwermetallen abgereicherte Einsatzstoff in einem induktiv beheizten Reaktor mit Graphitschüttung bei 1300 °C bis 1600 °C unter reduzierenden Bedingungen thermisch behandelt, so dass elementarer Phosphor gebildet wird, welcher mit dem Produktgas abgezogen werden kann. Die Abtrennung des Phosphors erfolgt anschließend mittels Quenching. Nachteilig an diesem Prozess ist, dass durch die oxidative Entfernung der Schwermetalle der Kohlenstoffanteil des Einsatzstoffs lediglich thermisch verwertet wird. [0009] EP 2 640 531 A2 and US 2013/272944 A1 disclose a process for the treatment of organic waste materials such as sewage sludge, sewage sludge ash, and animal meal. In this process, the feedstock is mixed with chlorine-containing additives, which form more volatile chlorides with the metals contained, in particular, in the sewage sludge ash, so that the feedstock can be depleted of heavy metals in an oxidation step (0.85 < < 1.6). The feedstock, depleted of heavy metals, is then thermally treated in an inductively heated reactor with a graphite bed at 1300 °C to 1600 °C under reducing conditions, so that elemental phosphorus is formed, which can be removed with the product gas. The phosphorus is then separated by quenching. The disadvantage of this process is that the carbon content of the feedstock is only thermally utilized due to the oxidative removal of heavy metals.
[0010] Aus DE 10 2020 001 989 Al ist ein Verfahren bekannt, bei dem über 80 % des im Klärschlamm enthaltenen Phosphors in einem Drehrohrofen unter Beaufschlagung mit Kohlenstoff und Siliciumdioxid bei Temperaturen über 1250 °C und einer Verweilzeit von über 20 min in Form von Phosphorpentoxid rückgewonnen werden können. Es wird beschrieben, dass der zunächst zumindest teilweise elementar freigesetzte Phosphor mit Sauerstoff reoxidiert wird. Anschließend wird das gebildete Phosphorpentoxid in einem „Hydrator“ zu Phosphorsäure umgesetzt. Über den Verbleib des nicht im Hydrator umgesetzten Abgases werden keine Angaben gemacht. [0011] Im Hinblick auf diesen Stand der Technik ist ein Verfahren zur Verwertung von Klärschlamm wünschenswert, bei dem nicht nur Phosphor rückgewonnen wird, sondern auch andere chemische Elemente wie Kohlenstoff oder Wasserstoff, die im Klärschlamm enthalten sind, genutzt werden können. [0010] DE 10 2020 001 989 A1 discloses a process in which over 80% of the phosphorus contained in sewage sludge can be recovered in the form of phosphorus pentoxide in a rotary kiln under exposure to carbon and silicon dioxide at temperatures above 1250°C and a residence time of over 20 minutes. It is described that the phosphorus, initially released at least partially in elemental form, is reoxidized with oxygen. The resulting phosphorus pentoxide is then converted to phosphoric acid in a "hydrator." No information is provided on the fate of the exhaust gas not converted in the hydrator. [0011] In view of this state of the art, a process for the recycling of sewage sludge is desirable in which not only phosphorus is recovered but also other chemical elements such as carbon or hydrogen contained in the sewage sludge can be utilized.
[0012] Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren zur Gewinnung von Phosphor aus phosphorhaltigen organischen Abfall stoffen, insbesondere aus Klärschlamm, angegeben werden, das die thermochemische Rückgewinnung von Phosphor unter Mitverwertung von Kohlenstoff, der in den phosphorhaltigen organischen Abfallstoffen enthalten ist, ermöglicht. [0012] The object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art. In particular, it is intended to provide a process for the recovery of phosphorus from phosphorus-containing organic waste materials, in particular from sewage sludge, which enables the thermochemical recovery of phosphorus with co-utilization of carbon contained in the phosphorus-containing organic waste materials.
[0013] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. [0013] This object is achieved by the features of claim 1. Expedient embodiments of the inventions emerge from the features of the subclaims.
[0014] Nach Maßgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung von Phosphor aus einem phosphorhaltigen organischen Abfallstoff vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte: [0014] According to the invention, a process for recovering phosphorus from a phosphorus-containing organic waste material is provided. The process comprises the steps:
(a) Bereitstellen eines phosphorhaltigen Einsatzmaterials, wobei das phosphorhaltige Einsatzmaterial der phosphorhaltige organische Abfallstoff ist oder aus dem phosphorhaltigen organischen Abfallstoff erhalten wurde; (a) providing a phosphorus-containing feedstock, wherein the phosphorus-containing feedstock is the phosphorus-containing organic waste material or is obtained from the phosphorus-containing organic waste material;
(b) thermische Behandlung des phosphorhaltigen Einsatzmaterials bei einer Temperatur von 950 °C oder höher unter Erhalt eines phosphorhaltigen Produktgases; und (b) thermally treating the phosphorus-containing feedstock at a temperature of 950 °C or higher to obtain a phosphorus-containing product gas; and
(c) In-Kontakt-Bringen des phosphorhaltigen Produktgases mit einer Kupfer(II)-Io- nen enthaltenden wässerigen Lösung zur Abtrennung von Phosphor aus dem phosphorhaltigen Produktgas. [0015] Der Ausdruck „phosphorhaltiger organischer Abfallstoff‘ kann sich auf ein phosphorhaltiges Material beziehen, das organische Bestandteile und/oder anorganische Bestandteile enthält. Der phosphorhaltige organische Abfallstoff enthält außerdem Kohlenstoff. Der Kohlenstoff kann dabei in elementarer Form und in chemisch gebundener Form vorliegen. Bei dem phosphorhaltigen organischen Abfall Stoff kann es sich beispielsweise um Klärschlamm, Klarschlammkoks, Klärschlammasche, Trockenschlamm, Biomasse, Knochenmehl oder Tiermehl handeln. Vorzugsweise ist der phosphorhaltige organische Abfallstoff Klärschlamm. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit insbesondere zur Gewinnung von Phosphor aus Klärschlamm geeignet. (c) contacting the phosphorus-containing product gas with an aqueous solution containing copper(II) ions to separate phosphorus from the phosphorus-containing product gas. [0015] The term "phosphorus-containing organic waste" can refer to a phosphorus-containing material that contains organic components and/or inorganic components. The phosphorus-containing organic waste also contains carbon. The carbon can be present in elemental form and in chemically bound form. The phosphorus-containing organic waste can be, for example, sewage sludge, sludge coke, sewage sludge ash, dry sludge, biomass, bone meal, or animal meal. The phosphorus-containing organic waste is preferably sewage sludge. The process according to the invention is thus particularly suitable for recovering phosphorus from sewage sludge.
[0016] Es ist nicht zwingend erforderlich, dass der phosphorhaltige organische Abfallstoff unmittelbar der in Schritt (b) vorgesehenen thermischen Behandlung unterzogen wird. Vielmehr kann vorgesehen sein, dass der phosphorhaltige organische Abfallstoff vor Schritt (b) einer Vorbehandlung unterzogen wird, wodurch das phosphorhaltige Einsatzmaterial erhalten wird. Alternativ kann der phosphorhaltige organische Abfallstoff ohne Vorbehandlung als phosphorhaltiges Einsatzmaterial eingesetzt werden. Das phosphorhaltige Einsatzmaterial ist vorzugsweise fest oder ein Gemisch aus Feststoff und Flüssigkeit. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Einsatzmaterial bei Umgebungstemperatur und atmosphärischem Druck fest oder ein Schlamm ist. Es kann vorgesehen sein, dass Schritt (a) eine Vorbereitung des phosphorhaltigen organischen Abfallstoffs umfasst. Bei der Vorbereitung kann es sich beispielsweise um eine Zerkleinerung des phosphorhaltigen organischen Abfallstoffs handeln. Die Vorbereitung kann vor der Vorbehandlung ausgeführt werden. [0016] It is not absolutely necessary for the phosphorus-containing organic waste to be subjected directly to the thermal treatment provided for in step (b). Rather, it can be provided that the phosphorus-containing organic waste is subjected to pretreatment before step (b), whereby the phosphorus-containing feedstock is obtained. Alternatively, the phosphorus-containing organic waste can be used as phosphorus-containing feedstock without pretreatment. The phosphorus-containing feedstock is preferably solid or a mixture of solid and liquid. In particular, it can be provided that the feedstock is solid or a sludge at ambient temperature and atmospheric pressure. It can be provided that step (a) comprises a preparation of the phosphorus-containing organic waste. The preparation can be, for example, a comminution of the phosphorus-containing organic waste. The preparation can be carried out before the pretreatment.
[0017] Die Vorbehandlung kann eine Vortrocknung des phosphorhaltigen organischen Abfallstoffs umfassen. Beispielsweise kann der Klärschlamm einer Vortrocknung unterzogen werden, wodurch ein vorgetrockneter Klärschlamm erhalten wird. Die Vortrocknung kann beispielsweise bei einer Temperatur von 50 bis 200 °C erfolgen. [0017] The pretreatment may include predrying the phosphorus-containing organic waste. For example, the sewage sludge may be subjected to predrying, thereby obtaining predried sewage sludge. The predrying may, for example, take place at a temperature of 50 to 200°C.
[0018] Die Vorbehandlung kann alternativ oder zusätzlich zur Vortrocknung eine Pyrolyse des phosphorhaltigen organischen Abfallstoffs umfassen. Beispielsweise kann der Klärschlamm einer Pyrolyse unterzogen werden, wodurch ein Klärschlammkoks erhalten wird. Die Pyrolyse wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 300 °C bis 900 °C, stärker bevorzugt bei einer Temperatur von 300 °C bis 700 °C und besonders bevorzugt von 400 °C bis 600 °C durchgeführt. Die Pyrolysetemperatur sowie die Haltezeit hängen dabei von dem eingesetzten phosphorhaltigen organischen Abfallstoff ab. Die Haltezeit ist insbesondere auch von der zu pyrolysierenden Menge an phosphorhaltigem organischen Abfallstoff abhängig. In einem Beispiel kann bei einer Pyrolysetemperatur von 500 °C für 1 kg phosphorhaltiger organischer Abfallstoff eine Haltezeit von 5 h gewählt werden. Es kann vorgesehen sein, dass die Haltezeit zwischen 5 min und 10 h liegt. Es kann vorgesehen sein, dass die bei der Pyrolyse erhaltenen flüchtigen Pyrolyseprodukte einer Nutzung zugeführt werden. Beispielsweise können bei der Pyrolyse entstandene Synthesegaskomponenten einer Nutzung zugeführt werden. [0018] The pretreatment may alternatively or additionally to predrying comprise pyrolysis of the phosphorus-containing organic waste. For example, the sewage sludge is subjected to pyrolysis, whereby sewage sludge coke is obtained. The pyrolysis is preferably carried out at a temperature of 300 °C to 900 °C, more preferably at a temperature of 300 °C to 700 °C and particularly preferably from 400 °C to 600 °C. The pyrolysis temperature and the holding time depend on the phosphorus-containing organic waste material used. The holding time is also dependent in particular on the amount of phosphorus-containing organic waste material to be pyrolyzed. In one example, at a pyrolysis temperature of 500 °C, a holding time of 5 h can be selected for 1 kg of phosphorus-containing organic waste material. It can be provided that the holding time is between 5 min and 10 h. It can be provided that the volatile pyrolysis products obtained during pyrolysis are put to use. For example, synthesis gas components produced during pyrolysis can be put to use.
[0019] Es kann vorgesehen sein, dass der phosphorhaltige organische Abfallstoff einer Vortrocknung und anschließend einer Pyrolyse unterzogen wird. Beispielsweise kann Klärschlamm vorgetrocknet und anschließend einer Pyrolyse unterzogen werden. [0019] It may be provided that the phosphorus-containing organic waste is subjected to pre-drying and subsequent pyrolysis. For example, sewage sludge can be pre-dried and subsequently subjected to pyrolysis.
[0020] Mittels der Vorbehandlung, insbesondere mittels der Pyrolyse, werden Feuchtigkeit und flüchtige Spaltprodukte aus dem phosphorhaltigen organischen Abfallstoff abgetrennt. Der Phosphor verbleibt im festen Pyrolyserückstand. Aus den gas- und/oder dampfförmigen Pyrolyseprodukten können kohlenwasserstoffhaltige Komponenten kondensiert und weiter stofflich verwertet werden. Ob eine Vorbehandlung durchgeführt wird, hängt von dem phosphorhaltigen organischen Abfallmaterial ab. Im Gegensatz zur Pyrolyse werden bei der Vortrocknung flüchtige Spaltprodukte nicht oder nur in geringem Maße abgetrennt. [0020] By means of pretreatment, in particular by means of pyrolysis, moisture and volatile decomposition products are separated from the phosphorus-containing organic waste. The phosphorus remains in the solid pyrolysis residue. Hydrocarbon-containing components can be condensed from the gaseous and/or vaporous pyrolysis products and further recycled. Whether pretreatment is carried out depends on the phosphorus-containing organic waste material. In contrast to pyrolysis, volatile decomposition products are not separated or are only separated to a limited extent during predrying.
[0021] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine thermische Behandlung des phosphorhaltigen Einsatzmaterials in Schritt (b) bei einer Temperatur von 950 °C oder höher erfolgt. Bevorzugt erfolgt die thermische Behandlung bei einer Temperatur von 980 °C oder höher, stärker bevorzugt von 1030 °C oder höher, noch stärker bevorzugt von 1200 °C oder höher und besonders bevorzugt von 1250 °C oder höher. Beispielsweise kann die thermische Behandlung bei einer Temperatur in einem Bereich von 950 °C bis 1550 °C erfolgen, bevorzugt in einem Bereich von 980 °C bis 1550 °C, stärker bevorzugt in einem Bereich von 1050 °C bis 1450 °C, noch stärker bevorzugt in einem Bereich von 1150 °C bis 1350 °C und besonders bevorzugt in einem Bereich von 1250 °C bis 1350 °C. Die Erfinder haben festgestellt, dass Phosphor, der in dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial enthalten ist, ab einer Temperatur von 950 °C in die Gasatmosphäre übergeht. Dabei ist die Temperatur, ab der Phosphor, der in dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial enthalten ist, in die Gasphase übergeht, von der Art des phosphorhaltigen Einsatzmaterials abhängig. Sie kann beispielsweise je nach Zusammensetzung des Klärschlamms bei 980 °C oder 1030 °C liegen. Aus energetischen Gründen ist es bevorzugt, dass die thermische Behandlung bei einer Temperatur von 1250 °C oder eine Temperatur, die oberhalb dieser Temperatur liegt, durchgeführt wird. Die konkrete Temperatur, bei der die thermische Behandlung durchgeführt wird, hängt von der Art des phosphorhaltigen Einsatzmaterials ab, insbesondere seinen Bestandteilen und deren Anteilen an dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial. Dabei gelten folgende Erwägungen: Ab 1050 °C wird eine deutliche Phosphorfreisetzung detektiert. Ausreichend hohe Freisetzungsraten hinsichtlich Partikelverweilzeiten und auch eine ausreichend hohe Gesamtfreisetzung von Phosphor werden aber erst ab 1250 °C erreicht. Höhere Temperaturen stellen unter aktuellen Gesichtspunkten keinen Nachteil bezüglich der Phosphorfreisetzung dar. Diese können jedoch energetische Nachteile, wie die Verringerung des Gesamtwirkungsgrades der thermischen Behandlung, mit sich bringen. [0021] According to the invention, a thermal treatment of the phosphorus-containing feedstock in step (b) is carried out at a temperature of 950°C or higher. Preferably, the thermal treatment is carried out at a temperature of 980°C or higher, more preferably 1030°C or higher, even more preferably 1200°C or higher, and particularly preferably 1250°C or higher. For example, the thermal treatment can be carried out at a temperature in a range from 950°C to 1550 °C, preferably in a range from 980 °C to 1550 °C, more preferably in a range from 1050 °C to 1450 °C, even more preferably in a range from 1150 °C to 1350 °C and particularly preferably in a range from 1250 °C to 1350 °C. The inventors have found that phosphorus contained in the phosphorus-containing feedstock passes into the gas atmosphere above a temperature of 950 °C. The temperature at which phosphorus contained in the phosphorus-containing feedstock passes into the gas phase depends on the type of phosphorus-containing feedstock. For example, depending on the composition of the sewage sludge, it can be 980 °C or 1030 °C. For energy reasons, it is preferred that the thermal treatment be carried out at a temperature of 1250 °C or above this temperature. The specific temperature at which the thermal treatment is carried out depends on the type of phosphorus-containing feedstock, in particular its components and their proportions in the phosphorus-containing feedstock. The following considerations apply: From 1050 °C, a significant release of phosphorus is detected. However, sufficiently high release rates with regard to particle residence times and a sufficiently high total release of phosphorus are only achieved from 1250 °C. Higher temperatures do not currently represent a disadvantage with regard to phosphorus release. However, they can entail energy-related disadvantages, such as a reduction in the overall efficiency of the thermal treatment.
[0022] Die thermische Behandlung wird vorzugsweise bei einem Druck in einem Bereich von 0,9 bar und 50 bar Absolutdruck durchgeführt. Die thermische Behandlung kann bei Umgebungsdruck durchgeführt werden. Der Umgebungsdruck kann 1,013 bar betragen. In einer Ausführungsform wird die thermische Behandlung bei einem Druck von 10 bis 40 bar, stärker bevorzugt von 20 bis 30 bar und besonders bevorzugt bei 25 bar durchgeführt. [0022] The thermal treatment is preferably carried out at a pressure in a range of 0.9 bar to 50 bar absolute pressure. The thermal treatment can be carried out at ambient pressure. The ambient pressure can be 1.013 bar. In one embodiment, the thermal treatment is carried out at a pressure of 10 to 40 bar, more preferably 20 to 30 bar, and most preferably 25 bar.
[0023] Die Zeitdauer der thermischen Behandlung hängt von dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial, insbesondere seinen Bestandteilen und deren Anteilen, der Temperatur und von der Menge des phosphorhaltigen Einsatzmaterials ab. Diese Zeitdauer umfasst das Verweilen des phosphorhaltigen Einsatzstoffes bei Temperaturen oberhalb von 950 °C und kann Haltezeiten bei Temperaturen oberhalb der 950 °C beinhalten. Es kann vorgesehen sein, dass die thermische Behandlung für einen Zeitraum von 5 s bis 5 h durchgeführt wird. Die Zeitdauer der thermischen Behandlung kann der Verweilzeit des phosphorhaltigen Einsatzmaterials in dem zur Durchführung der thermischen Behandlung vorgesehenen Reaktor entsprechen. [0023] The duration of the thermal treatment depends on the phosphorus-containing feedstock, in particular its components and their proportions, the temperature and the amount of the phosphorus-containing feedstock. This duration includes the residence of the phosphorus-containing feedstock at temperatures above 950 °C and may include holding times at temperatures above 950 °C. The thermal treatment may be carried out for a period of 5 seconds to 5 hours. The duration of the thermal treatment may correspond to the residence time of the phosphorus-containing feedstock in the reactor intended for the thermal treatment.
[0024] Die thermische Behandlung in Schritt (b) kann in einem Reaktionsraum durchgeführt werden. Es kann vorgesehen sein, dass sich in dem Reaktionsraum während der thermischen Behandlung in Schritt (b) reduzierende Bedingungen ausbilden. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die reduzierenden Bedingungen bereits zu Beginn der thermischen Behandlung in Schritt (b) in dem Reaktionsraum bestehen. Es kann vielmehr ausreichend sein, dass sich die reduzierenden Bedingungen während der thermischen Behandlung in Schritt (b) ausbilden. [0024] The thermal treatment in step (b) can be carried out in a reaction chamber. It can be provided that reducing conditions develop in the reaction chamber during the thermal treatment in step (b). It is not absolutely necessary for the reducing conditions to already exist in the reaction chamber at the beginning of the thermal treatment in step (b). Rather, it may be sufficient for the reducing conditions to develop during the thermal treatment in step (b).
[0025] Die Ausbildung reduzierender Bedingungen in Schritt (b) des erfmdungsgemä- ßen Verfahrens kann die Freisetzung von Phosphor aus dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial sicherstellen oder verbessern. Sie ermöglicht die Mitverwertung von Kohlenstoff, der in dem phosphorhaltigen organischen Abfallstoff enthalten ist. Die reduzierenden Bedingungen, die sich im Reaktionsraum ausbilden, stellen sicher, dass Kohlenstoffverbindungen, die in dem phosphorhaltigen organischen Abfallstoff enthalten sind, nicht oder nur durch Komponenten, die ebenfalls aus dem phosphorhaltigen organischen Abfallstoff stammen, oxidiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann also einen phosphorhaltigen organischen Abfallstoff, wie z. B. Klärschlamm, verwenden, um Phosphor thermochemisch unter Mitverwertung des im Abfall Stoff enthaltenen Kohlenstoffs zurückzugewinnen. Dabei können auch Schwermetalle, die in dem phosphorhaltigen organischen Abfallstoff enthalten sind, abgetrennt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann eine phosphorhaltige Lösung und einen phosphorhaltigen Niederschlag liefern, welche durch eine Regeneration in Phosphorsäure überführt werden können. Die Phosphorsäure kann dann in elementaren Phosphor überführt werden. [0026] Erfindungsgemäß kann somit vorgesehen sein, dass die thermische Behandlung unter reduzierenden Bedingungen durchgeführt wird. Die reduzierenden Bedingungen stellen sicher, dass die thermische Behandlung in dem Reaktionsraum unter nicht-oxi- dierenden Bedingungen erfolgt. Sind reduzierende Bedingungen vorgesehen, so können die reduzierenden Bedingungen während der Ausführung von Schritt (b) entstehen. Es ist somit nicht zwingend erforderlich, der Gasatmosphäre in dem Reaktionsraum ein oder mehrere reduzierende Gase zuzusetzen. [0025] The creation of reducing conditions in step (b) of the process according to the invention can ensure or improve the release of phosphorus from the phosphorus-containing feedstock. It enables the co-utilization of carbon contained in the phosphorus-containing organic waste. The reducing conditions that develop in the reaction chamber ensure that carbon compounds contained in the phosphorus-containing organic waste are not oxidized or are only oxidized by components that also originate from the phosphorus-containing organic waste. The process according to the invention can therefore use a phosphorus-containing organic waste, such as sewage sludge, to thermochemically recover phosphorus with co-utilization of the carbon contained in the waste. Heavy metals contained in the phosphorus-containing organic waste can also be separated. The process according to the invention can provide a phosphorus-containing solution and a phosphorus-containing precipitate, which can be converted into phosphoric acid by regeneration. The phosphoric acid can then be converted into elemental phosphorus. [0026] According to the invention, it can thus be provided that the thermal treatment is carried out under reducing conditions. The reducing conditions ensure that the thermal treatment in the reaction chamber takes place under non-oxidizing conditions. If reducing conditions are provided, the reducing conditions can arise during the execution of step (b). It is therefore not absolutely necessary to add one or more reducing gases to the gas atmosphere in the reaction chamber.
[0027] Zur Ausbildung der reduzierenden Bedingungen kann vorgesehen sein, dass ein Trägergas und/oder ein Reaktionsgas in den Reaktionsraum geführt werden. Die Zuführung nur des Trägergases, d. h. keines Reaktionsgases, ist allerdings nur dann vorteilhaft, wenn das phosphorhaltige Einsatzmaterial Kohlenstoff enthält oder ihm Fremdkohlenstoff zugesetzt wird. [0027] To create the reducing conditions, a carrier gas and/or a reaction gas may be introduced into the reaction chamber. However, the introduction of only the carrier gas, i.e., no reaction gas, is only advantageous if the phosphorus-containing feedstock contains carbon or if foreign carbon is added to it.
[0028] Das Trägergas kann aus einem oder mehreren der folgenden Gase bestehen: Stickstoff, Argon, Helium oder einem Gemisch von zwei oder mehr dieser Gase. [0028] The carrier gas may consist of one or more of the following gases: nitrogen, argon, helium or a mixture of two or more of these gases.
[0029] Das Reaktionsgas kann aus einem oder mehreren der folgenden Gase bestehen: Sauerstoff, Wasserdampf, Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid oder einem Gemisch von zwei oder mehr dieser Gase. Durch die Verwendung des Reaktionsgases sollen während der thermischen Behandlung reduzierende Bedingungen in dem Reaktionsraum entstehen. Das Reaktionsgas kann beispielsweise aus Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid bestehen. In einer Ausführungsform ist das Reaktionsgas Wasserstoff oder enthält Wasserstoff. In einer anderen Ausführungsform ist das Reaktionsgas Wassersdampf und Sauerstoff. [0029] The reaction gas may consist of one or more of the following gases: oxygen, water vapor, hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, or a mixture of two or more of these gases. The use of the reaction gas is intended to create reducing conditions in the reaction chamber during the thermal treatment. The reaction gas may consist, for example, of hydrogen and/or carbon monoxide. In one embodiment, the reaction gas is hydrogen or contains hydrogen. In another embodiment, the reaction gas is water vapor and oxygen.
[0030] Vorzugsweise enthält der Reaktionsraum ein Gemisch aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. In der Regel wird Kohlenstoffmonoxid zusammen mit Wasserstoff in Schritt (b) während der thermischen Behandlung des phosphorhaltigen Einsatzmaterials durch Reaktion des phosphorhaltigen Einsatzmaterials selbst mit dem Reaktionsgas erzeugt. In diesem Fall wird also Kohlenstoffmonoxid aus dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial in die Gasphase übergehen, ohne dass Kohlenstoffmonoxid als Reaktions- gas oder Komponente des Reaktionsgases eingesetzt wird. Außerdem wird in diesem Fall auch Wasserstoff aus dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial in die Gasphase übergehen, ohne dass Wasserstoff als Reaktionsgas oder Komponente des Reaktionsgases eingesetzt wird. Es ist daher in den meisten Fällen nicht notwendig, Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff in Schritt (b) als Reaktionsgas bereitzustellen. Zur Ausbildung von reduzierenden Bedingungen in Schritt (b) kann somit in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass ein Reaktionsgas bereitgestellt wird, das aus Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid oder einem Gemisch von zwei oder mehr dieser Gase besteht. In die Gasatmosphäre im Reaktionsraum können dann Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff in Schritt (b) unter Ausbildung reduzierender Bedingungen übergehen. Dabei sollte das Reaktionsgas in einem unterstöchiometrischen Verhältnis, d. h. das Verhältnis der Stoffmenge von Sauerstoff in dem Reaktionsgas zur Stoffmenge an Sauerstoff, welche für eine vollständige Verbrennung des im phosphorhaltigen Einsatzmaterial enthaltenen Kohlenstoffs und Wasserstoffs benötigt werden würde, bereitgestellt werden. Ein unterstöchiometrisches Verhältnis liegt beispielsweise dann vor, wenn das Luftverhältnis Lambda kleiner als 1 ist. [0030] Preferably, the reaction space contains a mixture of carbon monoxide and hydrogen. Typically, carbon monoxide is produced together with hydrogen in step (b) during the thermal treatment of the phosphorus-containing feedstock by reaction of the phosphorus-containing feedstock itself with the reaction gas. In this case, carbon monoxide from the phosphorus-containing feedstock will pass into the gas phase without carbon monoxide being used as a reaction gas. gas or component of the reaction gas is used. In this case, hydrogen from the phosphorus-containing feedstock will also pass into the gas phase without hydrogen being used as a reaction gas or component of the reaction gas. It is therefore not necessary in most cases to provide carbon monoxide and/or hydrogen as a reaction gas in step (b). To create reducing conditions in step (b), one embodiment can thus provide a reaction gas consisting of oxygen, water vapor, carbon dioxide, or a mixture of two or more of these gases. Carbon monoxide and/or hydrogen can then pass into the gas atmosphere in the reaction space in step (b) with the formation of reducing conditions. The reaction gas should be provided in a substoichiometric ratio, i.e. the ratio of the amount of oxygen in the reaction gas to the amount of oxygen that would be required for complete combustion of the carbon and hydrogen contained in the phosphorus-containing feedstock. A substoichiometric ratio exists, for example, when the air ratio lambda is less than 1.
[0031] Es kann somit vorgesehen sein, dass das Reaktionsgas dem Reaktionsraum in einem unterstöchiometrischen Stoffmengenverhältnis zugeführt wird, wobei ein unterstöchiometrisches Stoffmengenverhältnis vorliegt, wenn die Stoffmenge von Sauerstoff in dem Reaktionsgas kleiner als die Stoffmenge an Sauerstoff ist, welche für eine vollständige Verbrennung des im phosphorhaltigen Einsatzmaterial enthaltenen Kohlenstoffs und Wasserstoffs benötigt wird. Das Stoffmengenverhältnis kann beispielsweise kleiner als 0,5, bevorzugt kleiner als 0,3 und besonders bevorzugt kleiner als 0,1 sein. Das Stoffmengenverhältnis ist 0, wenn das Reaktionsgas keinen Sauerstoff enthält. [0031] It can thus be provided that the reaction gas is supplied to the reaction chamber in a substoichiometric molar ratio. A substoichiometric molar ratio exists when the molar amount of oxygen in the reaction gas is less than the molar amount of oxygen required for complete combustion of the carbon and hydrogen contained in the phosphorus-containing feedstock. The molar ratio can, for example, be less than 0.5, preferably less than 0.3, and particularly preferably less than 0.1. The molar ratio is 0 when the reaction gas contains no oxygen.
[0032] Die Gasatmosphäre, die sich während der thermischen Behandlung in Schritt (b) in dem Reaktionsraum ausbildet, soll somit keinen Sauerstoff enthalten. Die Gasatmosphäre, die sich im Reaktionsraum ausbildet, ist ein reduzierendes Gas oder reduzierendes Gasgemisch. Dieses reduzierende Gas oder reduzierende Gasgemisch wird entweder durch die Zuführung des Reaktionsgases oder während der thermischen Behandlung durch Reaktion des Reaktionsgases mit dem phosphorhaltigen Einsatzstoff und/oder mit dem Fremdkohlenstoff erhalten. Die sich in Schritt (b) ausbildende Gasatmosphäre sorgt in diesen Fällen für reduzierende Bedingungen. [0032] The gas atmosphere that forms in the reaction chamber during the thermal treatment in step (b) should therefore not contain any oxygen. The gas atmosphere that forms in the reaction chamber is a reducing gas or reducing gas mixture. This reducing gas or reducing gas mixture is generated either by supplying the reaction gas or during the thermal treatment by reacting the reaction gas with the phosphorus-containing feedstock. and/or with the foreign carbon. In these cases, the gas atmosphere formed in step (b) provides reducing conditions.
[0033] Soll beispielsweise Sauerstoff als Reaktionsgas oder als Teil davon in den Reaktionsraum geführt werden, wird er im Reaktionsraum aufgrund des unterstöchiometrischen Verhältnisses vollständig verbraucht. Ein vollständiger Verbrauch des Sauerstoffs ist notwendig, damit sich reduzierende Bedingungen in dem Reaktionsraum ausbilden. Entsprechendes gilt für Wasserdampf. [0033] If, for example, oxygen is introduced into the reaction chamber as a reaction gas or as part of it, it will be completely consumed in the reaction chamber due to the substoichiometric ratio. Complete consumption of the oxygen is necessary for reducing conditions to develop in the reaction chamber. The same applies to water vapor.
[0034] Es kann vorgesehen sein, dass ein Gemisch aus einem Trägergas und einem Reaktionsgas in den Reaktionsraum geführt wird. [0034] It can be provided that a mixture of a carrier gas and a reaction gas is fed into the reaction chamber.
[0035] Es kann vorgesehen sein, dass der Kohlenstoff des phosphorhaltigen Einsatzmaterials mit dem Reaktionsgas reagiert. Teilweise findet so auch eine Oxidation des Kohlenstoffs zu CO und CO2 mit dem im Reaktionsgas enthaltenen Sauerstoff statt. CO und CO2 können anschließend weiter reagieren. [0035] It can be provided that the carbon of the phosphorus-containing feedstock reacts with the reaction gas. In some cases, the carbon is oxidized to CO and CO2 with the oxygen contained in the reaction gas. CO and CO2 can then react further.
[0036] Vorzugsweise wird in den Reaktionsraum nur ein Reaktionsgas, aber kein Trägergas geführt. Das ist vorteilhaft, um Kohlenstoff, der in dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial enthalten ist und bei der thermischen Behandlung in Schritt (b) in die Gasatmosphäre gelangt, recyclieren zu können. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff zu verwenden, wobei ein Gemisch aus Stickstoff und höchstens 20 Vol.-% Wasserstoff, beispielsweise ein Gemisch aus Stickstoff und 5 Vol.-% Wasserstoff, jeweils bezogen auf das Volumen des Gasgemisches, bevorzugt ist. Ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff kann beispielsweise für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Labormaßstab eingesetzt werden. [0036] Preferably, only a reaction gas, but no carrier gas, is fed into the reaction chamber. This is advantageous in order to be able to recycle carbon contained in the phosphorus-containing feedstock and which enters the gas atmosphere during the thermal treatment in step (b). However, it is also possible to use a mixture of nitrogen and hydrogen, with a mixture of nitrogen and at most 20 vol.% hydrogen, for example a mixture of nitrogen and 5 vol.% hydrogen, in each case based on the volume of the gas mixture, being preferred. A mixture of nitrogen and hydrogen can, for example, be used to carry out the process according to the invention on a laboratory scale.
[0037] Die thermische Behandlung des phosphorhaltigen Einsatzmaterials bewirkt den Übergang des in dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial enthalten Phosphors in die Gasphase. Auf diese Weise wird das phosphorhaltige Produktgas erhalten. Dieser Übergang beginnt nach den Feststellungen der Erfinder bei 950 °C. Die Erfinder haben ferner festgestellt, dass in dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial enthaltener Phosphor in der Gasphase in Form von elementarem Phosphor vorliegt. Das phosphorhaltige Produktgas enthält neben Phosphor, das aus dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial in das Produktgas übergegangen ist, alle oder einen Teil der Komponenten des in den Reaktionsraum geführten Trägergases und/oder des in den Reaktionsraum geführten Reaktionsgases. Es kann weitere Komponenten enthalten, die aus dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial stammen und bei der thermischen Behandlung in die Gasatmosphäre übergehen. Beispielsweise kann das Produktgas eine oder mehrere der folgenden Verbindungen enthalten: Kohlenstoffmonoxid (CO), Wasserstoff (FE), Wasserdampf (FEO), Kohlenstoffdioxid (CO2) und Methan (CEE). Das Produktgas kann ein oder mehrere weitere Gase in geringer Konzentration enthalten: EES, COS, NEE, Ethan, Ethen, Ethin, wobei die Aufzählung nicht abschließend ist. Unter einer geringen Konzentration wird eine Konzentration des oder der Gase von weniger als 1 Vol.-%, bezogen auf das Volumen des Produktgases, verstanden. [0037] The thermal treatment of the phosphorus-containing feedstock causes the phosphorus contained in the phosphorus-containing feedstock to transition into the gas phase. In this way, the phosphorus-containing product gas is obtained. This transition begins, according to the inventors' findings, at 950 °C. The inventors have further found that phosphorus contained in the phosphorus-containing feedstock in the gas phase in the form of elemental phosphorus. In addition to phosphorus that has passed from the phosphorus-containing feedstock into the product gas, the phosphorus-containing product gas contains all or some of the components of the carrier gas fed into the reaction chamber and/or the reaction gas fed into the reaction chamber. It may contain further components that originate from the phosphorus-containing feedstock and pass into the gas atmosphere during the thermal treatment. For example, the product gas may contain one or more of the following compounds: carbon monoxide (CO), hydrogen (FE), water vapor (FEO), carbon dioxide (CO2) and methane (CEE). The product gas may contain one or more other gases in low concentrations: EES, COS, NEE, ethane, ethene, ethyne, although this list is not exhaustive. A low concentration is understood to mean a concentration of the gas(es) of less than 1 vol.%, based on the volume of the product gas.
[0038] Die thermische Behandlung kann im Reaktionsraum eines Reaktors durchgeführt werden. In den Reaktionsraum des Reaktors wird das phosphorhaltige Einsatzmaterial eingebracht. Außerdem werden, falls vorgesehen, in den Reaktionsraum das Trägergas und/oder das Reaktionsgas geführt. Während der thermischen Behandlung können sich reduzierende Bedingungen ausbilden. Bei dem Reaktor kann es sich um einen Ofen, beispielsweise um einen Ofen mit vertikalem Reaktionsrohr handeln. Dieser Ofen kann elektrisch beheizt werden, z. B. über Widerstandsheizelemente oder bevorzugt über ein thermisches Plasma. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Feststoffvergasung des phosphorhaltigen Einsatzmaterials. Die Feststoffvergasung wird bevorzugt allotherm sein. Das kann durch Einkopplung elektrischer Energie, z. B. über Widerstandsheizelemente oder Plasma, erreicht werden. Ist eine Vorbehandlung des phosphorhaltigen organischen Abfallstoffes durch Pyrolyse vorgesehen, so können die Pyrolyse und die in Schritt (b) vorgesehene thermische Behandlung in getrennten Reaktoren, die sich beispielsweise an unterschiedlichen Standorten befinden können, oder auch in einem einzigen Reaktor durchgeführt werden. [0038] The thermal treatment can be carried out in the reaction chamber of a reactor. The phosphorus-containing feedstock is introduced into the reaction chamber of the reactor. Furthermore, if provided, the carrier gas and/or the reaction gas are fed into the reaction chamber. During the thermal treatment, reducing conditions can develop. The reactor can be a furnace, for example, a furnace with a vertical reaction tube. This furnace can be electrically heated, e.g., via resistance heating elements or, preferably, via a thermal plasma. The process according to the invention enables solid gasification of the phosphorus-containing feedstock. The solid gasification is preferably allothermal. This can be achieved by coupling electrical energy, e.g., via resistance heating elements or plasma. If pretreatment of the phosphorus-containing organic waste by pyrolysis is provided, the pyrolysis and the thermal treatment provided in step (b) can be carried out in separate reactors, which can be located, for example, at different locations, or in a single reactor.
[0039] Bei der Pyrolyse des phosphorhaltigen organischen Abfallstoffes wird ein fester Pyrolyserückstand erhalten, der erfindungsgemäß als phosphorhaltiges Einsatzmaterial eingesetzt werden kann. Dieser feste Pyrolyserückstand kann Kohlenstoff enthalten. Ein Beispiel eines phosphorhaltigen organischen Abfallstoffes, der Kohlenstoff enthält, ist Klärschlamm. Alternativ oder zusätzlich kann ihm Kohlenstoff, der auch als Fremdkohlenstoff bezeichnet wird, entweder elementar oder in Form einer weiteren kohlenstoffhaltigen Verbindung zugesetzt werden. Ein Beispiel eines phosphorhaltigen organischen Abfall Stoffes, der keinen Kohlenstoff enthält, ist Knochenmehl. Durch den Zusatz von Fremdkohlenstoff kann ein optimales Phosphor/Kohlenstoff-Verhältnis in dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial eingestellt werden. Der Fremdkohlenstoff kann beispielsweise aus einem kohlenstoffhaltigen, vorzugsweise kohlenstoffreichen Abfallprodukt stammen. Bei dem zu diesem Zweck kohlenstoffreichen Abfallprodukt kann es sich beispielsweise um einen kohlenstoffhaltigen Kunststoff oder ein Gemisch solcher Kunststoffe handeln. Es kann vorgesehen sein, dass das kohlenstoffreiche Abfallprodukt keinen Phosphor enthält. Durch die reduzierende Wirkung des im phosphorhaltigen Einsatzmaterial enthaltenen Kohlenstoffs, des ihm zugesetzten Fremdkohlenstoffs und/oder der in dem Reaktionsraum ausgebildeten reduzierenden Bedingungen einerseits und durch die hohen Temperaturen in Schritt (b) andererseits kann der im Einsatzmaterial enthaltene Phosphor in Form von elementarem Phosphor, Phosphoroxiden und/oder Phosphanen freigesetzt werden. [0039] During the pyrolysis of the phosphorus-containing organic waste, a solid pyrolysis residue is obtained, which according to the invention can be used as a phosphorus-containing feedstock can be used. This solid pyrolysis residue may contain carbon. An example of a phosphorus-containing organic waste material that contains carbon is sewage sludge. Alternatively or additionally, carbon, also referred to as extraneous carbon, can be added to it, either in elemental form or in the form of another carbon-containing compound. An example of a phosphorus-containing organic waste material that does not contain carbon is bone meal. By adding extraneous carbon, an optimal phosphorus/carbon ratio can be set in the phosphorus-containing feedstock. The extraneous carbon can, for example, originate from a carbon-containing, preferably carbon-rich, waste product. The carbon-rich waste product used for this purpose can, for example, be a carbon-containing plastic or a mixture of such plastics. It can be provided that the carbon-rich waste product does not contain any phosphorus. Due to the reducing effect of the carbon contained in the phosphorus-containing feedstock, the extraneous carbon added thereto and/or the reducing conditions formed in the reaction chamber on the one hand and the high temperatures in step (b) on the other hand, the phosphorus contained in the feedstock can be released in the form of elemental phosphorus, phosphorus oxides and/or phosphanes.
[0040] Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht das In-Kontakt-Bringen des phosphorhaltigen Produktgases mit einer Kupfer(II)-Ionen enthaltenden wässerigen Lösung zur Abtrennung von Phosphor aus dem phosphorhaltigen Produktgas vor. Dazu kann vorgesehen sein, dass das in Schritt (b) enthaltene phosphorhaltige Produktgas in die Kupfer(II)-Ionen enthaltende Lösung eingeleitet wird. Die Kupfer(II)-Ionen enthaltende wässerige Lösung ist bevorzugt eine 0,01 M bis gesättigte Lösung, stärker bevorzugt eine 0,05 M bis bis gesättigte Lösung und besonders bevorzugt eine 0,1 M bis gesättigte Lösung. Beispielsweise kann die Kupfer(II)-Ionen enthaltende wässerige Lösung eine 0,1 M, eine 0,2 M, eine 0,25 M, eine 0,5 M oder eine 1,2 M Lösung sein. In einer Ausführungsform ist die Kupfer(II)-Ionen enthaltende wässerige Lösung eine 0,05 M bis 0,3 M Lösung. Die Sättigungskonzentration für CuSO4*5H2O beträgt bei Raumtemperatur ca. 1,4 M. Es hat sich gezeigt, dass je höher die Konzentration an Kupfer(II)-Ionen in der wässerigen Lösung ist, desto höher die Abtrennung von Phosphor aus dem phosphorhaltigen Produktgas ist. [0040] Step (c) of the process according to the invention provides for contacting the phosphorus-containing product gas with an aqueous solution containing copper(II) ions to separate phosphorus from the phosphorus-containing product gas. For this purpose, it can be provided that the phosphorus-containing product gas obtained in step (b) is introduced into the solution containing copper(II) ions. The aqueous solution containing copper(II) ions is preferably a 0.01 M to saturated solution, more preferably a 0.05 M to saturated solution, and particularly preferably a 0.1 M to saturated solution. For example, the aqueous solution containing copper(II) ions can be a 0.1 M, a 0.2 M, a 0.25 M, a 0.5 M, or a 1.2 M solution. In one embodiment, the aqueous solution containing copper(II) ions is a 0.05 M to 0.3 M solution. The saturation concentration for CuSO4*5H2O is approximately 1.4 M at room temperature. It has been shown that the higher the concentration of The higher the concentration of copper(II) ions in the aqueous solution, the higher the separation of phosphorus from the phosphorus-containing product gas.
[0041] Durch Abtrennen von Phosphor aus dem phosphorhaltigen Produktgas wird ein phosphor-abgereichertes Produktgas erhalten. Das phosphor-abgereicherte Produktgas wird im Folgenden auch als abgereichertes Produktgas bezeichnet. [0041] By separating phosphorus from the phosphorus-containing product gas, a phosphorus-depleted product gas is obtained. The phosphorus-depleted product gas is also referred to below as depleted product gas.
[0042] Die Kupfer(II)-Ionen enthaltende wässerige Lösung kann in einem Wäscher bereitgestellt werden. Das phosphorhaltige Produktgas wird dem Wäscher vorzugsweise bei einer Temperatur, die oberhalb der Sublimationstemperatur von Phosphorpentoxid liegt, zugeführt. Dazu kann das phosphorhaltige Produktgas dem Wäscher über eine Produktgas-Leitung zugeführt werden, die eine Temperatur oberhalb der Sublimationstemperatur von Phosphorpentoxid aufweist. Zu diesem Zweck kann die Produktgas- Leitung beheizt werden. Es kann somit eine über die Sublimationstemperatur von Phosphorpentoxid beheizte Produktgas-Leitung vorgesehen sein, durch die das phosphorhaltige Produktgas in den Wäscher geführt wird. Die Sublimationstemperatur von Phosphorpentoxid liegt bei einem Umgebungsdruck von 1,013 bar bei 362 °C. Wird das phosphorhaltige Produktgas bei einem Druck von 1,013 bar dem Wäscher zugeführt, wird es dem Wäscher vorzugsweise bei einer Temperatur, die oberhalb von 362 °C liegt, zugeführt. Bei dem Wäscher kann es sich um eine Waschflasche oder einen Behälter mit Sprühvorrichtung für die Kupfer(II)-Ionen enthaltende wässerige Lösung handeln. Es können mehrere Wäscher vorgesehen sein. Jeder Wäscher kann eine Rühreinrichtung aufweisen. [0042] The aqueous solution containing copper(II) ions can be provided in a scrubber. The phosphorus-containing product gas is preferably fed to the scrubber at a temperature above the sublimation temperature of phosphorus pentoxide. For this purpose, the phosphorus-containing product gas can be fed to the scrubber via a product gas line having a temperature above the sublimation temperature of phosphorus pentoxide. For this purpose, the product gas line can be heated. Thus, a product gas line heated above the sublimation temperature of phosphorus pentoxide can be provided, through which the phosphorus-containing product gas is fed into the scrubber. The sublimation temperature of phosphorus pentoxide is 362°C at an ambient pressure of 1.013 bar. If the phosphorus-containing product gas is fed to the scrubber at a pressure of 1.013 bar, it is preferably fed to the scrubber at a temperature above 362°C. The scrubber can be a washing bottle or a container with a spray device for the aqueous solution containing copper(II) ions. Multiple scrubbers can be provided. Each scrubber can have a stirring device.
[0043] Bei der Kupfer(II)-Ionen enthaltenden wässerigen Lösung kann es sich beispielsweise um eine wässerige Kupfer(II)-sulfat-Lösung oder eine wässerige Kup- fer(II)-chlorid-Lösung handeln, wobei eine wässerige Kupfer(II)-sulfat-Lösung bevorzugt ist. Die Erfinder haben eine besonders hohe Gewinnung von Phosphor mit einer 0,1 M und einer 0,2 M Kupfer(II)-sulfat-Lösung erzielt. In einer Ausführungsform ist die Kupfer(II)-sulfat-Lösung eine 0,05 M bis 0,3 M Lösung. [0044] Durch In-Kontakt-Bringen des phosphorhaltigen Produktgases mit der Kup- fer(II)-Ionen enthaltenden wässerigen Lösung geht das Phosphor aus dem phosphorhaltigen Produktgas in die Kupfer(II)-Ionen enthaltende wässerige Lösung über, wodurch eine phosphorhaltige Lösung erhalten wird. Dabei können eine oder mehrere Kupfer- Phosphor- Verbindungen gebildet werden. Die gebildete(n) Kupfer-Phosphor- Verbindungen) können dabei einen nicht- wasserlöslichen Feststoff bilden. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere Phosphor-Sauerstoff-Verbindung(en) gebildet werden. Die gebildete(n) Phosphor-Sauerstoff-Verbindungen sind vorzugsweise wasserlöslich. Bei einer Kupfer-Phosphor- Verbindung kann es sich um ein Kupferphos- phid, beispielsweise Kupfer(I)-phosphid (CuaP), handeln. Die Erfinder nehmen an, dass Kupfer(I)-phosphid (CuaP) gebildet wird. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass auch Kupfer(II)-phosphid (CU3P2) sowie eine Mischung aus Kupfer(I)-phosphid und Kup- fer(II)-phosphid, und/oder Kupfer(-hydrogen-)phosphat(e) gebildet werden. Bei einer Phosphor- Sauerstoff- Verbindung kann es sich um Phosphorsäure, ein Phosphorsäure- Salz, Phosphonsäure, ein Phosphonsäure-Salz oder ein Gemisch von zwei oder mehr dieser Verbindungen handeln. Die Erfinder haben PCL3' in der Kupfer(II)-Ionen enthaltenden wässerigen Lösung, nachdem diese mit dem phosphorhaltigen Produktgas in Kontakt gebracht wurde, nachgewiesen. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass auch Phosphonsäure (H3PO3) gebildet wird, welche durch Luftsauerstoff oxidiert wird. Vorzugsweise handelt es sich bei der Phosphor-Sauerstoff-Verbindung um Phosphorsäure. [0043] The aqueous solution containing copper(II) ions can be, for example, an aqueous copper(II) sulfate solution or an aqueous copper(II) chloride solution, with an aqueous copper(II) sulfate solution being preferred. The inventors have achieved particularly high phosphorus recovery with a 0.1 M and a 0.2 M copper(II) sulfate solution. In one embodiment, the copper(II) sulfate solution is a 0.05 M to 0.3 M solution. [0044] By bringing the phosphorus-containing product gas into contact with the aqueous solution containing copper(II) ions, the phosphorus from the phosphorus-containing product gas passes into the aqueous solution containing copper(II) ions, thereby obtaining a phosphorus-containing solution. One or more copper-phosphorus compounds can be formed. The copper-phosphorus compound(s) formed can form a non-water-soluble solid. Alternatively or additionally, one or more phosphorus-oxygen compound(s) can be formed. The phosphorus-oxygen compound(s) formed are preferably water-soluble. A copper-phosphorus compound can be a copper phosphide, for example copper(I) phosphide (CuaP). The inventors assume that copper(I) phosphide (CuaP) is formed. However, it cannot be ruled out that copper(II) phosphide (CU3P2) as well as a mixture of copper(I) phosphide and copper(II) phosphide, and/or copper (hydrogen)phosphate(s) are also formed. A phosphorus-oxygen compound can be phosphoric acid, a phosphoric acid salt, phosphonic acid, a phosphonic acid salt, or a mixture of two or more of these compounds. The inventors have detected PCL3 ' in the aqueous solution containing copper(II) ions after it has been brought into contact with the phosphorus-containing product gas. However, it cannot be ruled out that phosphonic acid (H3PO3) is also formed, which is oxidized by atmospheric oxygen. The phosphorus-oxygen compound is preferably phosphoric acid.
[0045] Somit können die im phosphorhaltigen Produktgas enthaltenen Phosphorspezies bei der Einleitung des phosphorhaltigen Produktgases in die Kupfer(II)-Ionen enthaltende wässerige Lösung Phosphorsäure und/oder mit den Kupfer(II)-ionen einen kupferphosphidhaltigen Niederschlag bilden. Weitere im phosphorhaltigen Produktgas enthaltene Gaskomponenten, wie beispielsweise CO, EE, CO2 und/oder CEL, können die Kupfer(II)-Ionen enthaltende wässrige Lösung ohne weitere Reaktion passieren. Sie können anschließend einer stofflichen, z. B. einer chemischen Synthese, oder energetischen Nutzung zugeführt werden. Enthält das Produktgas H2O, so kann dieses in der Kupfer(II)-Ionen enthaltenden wässerigen Lösung verbleiben. Bei den weiteren im phosphorhaltigen Produktgas enthaltenen Gaskomponenten handelt es sich um Komponenten, die (i) aus dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial, (ii) aus dem zugesetzten Fremdkohlenstoff oder dem zugesetzten kohlenstoffhaltigen, vorzugsweise kohlenstoffreichen Abfallprodukt oder (iii) aus dem zugeführten Trägergas und/oder Reaktionsgas stammen. [0045] Thus, the phosphorus species contained in the phosphorus-containing product gas can form phosphoric acid and/or a copper phosphide-containing precipitate with the copper(II) ions when the phosphorus-containing product gas is introduced into the aqueous solution containing copper(II) ions. Other gas components contained in the phosphorus-containing product gas, such as CO, EE, CO2 and/or CEL, can pass through the aqueous solution containing copper(II) ions without further reaction. They can then be used for material purposes, e.g., chemical synthesis, or for energy recovery. If the product gas contains H2O, this can remain in the aqueous solution containing copper(II) ions. The other gas components contained in the phosphorus-containing product gas are components that (i) come from the phosphorus-containing feedstock, (ii) from the added foreign carbon or the added carbonaceous, preferably carbon-rich waste product or (iii) from the supplied carrier gas and/or reaction gas.
[0046] Das In-Kontakt-Bringen des phosphorhaltigen Produktgases mit der Kupfer(II)- lonen enthaltenden wässerigen Lösung kann bei einer Temperatur unterhalb der Verdampfungstemperatur der Kupfer(II)-Ionen enthaltenden wässerigen Lösung, beispielsweise bei Umgebungstemperatur oder Raumtemperatur, erfolgen. Unter Raumtemperatur wird insbesondere eine Temperatur von 10 bis 30 °C verstanden. Das In-Kontakt- Bringen des phosphorhaltigen Produktgases mit der Kupfer(II)-Ionen enthaltenden wässerigen Lösung kann bei einem Absolutdruck von mindestens 0,9 bar und von weniger als 50 bar erfolgen. Die thermische Behandlung kann in einer Ausführungsform bei Umgebungsdruck durchgeführt werden. Der Umgebungsdruck kann 1,013 bar betragen. [0046] The phosphorus-containing product gas can be brought into contact with the aqueous solution containing copper(II) ions at a temperature below the evaporation temperature of the aqueous solution containing copper(II) ions, for example at ambient temperature or room temperature. Room temperature is understood to mean, in particular, a temperature of 10 to 30°C. The phosphorus-containing product gas can be brought into contact with the aqueous solution containing copper(II) ions at an absolute pressure of at least 0.9 bar and less than 50 bar. In one embodiment, the thermal treatment can be carried out at ambient pressure. The ambient pressure can be 1.013 bar.
[0047] Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit einen Schritt (d) umfassen, der das Abtrennen von Phosphor aus der in Schritt (c) erhaltenen phosphorhaltigen Lösung und/oder dem gegebenenfalls gebildeten phosphorhaltigen Niederschlag vorsieht. Dazu kann das erfindungsgemäße Verfahren das Abtrennen einer oder mehrerer phosphorhaltiger Verbindungen umfassen. Kupfer-Phosphor- Verbindungen, die als Feststoff bei Einleiten des phosphorhaltigen Produktgases in die Kupfer(II)-Ionen enthaltende wässerige Lösung anfallen, können durch ein Fest-Flüssig-Trennverfahren, beispielsweise Filtration oder Zentrifugation, aus der phosphorhaltigen Lösung abgetrennt werden. Beispielsweise kann Kupferphosphid durch Filtration oder Zentrifugation abgetrennt werden. Die abgetrennte(n) Kupfer-Phosphor- Verbindung(en) können anschließend zu elementarem Phosphor und/oder Phosphorsäure, beispielsweise durch Ansäuern mit einer anorganischen Säure wie Schwefelsäure und anschließender Oxidation mittels Sauerstoff wie Luftsauerstoff, umgesetzt werden. Die Luft kann mittels Lufteindüsung zugeführt werden. Die phosphorhaltige Lösung und der phosphorhaltige Niederschlag, die beide in Schritt (c) erhalten werden können, enthalten beispielsweise Cu^P, H3PO4 und CuSO4. Wird die Lösung mit H2SO4 angesäuert und anschließend mit Luft oxidiert, so wird das 13P zu Cu3(PO4)2 oxidiert. Es liegt also eine Mischung aus Kupferionen, Sulfationen und Phosphationen vor. Wird nun CuSC mittels lonenaustausch oder einem anderen Trennverfahren abgetrennt, so wird eine wässerige Lösung erhalten, die nur H3PO4 enthält. [0047] The process according to the invention can thus comprise a step (d) which provides for the separation of phosphorus from the phosphorus-containing solution obtained in step (c) and/or the optionally formed phosphorus-containing precipitate. For this purpose, the process according to the invention can comprise the separation of one or more phosphorus-containing compounds. Copper-phosphorus compounds which are obtained as solids when the phosphorus-containing product gas is introduced into the aqueous solution containing copper(II) ions can be separated from the phosphorus-containing solution by a solid-liquid separation process, for example filtration or centrifugation. For example, copper phosphide can be separated by filtration or centrifugation. The separated copper-phosphorus compound(s) can then be converted to elemental phosphorus and/or phosphoric acid, for example by acidification with an inorganic acid such as sulfuric acid and subsequent oxidation using oxygen such as atmospheric oxygen. The air can be supplied by air injection. The phosphorus-containing solution and phosphorus-containing precipitate, both of which can be obtained in step (c), contain, for example, Cu^P, H3PO4, and CuSO4. If the solution is acidified with H2SO4 and subsequently oxidized with air, the 13P is oxidized to Cu3(PO4)2. Thus, a mixture of copper ions, Sulfate ions and phosphate ions are present. If CuSC is separated by ion exchange or another separation process, an aqueous solution containing only H3PO4 is obtained.
[0048] Die Oxidation des CU3P kann aus dem Niederschlag erfolgen, wenn keine Filtration durchgeführt wird. Es kann somit vorgesehen sein, dass entweder (i) zur Abtrennung des Nieder Schlages filtriert und der Niederschlag separat aufgearbeitet wird, oder (ii) nicht filtriert wird und die Suspension aus Niederschlag und Lösung oxidiert wird. In Variante (i) kann vorgesehen sein, dass die in der Lösung enthaltenen Phosphorspezies mittels Lufteindüsung oder auf andere Weise oxidiert und anschließend abgetrennt werden, beispielsweise mittels lonenaustausch. In Variante (ii) kann vorgesehen sein, dass bei der Oxidation entstehende Phosphorsäure abgetrennt wird, beispielsweise mittels lonenaustausch. [0048] The oxidation of the CU3P can occur from the precipitate if no filtration is carried out. Thus, it can be provided that either (i) the precipitate is filtered to separate it and the precipitate is processed separately, or (ii) no filtration is carried out and the suspension of precipitate and solution is oxidized. In variant (i), it can be provided that the phosphorus species contained in the solution are oxidized by air injection or in another way and then separated, for example by ion exchange. In variant (ii), it can be provided that phosphoric acid formed during the oxidation is separated, for example by ion exchange.
[0049] Phosphorsäure und/oder andere in der phosphorhaltigen Lösung vorliegende Phosphor- Verbindungen können mittels eines molekularen Trennverfahrens aus der phosphorhaltigen Lösung abgetrennt werden, wodurch eine phosphorabgereicherte Lösung erhalten wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Kupfer(II)-Ionen enthaltende wässerige Lösung, beispielsweise die Kupfersulfat-Lösung, im Kreislauf zu führen. [0049] Phosphoric acid and/or other phosphorus compounds present in the phosphorus-containing solution can be separated from the phosphorus-containing solution by means of a molecular separation process, thereby obtaining a phosphorus-depleted solution. In this way, it is possible to recycle the aqueous solution containing copper(II) ions, for example, the copper sulfate solution.
[0050] Weiterhin ist es möglich, Phosphorsäure durch Einbringen von Sauerstoff, beispielsweise Luft, in die phosphorhaltige Lösung zu gewinnen. Auf diese Weise kann aus den festen und gelösten Phosphorverbindungen neben Phosphorsäure auch die Kup- fer(II)-Ionen enthaltende wässerige Lösung, beispielsweise die Kupfersulfat-Lösung, zurückgewonnen werden. Phosphorsäure und die Kupfer(II)-Ionen enthaltende wässerige Lösung können durch ein molekulares Trennverfahren getrennt werden. [0050] Furthermore, it is possible to recover phosphoric acid by introducing oxygen, for example, air, into the phosphorus-containing solution. In this way, not only phosphoric acid but also the aqueous solution containing copper(II) ions, for example, the copper sulfate solution, can be recovered from the solid and dissolved phosphorus compounds. Phosphoric acid and the aqueous solution containing copper(II) ions can be separated by a molecular separation process.
[0051] Ein Beispiel eines molekularen Trennverfahrens ist eine Trennung durch lonenaustausch. Beispielsweise kann Phosphorsäure durch lonenaustausch abgetrennt werden. Weiterhin ist eine Trennung durch Membranverfahren möglich. [0052] Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet eine Kupfer(II)-Ionen, beispielsweise Kupfersulfat, enthaltende Lösung als Waschmedium zur Phosphorabscheidung aus einem in einem thermochemischen Prozess unter nicht-oxidierenden Bedingungen gebildeten Produktgas. Nach dem Stand der Technik werden die bei der thermischen Behandlung entstehenden phosphorhaltigen Abgase nachverbrannt oder nachoxidiert, so dass wasserlösliche Phosphorspezies erhalten werden, welche anschließend aus dem Abgas ausgewaschen werden. Dabei kommt es auch zur Oxidation entstandener Reaktionsprodukte wie CO, H2 oder gasförmiger Kohlenwasserstoffverbindungen, welche anschließend nicht mehr für eine weitere Verwertung zur Verfügung stehen. Bei der im Stand der Technik auch genutzten Abtrennung des elementaren Phosphors mittels Quenching kann nicht ausgeschlossen werden, dass ein Gemisch aus Phosphor und anderen kondensierbaren Komponenten erzeugt wird, welches anschließend aufwendig aufgetrennt werden muss. Außerdem kann kondensierter, aber aerosolförmiger Phosphor weiterhin im Gasstrom enthalten sein. Bei der Auftrennung dieses Gemischs erweist sich die Handhabung des weißen, giftigen und pyrophoren Phosphors als schwierig. In der bisherigen Praxis verwendete Klärschlammverbrennung sieht sogar vor, dass der Phosphor in der Asche verbleibt und anschließend aufwändig aus der Asche entfernt werden muss. Im Gegensatz dazu erfolgt im erfmdungsgemäßen Verfahren eine selektive Entfernung der Phosphorspezies aus dem Produktgas, so dass neben der Verwertung der vorher im Pyrolyseschritt erhaltenen flüchtigen Pyrolyseprodukte auch die Nutzung der entstandenen Gaskomponenten Kohlenstoffmonoxid und/oder Wasserstoff möglich ist. [0051] An example of a molecular separation process is separation by ion exchange. For example, phosphoric acid can be separated by ion exchange. Separation by membrane processes is also possible. [0052] The process according to the invention uses a solution containing copper(II) ions, for example copper sulfate, as a scrubbing medium for separating phosphorus from a product gas formed in a thermochemical process under non-oxidizing conditions. According to the prior art, the phosphorus-containing exhaust gases produced during the thermal treatment are post-combusted or post-oxidized to obtain water-soluble phosphorus species, which are subsequently scrubbed from the exhaust gas. This also results in the oxidation of reaction products such as CO, H2, or gaseous hydrocarbon compounds, which are subsequently no longer available for further utilization. In the separation of elemental phosphorus by quenching, which is also used in the prior art, it cannot be ruled out that a mixture of phosphorus and other condensable components is produced, which subsequently requires complex separation. In addition, condensed but aerosol-like phosphorus may still be present in the gas stream. When separating this mixture, handling the white, toxic, and pyrophoric phosphorus proves difficult. In sewage sludge incineration, which has been practiced up to now, the phosphorus remains in the ash and must then be laboriously removed. In contrast, the process according to the invention selectively removes the phosphorus species from the product gas, allowing not only the utilization of the volatile pyrolysis products obtained previously in the pyrolysis step, but also the utilization of the resulting gas components carbon monoxide and/or hydrogen.
[0053] Das erfmdungsgemäße Verfahren ermöglicht die Rückgewinnung von Phosphor und phosphorhaltigen Verbindungen aus einer Gasphase. Bei der Gasphase kann es sich um das in Schritt (b) erhaltene Produktgas handeln. Mithilfe des erfmdungsgemäßen Verfahrens kann Phosphor aus phosphorhaltigen organischen Abfallstoffen wie beispielsweise Klärschlämmen, Klärschlammkoksen oder Biomasse, thermisch in die Gasphase überführt (Schritt (b)), abgeschieden (Schritt (c)) und somit rückgewonnen werden. Gleichzeitig wird die stoffliche Nutzung des im phosphorhaltigen Einsatzmaterial enthaltenen Kohlenstoffs ermöglicht, indem mindestens CO und H2, die im Produktgas enthalten sind, die Kupfer(II)-Ionen enthaltene Lösung passieren, wodurch ein abgereichertes Produktgas erhalten wird, und in einer nachfolgenden chemischen Synthese weiterverwertet werden können. Beispielsweise können die Komponente(n) zur Synthese der Verbindungen Methanol, Methan, Ammoniak, Benzin oder Kerosin eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit ein Kohlenstoff- Recycling. [0053] The process according to the invention enables the recovery of phosphorus and phosphorus-containing compounds from a gas phase. The gas phase can be the product gas obtained in step (b). Using the process according to the invention, phosphorus from phosphorus-containing organic waste materials such as sewage sludge, sewage sludge coke or biomass can be thermally converted into the gas phase (step (b)), separated (step (c)) and thus recovered. At the same time, the material utilization of the carbon contained in the phosphorus-containing feedstock is enabled by at least CO and H2, which are contained in the product gas, passing through the solution containing copper(II) ions, whereby a depleted product gas is obtained and can be further utilized in a subsequent chemical synthesis. For example, the component(s) can be used to synthesize the compounds methanol, methane, ammonia, gasoline, or kerosene. The process according to the invention thus enables carbon recycling.
[0054] Die Vorbehandlung des phosphorhaltigen organischen Abfallstoffes und die thermische Behandlung des phosphorhaltigen Einsatzmaterials gemäß Schritt (b) können räumlich und/oder zeitlich getrennt voneinander erfolgen. Das ist aber nicht zwingend erforderlich. [0054] The pretreatment of the phosphorus-containing organic waste and the thermal treatment of the phosphorus-containing feedstock according to step (b) can be carried out spatially and/or temporally separately. However, this is not mandatory.
[0055] Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen [0055] The invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments, which are not intended to limit the invention, with reference to the drawings.
Fig. 1 ein Fließschema einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und Fig. 1 is a flow diagram of a first embodiment of the process according to the invention; and
Fig. 2 ein Fließschema einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 2 is a flow diagram of a second embodiment of the process according to the invention.
[0056] Die in Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsform veranschaulicht die Schritte (a) bis (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in Schritt (a) ein phosphorhaltiges Einsatzmaterial bereitgestellt wird (101), das durch Vortrocknung eines phosphorhaltigen organischen Abfallstoffes wie Klärschlamm erhalten wurde. Der vorgetrocknete phosphorhaltige organische Abfallstoff wird keiner Pyrolyse unterzogen, sondern unmittelbar als phosphorhaltiges Einsatzmaterial verwendet. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Vortrocknung nicht zwingend erforderlich ist. [0056] The first embodiment shown in Fig. 1 illustrates steps (a) to (d) of the process according to the invention, wherein in step (a), a phosphorus-containing feedstock is provided (101) obtained by pre-drying a phosphorus-containing organic waste material, such as sewage sludge. The pre-dried phosphorus-containing organic waste material is not subjected to pyrolysis but is used directly as a phosphorus-containing feedstock. It should be noted that pre-drying is not mandatory.
[0057] Das bereitgestellte phosphorhaltige Einsatzmaterial wird anschließend einer thermischen Behandlung gemäß Schritt (b) bei einer Temperatur von mindestens 950 °C unterzogen (102). Die thermische Behandlung erfolgt in einem Reaktionsraum. In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich in dem Reaktionsraum reduzierende oder nicht-oxidierende Bedingungen ausbilden. Um reduzierende oder nicht-oxidierende Bedingungen in dem Reaktionsraum herzustellen, kann dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial ein Trägergas (103) und/oder ein Reaktionsgas (104) zugeführt werden. [0057] The provided phosphorus-containing feedstock is then subjected to a thermal treatment according to step (b) at a temperature of at least 950 °C (102). The thermal treatment takes place in a reaction chamber. In one embodiment of the invention, reducing or non-oxidizing conditions are created in the reaction chamber. To create reducing or non-oxidizing conditions in the reaction chamber, a carrier gas (103) and/or a reaction gas (104) can be supplied to the phosphorus-containing feedstock.
[0058] Bei der thermischen Behandlung wird ein gasförmiges phosphorhaltiges Produktgas erhalten, das zur Ausführung von Schritt (c) einem Abscheidungssystem zugeführt wird (106). Außerdem wird eine Asche und/oder Schlacke erhalten (105). Im Abscheidungssystem wird das phosphorhaltige Produktgas mit einer wässerigen Kup- fer(II)-sulfat-Lösung in Kontakt gebracht. Dabei erfolgt eine Wäsche des phosphorhaltigen Produktgases, wodurch Phosphor, beispielsweise P2 und P2O5, aus dem phosphorhaltigen Produktgas unter Erhalt eines phosphor-abgereicherten Produktgases abgetrennt wird. Eine oder mehrere Komponenten, beispielsweise H2, CO, und/oder CH4, des phosphor-abgereicherten Produktgases können einer stofflichen und/oder energetischen Nutzung unterzogen werden (107). Durch das In-Kontakt-bringen der wässerigen Kupfer(II)-sulfat-Lösung mit dem phosphorhaltigen Produktgas wird eine phosphorhaltige wässerige Kupfer(II)-sulfat-Lösung erhalten (108). Dabei kann ein Kupferphos- phid-Nieder schlag entstehen. [0058] During the thermal treatment, a gaseous phosphorus-containing product gas is obtained, which is fed to a separation system (106) to carry out step (c). Ash and/or slag are also obtained (105). In the separation system, the phosphorus-containing product gas is brought into contact with an aqueous copper(II) sulfate solution. The phosphorus-containing product gas is scrubbed, whereby phosphorus, for example P2 and P2O5, is separated from the phosphorus-containing product gas to obtain a phosphorus-depleted product gas. One or more components, for example H2, CO, and/or CH4, of the phosphorus-depleted product gas can be subjected to material and/or energy utilization (107). By bringing the aqueous copper(II) sulfate solution into contact with the phosphorus-containing product gas, a phosphorus-containing aqueous copper(II) sulfate solution is obtained (108). A copper phosphide precipitate may form.
[0059] Die phosphorhaltige wässerige Kupfer(II)-sulfat-Lösung sowie der phosphorhaltige Niederschlag können gemäß Schritt (d) regeneriert werden (109). Dazu kann die Suspension aus phosphorhaltigem Niederschlag in phosphorhaltiger wässeriger Kup- fer(II)-sulfat-Lösung mit H2SO4 angesäuert und anschließend mit Luft oxidiert werden, wodurch Phosphorsäure erhalten wird. Die Phosphorsäure kann abgetrennt werden (HO). [0059] The phosphorus-containing aqueous copper(II) sulfate solution and the phosphorus-containing precipitate can be regenerated according to step (d) (109). For this purpose, the suspension of phosphorus-containing precipitate in phosphorus-containing aqueous copper(II) sulfate solution can be acidified with H2SO4 and subsequently oxidized with air, yielding phosphoric acid. The phosphoric acid can be separated (HO).
[0060] Der in Fig. 1 gezeigte gestrichelte Rahmen 1 kennzeichnet einen Verfahrensabschnitt des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die in Fig. 1 enger gestrichelten Rahmen kennzeichnen die Schritte (a), (b), (c) und (d). [0061] Die in Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsform entspricht der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform, außer dass in Schritt (a) ein phosphorhaltiges Einsatzmaterial bereitgestellt wird, das durch Pyrolyse eines phosphorhaltigen organischen Abfallstoffes erhalten wurde. Der in Fig. 1 gezeigte Verfahrensabschnitt ist der zweite Verfahrensabschnitt 1, dem ein erster Verfahrensabschnitt vorausgeht. Der erste Verfahrensabschnitt ist durch einen gestrichelten Rahmen 2 gekennzeichnet. Die in Fig. 2 enger gestrichelten Rahmen kennzeichnen die Schritte (a), (b), (c) und (d). [0060] The dashed frame 1 shown in Fig. 1 indicates a process step of the method according to the invention. The narrower dashed frames in Fig. 1 indicate steps (a), (b), (c), and (d). [0061] The second embodiment shown in Fig. 2 corresponds to the first embodiment shown in Fig. 1, except that in step (a) a phosphorus-containing feedstock obtained by pyrolysis of a phosphorus-containing organic waste is provided. The process section shown in Fig. 1 is the second process section 1, which is preceded by a first process section. The first process section is indicated by a dashed frame 2. The narrower dashed frames in Fig. 2 indicate steps (a), (b), (c) and (d).
[0062] Bei der zweiten Ausführungsform wird ein phosphorhaltiger organischer Abfallstoff wie beispielsweise Klärschlamm bereitgestellt (201). Der bereitgestellte phosphorhaltige organische Abfallstoff wird anschließend einer Vorbereitung durch Zerkleinerung unterzogen (202). Der zerkleinerte phosphorhaltige organische Abfallstoff wird dann einer Pyrolyse bei einer Temperatur von 400 bis 600 °C unterworfen (203), wodurch das phosphorhaltige Einsatzmaterial erhalten wird. Bei der Pyrolyse werden außerdem dampfförmige Pyrolyseprodukte erhalten, die einem Kondensationssystem zugeführt werden (204). Die dort kondensierten Pyrolyseprodukte werden verwertet (205). Außerdem werden dort unkondensierte Pyrolyseprodukte, insbesondere FE, CO, CO2 und CEU, erhalten (206). Die unkondensierten Pyrolyseprodukte werden einer CO2-Entfernung unterzogen (207). Die verbliebenen unkondensierten Pyrolyseprodukte können einer stofflichen und/oder energetischen Nutzung unterzogen werden (107). [0062] In the second embodiment, a phosphorus-containing organic waste material, such as sewage sludge, is provided (201). The provided phosphorus-containing organic waste material is subsequently subjected to preparation by comminution (202). The comminuted phosphorus-containing organic waste material is then subjected to pyrolysis at a temperature of 400 to 600 °C (203), whereby the phosphorus-containing feedstock is obtained. Pyrolysis also produces vaporous pyrolysis products, which are fed to a condensation system (204). The pyrolysis products condensed therein are utilized (205). Uncondensed pyrolysis products, in particular FE, CO, CO2, and CEU, are also obtained therein (206). The uncondensed pyrolysis products are subjected to CO2 removal (207). The remaining uncondensed pyrolysis products can be subjected to material and/or energy utilization (107).
[0063] Das bei der Pyrolyse erhaltene phosphorhaltige Einsatzmaterial wird nun einer thermischen Behandlung unterzogen (102), wie dies bereits im Zusammenhang mit der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform beschrieben worden ist. Daran schließen sich die ebenfalls im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Schritte an. [0063] The phosphorus-containing feedstock obtained during pyrolysis is then subjected to a thermal treatment (102), as already described in connection with the embodiment shown in Fig. 1. This is followed by the steps also described in connection with Fig. 1.
Beispiele 1 bis 3 Examples 1 to 3
[0064] Zur Gewinnung von Phosphor aus Klärschlamm wurde ein Koks eingesetzt, der durch Pyrolyse von Klärschlamm erhalten worden war. Dieser Koks wird im Folgenden auch als Klärschlammkoks bezeichnet. Die Gewinnung von Phosphor aus Klärschlammkoks wurde unter Verwendung einer Technikumsanlage, die als GeRiX (Ab- kürzung für „gasification equipment for reduction in fixed bed“) bezeichnet wird, durchgeführt. Dabei wird die Gewinnung von Phosphor quantitativ bestimmt. Das gesamte Verfahren wurde bei einem Druck von 1,013 bar durchgeführt. [0064] For the recovery of phosphorus from sewage sludge, a coke obtained by pyrolysis of sewage sludge was used. This coke is also referred to below as sewage sludge coke. The recovery of phosphorus from sewage sludge coke was carried out using a pilot plant known as GeRiX (Ab- The gasification process is carried out using a gasification system called "gasification equipment for reduction in fixed bed" (abbreviation for "gasification equipment for reduction in fixed bed"). This process quantitatively determines the recovery of phosphorus. The entire process was carried out at a pressure of 1,013 bar.
[0065] Zur Ausführung von Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden Klärschlammkoksproben mit je 2,4 g in einem Probentiegel über eine Öffnung von unten in den Reaktionsraum eines Vertikalrohrofens mit Keramikreaktor eingesetzt und über ein Flanschsystem verschlossen. Über die Peripherie der Anlage wurde die Prozessatmosphäre über Massedurchflussregler (MFCs) eingestellt. Der Volumenstrom für die Versuche betrugt 30 1/h STP. Die Angabe „STP“ beschreibt Normbedingungen, nämlich einen Absolutdruck von 1,01325 bar und eine Temperatur von 0 °C. Der Klärschlammkoks wurde bei einer Temperatur von 1450 °C (Aufheizen von Raumtemperatur auf Endtemperatur mit 5 K/min) behandelt. Dazu wurde der Klärschlammkoks von Raumtemperatur auf die Temperatur von 1450 °C aufgeheizt. [0065] To carry out step (b) of the process according to the invention, sewage sludge coke samples, each weighing 2.4 g, were placed in a sample crucible through an opening from below into the reaction chamber of a vertical tube furnace with a ceramic reactor and sealed with a flange system. The process atmosphere was adjusted via mass flow controllers (MFCs) on the periphery of the system. The volume flow for the experiments was 30 l/h STP. The term "STP" describes standard conditions, namely an absolute pressure of 1.01325 bar and a temperature of 0 °C. The sewage sludge coke was treated at a temperature of 1450 °C (heating from room temperature to the final temperature at 5 K/min). For this purpose, the sewage sludge coke was heated from room temperature to a temperature of 1450 °C.
[0066] Das aus dem Reaktor austretende Produktgas wurde über eine Rohrleitung zu zwei Gaswaschflaschen geführt, um Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Diese Rohrleitung wird im Folgenden als Gasstrecke bezeichnet. Die gesamte Gasstrecke nach dem Reaktor bis zu den Waschflaschen, die der Phosphorabscheidung dienen, wurde auf über 362 °C beheizt. Die Beheizung wurde mit Thermoelementen in der Gasstrecke überprüft, um eine ausreichende Erwärmung sicherzustellen. Eine Temperatur von über 362 °C ist notwendig, damit kein gasförmiges Phosphorpentoxid re- sublimieren kann. Am Ende der Gasstrecke waren zwei Glaswaschflaschen mit CuSÖ4- Lösung eingebaut. Ein Produktgas, das N2, FE und jeweils geringe Anteile von CO, CEU und anderen Kohlenwasserstoffen enthielt und aus den Waschflaschen wieder austrat, wurde über eine Rohrleitung der Abluft zugeführt. N2 und FE, die in dem Produktgas enthalten sind, stammen aus dem in Schritt (b) eingesetzten Trägergas und Reaktionsgas, während zumindest die Kohlenstoff- und Sauerstoffkomponente von CO, CEU und andere Kohlenwasserstoffe aus dem phosphorhaltigen Einsatzmaterial stammen. [0066] The product gas exiting the reactor was piped to two gas scrubbers to carry out step (c) of the process according to the invention. This pipe is referred to below as the gas line. The entire gas line downstream of the reactor up to the scrubbers used for phosphorus deposition was heated to over 362°C. The heating was monitored using thermocouples in the gas line to ensure sufficient heating. A temperature of over 362°C is necessary to prevent gaseous phosphorus pentoxide from resubliming. Two glass scrubbers containing CuSO4 solution were installed at the end of the gas line. A product gas containing N2, FE, and small amounts of CO, CEU, and other hydrocarbons, which exited the scrubbers, was piped into the exhaust air. N2 and FE contained in the product gas originate from the carrier gas and reaction gas used in step (b), while at least the carbon and oxygen components of CO, CEU and other hydrocarbons originate from the phosphorus-containing feedstock.
[0067] Vor Inbetriebnahme der Anlage wurde eine Dichtheitsprüfung durchgeführt. Zur Einstellung reduzierender Bedingungen in dem Reaktionsraum des Ofens wurde dem Reaktionsraum ein Gemisch aus dem Trägergas Stickstoff und dem Reaktionsgas Wasserstoff, wobei das Gemisch 5 Vol.-% H2 in N2 enthielt, zugeführt. Der Ofen wurde mit einer Aufheizrate von 5 K/min auf 1450 °C aufgeheizt und die Rühreinrichtung der CuSO4-Waschflaschen des Abscheidesystems eingeschaltet. Nach Beendigung des er- findungsgemäßen Verfahrens und Abkühlen der Anlage wurde der Probentiegel aus dem Ofen ausgebaut, der Rückstand ausgewogen, wodurch mRückstand erhalten wurde, und mittels optischer Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma und elektrothermischer Verdampfung (ETV-ICP-OES) und vergleichsweise mittels Röntgenfluoreszenzanalyse der Rest-Phosphorgehalt bestimmt. [0067] Before commissioning the plant, a leak test was carried out. To establish reducing conditions in the reaction chamber of the furnace, A mixture of the carrier gas nitrogen and the reaction gas hydrogen, the mixture containing 5 vol.% H2 in N2, was fed into the reaction chamber. The furnace was heated to 1450 °C at a heating rate of 5 K/min, and the stirring device of the CuSO4 wash bottles of the deposition system was switched on. After completion of the inventive process and cooling of the system, the sample crucible was removed from the furnace, the residue was weighed to obtain m residue, and the residual phosphorus content was determined using optical emission spectroscopy with inductively coupled plasma and electrothermal evaporation (ETV-ICP-OES) and, comparatively, using X-ray fluorescence analysis.
[0068] Über die bekannten Analyseergebnisse des eingesetzten Klärschlammkokses und der Einwaage mKoks kann die Phosphorfreisetzung Ppreisetzung gemäß Gleichung (1) ermittelt werden, [0068] Using the known analysis results of the sewage sludge coke used and the initial weight mCoke, the phosphorus release Pprice can be determined according to equation (1),
In Gleichung (1) bedeuten In equation (1)
Ppreisetzung der Masseanteil an freigesetztem Phosphor bezogen auf die im eingesetzten Klärschlammkoks enthaltene Masse an Phosphor; mKoks die Masse des eingesetzten Klärschlammkokses gemäß Einwaage; P is the mass fraction of released phosphorus relative to the mass of phosphorus contained in the sewage sludge coke used; mCoke is the mass of sewage sludge coke used according to the initial weight;
PKoks den Masseanteil von Phosphor an der Masse des eingesetztenPKoks the mass fraction of phosphorus in the mass of the used
Klärschlammkokses mKoks; mRückstand die Masse des Rückstandes, der nach Ausführung von Schritt (b) von dem Klärschlammkoks zurückblieb, gemäß Auswaage;Sewage sludge coke mcoke; mresidue is the mass of residue remaining from the sewage sludge coke after step (b) has been carried out, as measured by the final weighing;
PRückstand den Masseanteil von Phosphor an der Masse des Rückstandes mRückstand- Presidue the mass fraction of phosphorus in the mass of the residue mresidue-
[0069] Die Abscheidung wurde nach der Filtration des Filterkuchens (Schritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens) und der Analyse der Lösung und des Filterkuchens gemäß Gleichung (2) bilanziert. [0069] The deposition was balanced after filtration of the filter cake (step (d) of the process according to the invention) and analysis of the solution and the filter cake according to equation (2).
In Gleichung (2) bedeuten In equation (2)
P Abscheidung den Masseanteil an abgeschiedenem Phosphor bezogen auf die aus dem eingesetzten Klärschlammkoks freigesetzte Masse an Phosphor; mp, Filter i die Masse des im Filterkuchen der ersten Waschflasche enthaltenen Phosphors; mp. Filter i die Masse des im Filterkuchen der zweiten Waschflasche enthaltenen Phosphors; mp. Lösung i die Masse des in der Cu2SO4-Lösung der ersten Waschflasche enthaltenen Phosphors; mp, Lösung 2 die Masse des in der Cu2SO4-Lösung der zweiten Waschflasche enthaltenen Phosphors; mp, freigesetzt die Masse des in Schritt (b) freigesetzten Phosphors, wobei mp, freigesetzt — Ppreisetzung * P oks * niKoks ist. P separation is the mass fraction of separated phosphorus based on the mass of phosphorus released from the sewage sludge coke used; mp, filter i is the mass of phosphorus contained in the filter cake of the first wash bottle; mp, filter i is the mass of phosphorus contained in the filter cake of the second wash bottle; mp, solution i is the mass of phosphorus contained in the Cu2SO4 solution of the first wash bottle; mp, solution 2 is the mass of phosphorus contained in the Cu2SO4 solution of the second wash bottle; mp, released is the mass of phosphorus released in step (b), where mp, released - P price * P coke * n coke.
[0070] Der Begriff „Phosphorfreisetzung“ bezieht sich dabei auf Phosphor, der in Schritt (b) aus dem Klärschlammkoks in die Gasatmosphäre im Reaktionsraum übergeht. Der Begriff „Phosphorabscheidung“ bezieht sich hingegen auf Phosphor, der in Schritt (c) aus dem Produktgas in die CuSC -Lösung gelangt oder als Kupfer-Phosphor- Verbindung aus dieser Lösung ausfällt. Dabei wird die Phosphorabscheidung aus der Masse an Phosphor, die durch Filtration abgetrennt wird, und der Masse an Phosphor, die in der Lösung vorliegt, bestimmt. [0070] The term "phosphorus release" refers to phosphorus that passes from the sewage sludge coke into the gas atmosphere in the reaction chamber in step (b). The term "phosphorus separation," on the other hand, refers to phosphorus that passes from the product gas into the CuSC solution in step (c) or precipitates from this solution as a copper-phosphorus compound. The phosphorus separation is determined from the mass of phosphorus separated by filtration and the mass of phosphorus present in the solution.
[0071] Für zwei Beispiele sind nun die Einsatzmaterialien, die Versuchsbedingungen und die Ergebnisse dargestellt. Die Untersuchungen erfolgten beispielhaft an einem Klärschlammkoks, der als Koks 1 oder Koks Ol bezeichnet wird, und an einem Klärschlammkoks, der als Koks 3 oder Koks_03 bezeichnet wird. Der Koks Ol enthielt dabei rund 7,6 Masse-% Phosphor, und der Koks_03 enthielt rund 6,5 Masse-% Phosphor. Koks Ol wurde aus einem Klärschlamm, der als Klärschlamm 1 oder KS 01 bezeichnet wird, erhalten. Koks_03 wurde aus einem Klärschlamm, der als Klärschlamm 3 oder KS 03 bezeichnet wird, erhalten. In Tabelle 1 sind Analysedaten für die Klärschlämme 1 und 3 und Kokse 1 und 3 gezeigt. Die Angabe „Ma.-%“ bedeutet Masse-% und bezieht sich jeweils auf die Masse des Klärschlamms bzw. Kokses. Die Angabe „wf ‘ bedeutet wasserfrei. [0071] The feed materials, the test conditions, and the results are now presented for two examples. The investigations were carried out using a sewage sludge coke, designated as Coke 1 or Coke Oil, and a sewage sludge coke, designated as Coke 3 or Coke_03. Coke Oil contained approximately 7.6 mass% phosphorus, and Coke_03 contained approximately 6.5 mass% phosphorus. Coke Oil was produced from a sewage sludge, designated as Sewage Sludge 1 or KS 01. Coke_03 was obtained from a sewage sludge referred to as sewage sludge 3 or KS 03. Table 1 shows analytical data for sewage sludges 1 and 3 and cokes 1 and 3. The term "Ma%" means mass% and refers to the mass of the sewage sludge or coke, respectively. The term "wf" means anhydrous.
Tabelle 1 Table 1
[0072] In allen drei Beispielen wurden folgende Prozessbedingungen verwendet:[0072] In all three examples, the following process conditions were used:
(i) Zur Herstellung reduzierender Bedingungen in dem Reaktionsraum des Ofens wurde ein Volumenstrom Vges von 30 L/h eingesetzt. Die Gasatmosphäre im Reaktionsraum enthielt bei Beginn der Ausführung von Schritt (b) 5 Vol.-% H2 in N2. (i) To create reducing conditions in the reaction chamber of the furnace, a volume flow V total of 30 L/h was used. The gas atmosphere in the At the start of step (b), the reaction chamber contained 5 vol% H2 in N2.
(ii) Die beiden Waschflaschen enthielten jeweils 2,6 L CuSC -Lösung und wiesen jeweils eine Rührvorrichtung auf. Es wurde entweder eine 0,25 M CuSCh-Lösung oder eine 0, 1 M CuSCU-Lösung eingesetzt. (ii) The two wash bottles each contained 2.6 L of CuSC solution and each had a stirring device. Either a 0.25 M CuSC solution or a 0.1 M CuSC solution was used.
(iii) Der Ofen wurde mit einer Aufheizrate (AHR) von 5 K/min bis auf eine Temperatur von 1450 °C erwärmt. Nach Erreichen der 1450 °C wurde der Ofen durch Abschalten der Heizung abkühlen gelassen, um den Rückstand entnehmen zu können. (iii) The furnace was heated at a heating rate (AHR) of 5 K/min to a temperature of 1450 °C. After reaching 1450 °C, the furnace was allowed to cool by switching off the heating to allow the residue to be removed.
[0073] In den Beispielen 1 bis 3 wurde ein abgereichertes Produktgas erhalten, das neben Wasserstoff auch Kohlenmonoxid enthielt. Das abgereicherte Produktgas kann weiterverwendet werden, beispielsweise zur chemischen Synthese. [0073] In Examples 1 to 3, a depleted product gas was obtained which, in addition to hydrogen, also contained carbon monoxide. The depleted product gas can be used further, for example, for chemical synthesis.
Beispiel 1 Example 1
[0074] In Beispiel 1 wurde Phosphor aus Koks Ol unter Verwendung einer 0,1 M Cu2SO4-Lösung gewonnen. Die Einwaage mKoks an Koks_01 betrug 2,4030 g, die Auswaage mRückstand 1,2823 g. Der Phosphorgehalt der Einwaage PKoks betrug 7,60 Masse-%, der Phosphorgehalt der Auswaage PRückstana: 4,24 Masse-%. [0074] In Example 1, phosphorus was extracted from coke oil using a 0.1 M Cu2SO4 solution. The initial weight mKoks of coke oil was 2.4030 g, and the final weight mRückstand was 1.2823 g. The phosphorus content of the initial weight PKoks was 7.60 mass%, and the phosphorus content of the final weight PRückstana was 4.24 mass%.
[0075] Gemäß Gleichung (1) wurde eine Phosphorfreisetzung Ppreisetzung von ~ 70,2 % bestimmt. Gemäß Gleichung (2) wurden davon 55,2 % abgeschieden, und zwar 35 % im Filterkuchen und 65 % in Lösung. [0075] According to equation (1), a phosphorus release P of ~ 70.2% was determined. According to equation (2), 55.2% of this was separated, namely 35% in the filter cake and 65% in solution.
Beispiel 2 Example 2
[0076] In Beispiel 2 wurde Phosphor aus Koks Ol unter Verwendung einer 0,25 M Cu2SO4-Lösung gewonnen. Die Einwaage mKoks an Koks_01 betrug 2,4050 g, die Auswaage mRückstand 1,2933 g. Der Phosphorgehalt der Einwaage PKoks betrug 7,60 Masse-%, der Phosphorgehalt der Auswaage PRückstana: 4,23 Masse-%. [0077] Gemäß Gleichung (1) wurde eine Phosphorfreisetzung Ppreisetzung von ~ 70 % bestimmt. Gemäß Gleichung (2) wurden davon 64,3 % abgeschieden, und zwar 45 % im Filterkuchen und 55 % in Lösung. Beispiel 3 [0076] In Example 2, phosphorus was extracted from coke oil using a 0.25 M Cu2SO4 solution. The initial weight mKoks of coke oil was 2.4050 g, and the final weight mRückstand was 1.2933 g. The phosphorus content of the initial weight PKoks was 7.60 mass%, and the phosphorus content of the final weight PRückstana was 4.23 mass%. [0077] According to equation (1), a phosphorus release P of approximately 70% was determined. According to equation (2), 64.3% of this was separated, namely 45% in the filter cake and 55% in solution. Example 3
[0078] In Beispiel 3 wurde Phosphor aus Koks_03 unter Verwendung einer 0,25 M Cu2SO4-Lösung gewonnen. Die Einwaage mKoks an Koks_01 betrug 2,4010 g, die Auswaage mRückstand 1,4576 g. Der Phosphorgehalt der Einwaage PKoks betrug 6,51 Masse-%, der Phosphorgehalt der Auswaage PRückstana: 0,83 Masse-%. [0078] In Example 3, phosphorus was extracted from coke_03 using a 0.25 M Cu2SO4 solution. The initial weight mcoke of coke_01 was 2.4010 g, and the final weight mresidue was 1.4576 g. The phosphorus content of the initial weight Pcoke was 6.51 mass%, and the phosphorus content of the final weight Presidue was 0.83 mass%.
[0079] Gemäß Gleichung (1) wurde eine Phosphorfreisetzung Ppreisetzung von ~ 92 % bestimmt. Gemäß Gleichung (2) wurden davon 84,8 % abgeschieden, und zwar 31 % im Filterkuchen und 69 % in Lösung. [0079] According to equation (1), a phosphorus release P of ~ 92% was determined. According to equation (2), 84.8% of this was separated, namely 31% in the filter cake and 69% in solution.
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