DE10052918A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung durch Einsatz biogener Stoffe - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren dient zur Meerwasserentsalzung durch Einsatz biogener Stoffe (1). Um ein vorteilhaftes Verfahren dieser Art vorzuschlagen, werden die biogenen Stoffe aufbereitet (3) und in Energie umgewandelt (5). Durch die derart erzeugte Energie wird Meerwasser entsalzt, was vorzugsweise in einer Umkehrosmoseeinrichtung (15) erfolgt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Meerwasserentsalzung durch Einsatz bio­ gener Stoffe und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren für die Aufbereitung von Brack- oder Sic­ kerwasser und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Verfahren und Vorrichtungen zur Meerwasserentsalzung sind bereits bekannt. Stand der Technik sind netzbetriebene Umkehrosmose-Einheiten oder "dual­ purpose-Anlagen"; hier wird im Regelfall mit einer Gas- und Dampfturbinenanlage Strom erzeugt, und die Abwärme wird zur thermischen Meerwasserentsalzung ge­ nutzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein vorteilhaftes Verfahren und eine vorteilhafte Vor­ richtung zur Meerwasserentsalzung vorzuschlagen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Meerwasserentsal­ zung durch Einsatz biogener Stoffe gelöst, bei dem biogene Stoffe aufbereitet wer­ den, die aufbereiteten biogenen Stoffe in Energie umgewandelt werden und bei dem durch die derart erzeugte Energie Meerwasser entsalzt wird. Die Energiezu­ fuhr kann teilweise, überwiegend oder vollständig durch die biogenen Stoffe erfol­ gen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung durch Einsatz bio­ gener Stoffe, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfaßt eine Aufbereitungsvorrichtung für biogene Stoffe, eine Energiewandlungs­ einrichtung für die aufbereiteten biogenen Stoffe und eine Meerwasserentsalzungs­ einrichtung.

Als biogene Stoffe kommen insbesondere Hausmüll oder hausmüllähnliche Abfälle in Betracht sowie Stoffe oder Stoffgemische, die Hausmüll oder hausmüllähnliche Abfälle enthalten oder daraus bestehen. Allerdings sind auch andere biogene Stoffe zur Durchführung des Verfahrens geeignet, beispielsweise biogene Reststoffe oder sonstige Biomassen.

Die biogenen Stoffe werden insbesondere biologisch aufbereitet. Zusätzlich ist auch eine mechanische Aufbereitung möglich. Beispielsweise kann zunächst eine mechanische Aufbereitung durchgeführt werden, an die sich dann eine biologische Aufbereitung anschließt.

Die aufbereiteten biogenen Stoffe werden anschließend zumindest teilweise in Energie umgewandelt. Bei dieser Energiewandlung kann ein "Energieträger" ent­ stehen. Durch die derart erzeugte Energie wird Meerwasser entsalzt.

Gemäß der Erfindung wird erstmals der chemische Energieinhalt von biogenen Stoffen genutzt, um damit im unmittelbaren Anlagenverbund eine Meerwasserent­ salzung durchzuführen. Aus dem chemischen Energieinhalt der biogenen Stoffe kann insbesondere mindestens ein Energieträger "erzeugt" werden, mit dessen Hilfe Meerwasser entsalzt werden kann bzw. eine Anlage zur Meerwasserentsal­ zung betrieben werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrie­ ben.

Die biogenen Stoffe bzw. die Stoffe und/oder Stoffgemische, die biogene Stoffe enthalten, können unter Zwangsbelüftung kompostiert werden. Dies geschieht vor­ zugsweise in einem Behälter, bei dem es sich vorzugsweise um einen geschlosse­ nen Behälter handelt, der eine Einrichtung zur Zwangsbelüftung aufweist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die biogenen Stoffe bei der Aufbereitung bzw. Kompostierung auf einen Restfeuchtegehalt von höchstens 15% getrocknet werden. Ein derartiges Aufbereitungsprodukt ist unter dem Markennamen Trockenstabilat® bekannt. Vor­ zugsweise wird das Verfahren derart durchgeführt, daß die Kompostierung durch Trocknung zum Stillstand gebracht wird, nachdem die biologisch leicht abbaubaren Bestandteile der biogenen Stoffe abgebaut worden sind.

Die Energieumwandlung kann durch Verbrennung, Vergasung und/oder Entgasung erfolgen, aber auch durch weitere Verfahren. Insbesondere kann die Energieum­ wandlung in einer Gasturbine oder einem oder mehreren Gasmotoren erfolgen, in der ein Pyrolysegas aus Trockenstabilat® thermisch verwertet wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß durch die Energieumwandlung ein Energieträger erzeugt wird. Dabei kann es sich um Syn­ thesegas, heißes Rauchgas, Dampf, Heißwasser, elektrischen Strom oder vor­ zugsweise Rotationsenergie handeln, aber auch um weitere Energieträger.

Vorteilhaft ist es, wenn durch die Energieumwandlung eine Hochdruckpumpe an­ getrieben wird, die ihrerseits eine Umkehrosmoseeinheit antreibt. Durch die Um­ kehrosmoseeinheit wird Meerwasser entsalzt.

Dabei ist es von Vorteil, wenn der Energieinhalt des Konzentrats aus der Umkeh­ rosmoseeinheit rückgewonnen wird. Die Energierückgewinnung erfolgt entweder durch einen Drucktauscher - bekannt aus DE 44 05 365 A1 - oder eine Expansi­ onsturbine, die direkt die Hochdruckpumpe mit antreibt. Es wird hier vorgeschlagen, beide Energierückgewinnungssysteme gegebenenfalls parallel zu betreiben. Bei direktem Antrieb der Hochdruckpumpe mit Rotationsenergie wird die Expansions­ turbine zur Stromerzeugung genutzt, um die gesamte Anlage mit elektrischer Energie zu versorgen (Energieautarkie).

Die Wärme, die bei der Energiewandlung der biogenen Stoffe freigesetzt wird, kann zur Meerwasserentsalzung genutzt werden. Es kann also über ein thermisches Meerwasserentsalzungsverfahren zusätzlich Frischwasser erzeugt werden. (Frischwasser = Produktwasser).

Das geschilderte Verfahren gilt sinngemäß auch für die Aufbereitung von Brack- oder Sickerwasser.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Anlage zur Meerwasserentsalzung in einer sche­ matischen Darstellung,

Fig. 2 eine Abwandlung der in Fig. 1 gezeigten Anlage,

Fig. 3 eine Abwandlung der Anlage mit einer integrierten Pyro­ lyse und Verbrennung und

Fig. 4 eine Abwandlung der Anlage gemäß Fig. 3.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anlage wird das Ausgangsprodukt 1, das biogene Stoffe enthält, beispielsweise Abfall und/oder Biomasse und/oder biogene Rest­ stoffe, als Brennstoff 2 in einer Aufbereitungsstufe 3 aufbereitet. Der aufbereitete Brennstoff 4 wird einer thermischen Ververtung 5 zugeführt. Die dort entstehende Wärme 6 wird einer thermischen Entsalzungseinrichtung 7 zugeführt.

In der thermischen Verwertungseinrichtung 5 wird Antriebsenergie 8 erzeugt, die sowohl der thermischen Entsalzungseinrichtung 7 als auch einer Antriebsvorrich­ tung 9 zugeführt wird.

Die Antriebsvorrichtung 9 treibt über eine Welle 10 eine Hochdruckpumpe 11 an. Der Hochdruckpumpe 11 wird Meerwasser 12 über eine Zuleitung 13 zugeführt. Sie fördert das Meerwasser über eine Druckleitung 14 zu einer Umkehrosmoseeinrich­ tung 15, in der die Meerwasserentsalzung stattfindet. Das entsalzte Meerwasser, also das Frischwasser 16, wird abgeführt. Es kann gespeichert werden. Das Kon­ zentrat 17 aus der Umkehrosmoseeinrichtung 15 wird einer Energierückgewin­ nungseinrichtung 18 zugeführt.

In der thermischen Entsalzungseinrichtung 7 wird Meerwasser 12 entsalzt. Das Frischwasser 16 kann gespeichert werden. Das in der thermischen Entsalzung ent­ stehende Konzentrat 19 wird abgeführt.

In der Energierückgewinnungseinrichtung 18 wird mechanische Energie erzeugt, die über eine Welle 20 der Hockdruckpumpe 11 zugeführt wird. Hierdurch wird der Bedarf an Antriebsenergie aus der Antriebsvorrichtung 9 vermindert. Alternativ oder parallel kann hier eine Stromerzeugung erfolgen, um die anderen Anlagenkompo­ nenten gegebenenfalls mit elektrischer Energie zu versorgen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich erfolgt gemäß der Erfindung nach einer wie auch immer beschaffenen Aufbereitung 3 die Energiewandlung des biogenen Einsatzstoffes 1; dies kann eine Verbrennung, Vergasung, Entgasung etc. sein. Die dabei auftreten­ den Energieträger sind je nach Verfahren: Synthesegas, heißes Rauchgas, Dampf, Heißwasser, elektrischer Strom, Rotationsenergie einer Antriebswelle etc. Ein ge­ eigneter Energieträger, vorzugsweise elektrischer Strom oder Rotationsenergie, wird genutzt, um über eine Antriebsvorrichtung 9, z. B. einen Elektromotor oder eine Dampfturbine, eine Hochdruckpumpe 11 anzutreiben. Diese Hochdruckpumpe 11 bringt Meerwasser 12 auf einen so hohen Druck (rund 6 MPa und mehr), so daß in einer nachgeschalteten Umkehrosmoseeinheit 15 über eine Membrantrennstufe eine Meerwasserentsalzung erfolgt. Der Energieinhalt des Konzentrats 17 aus der Membrantrennstufe 15 wird über eine Vorrichtung zur Energierückgewinnung 18 genutzt, um den Energiebedarf zum Pumpenantrieb 11 zu reduzieren, oder gege­ benenfalls Strom zu erzeugen.

Die bei der Energiewandlung des biogenen Stoffes 1 unweigerlich freigesetzte Wärme 6 wird genutzt, um über ein thermisches Meerwasserentsalzungsverfahren 7 zusätzlich Frischwasser 16 zu erzeugen. Die hierbei erforderlichen Antriebslei­ stungen verschiedener Aggregate können durch entsprechende Energieträger, die bei der Energiewandlung des biogenen Stoffes erzeugt werden, abgedeckt werden. Denkbar ist aber auch, daß eine kleine Stromerzeugungsanlage vorgesehen wer­ den muß, wenn z. B. eine Dampfturbine direkt die Hockdruckpumpe antreibt. Es ist kaum vorstellbar, daß alle Antriebe als Dampfantriebe gestaltet werden können.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Anlage gemäß Fig. 1, in der gleiche Teile mit glei­ chem Bezugszeichen versehen sind, so daß sie nicht erneut beschrieben werden müssen. Bei der Anlage gemäß Fig. 2 wird in der Aufbereitung 3' Trockenstabilat® erzeugt. Die Aufbereitungsvorrichtung ist in diesem Fall vorzugsweise ein ge­ schlossener Behälter mit einer Einrichtung zur Zwangsbelüftung. In dem Behälter kann ein Lochboden vorhanden sein, auf dem die biogenen Stoffe, insbesondere Hausmüll oder hausmüllähnliche Abfälle oder ein Gemisch, das Hausmüll oder hausmüllähnliche Abfälle enthält, in einer Schüttung aufliegen. Dem Raum unter dem Lochboden wird Luft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, ins­ besondere durch ein Gebläse. Die Luft durchströmt die Löcher des Lochbodens und die darauf aufliegende Schüttung der biogenen Stoffe von unten nach oben. Über den biogenen Stoffen wird die Abluft abgezogen. Sie wird vorzugsweise im Kreislauf geführt, also den biogenen Stoffen ganz oder teilweise wieder zugeführt. In dem Umluftkreis kann ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der der Umluft Wärme entzieht. Vorteilhaft ist es, wenn die in der Umluft enthaltene Feuchtigkeit auskondensiert wird, vorzugsweise in einem Wärmetauscher. Das Verfahren wird derart ausgeführt, daß das Endprodukt einen Feuchtegehalt von höchstens 15% aufweist.

Das erzeugte Trockenstabilat 4' wird einer energetischen Verwertungsanlage 5' zugeführt. Der in der energetischen Verwertungsanlage 5' erzeugte Dampf 8' (Heißdampf) wird einer Dampfturbine 9' zugeleitet und dort unter Energieerzeugung entspannt. Der entspannte, abgekühlte Dampf 8" wird zur energetischen Verwer­ tungsanlage 5' zurückgeführt. Die Dampfturbine 9' treibt über eine Welle 10 die Hochdruckpumpe 11 an. In der energetischen Verwertungsanlage 5' werden Wär­ me 6 und elektrischer Strom 8''' erzeugt.

Die Energierückgewinnung aus dem Konzentrat 17 der Umkehrosmoseeinrichtung 15 erfolgt in einem Drucktauscher 18'.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird Trockenstabilat 4' erzeugt und in einer energetischen Verwertungsanlage (EVA) 5' verwertet. Die Dampfturbine 9' treibt direkt die Hockdruckpumpe 11 an. Eine Stromerzeugung ist erforderlich (darstelle­ risch in die energetische Verwertungsanlage 5' integriert; die Stromerzeugung kann aber auch alternativ durch eine Entspannung des Konzentrats 17 aus der Umkehr­ osmoseeinrichtung 15 erzeugt werden; vgl. Fig. 3). Ein Teil des Frischwassers 16 wird als Speisewasser 21 genutzt, um Verluste im Wasser-/Dampfkreislauf 8', 8" auszugleichen.

Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 mit einer integrierten Pyrolyse und Verbrennung. Das Trockenstabilat® aus der Troc­ kenstabilat®-Erzeugung 3' wird in der integrierten Pyrolyse- und Verbrennungsein­ richtung 5" pyrolisiert (IPV-Verfahren). Das dabei entstehende Synthesegas 22 wird auf Brennkammerdruck verdichtet (in der Zeichnung nicht dargestellt) und in einer Gasturbine 9" oder - in der Zeichnung nicht dargestellt - in einem oder mehreren Gasmotoren eingesetzt. Die Gasturbine 9" treibt direkt die Hochdruckpumpe 11 an. Die in der integrierten Pyrolyse- und Verbrennungseinrichtung 5" und in der Ga­ sturbine 9" entstehende Abwärme 6 wird der thermischen Entsalzungseinrichtung 7 zugeführt und genutzt, um diese zu betreiben. Der elektrische Strom 23 zum An­ trieb von Hilfsantrieben wird separat durch Verstromung von Synthesegas 22 (in der Zeichnung nicht dargestellt) oder durch Expansion des Konzentrats 17 aus der Umkehrosmoseeinrichtung 15 in einer Turbine (Expansionsturbine) mit Generator 18" erzeugt.

Die thermische Entsalzungseinrichtung 7 ist nicht zwingend, sondern optional. Wenn sie nicht vorhanden ist, wird die Abwärme 6 an die Umgebung abgeführt.

Die Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 3. Hier wird ein Teil 17' des Konzentrats aus der Umkehrosmoseeinrichtung 15 einer Turbi­ ne/Generator-Einheit 23 zugeführt, die eine Turbine 24 und einen Generator 25 umfaßt. Der erzeugte elektrische Strom 26 wird in der Trockenstabilat®-Erzeugung 3', der integrierten Pyrolyse- und Verbrennungseinrichtung 5" und in der thermi­ schen Entsalzungseinrichtung 7 oder anderen Anlagenkomponenten verwendet. Der verbleibende Teil 17 des Konzentrats aus der Umkehrosmoseeinrichtung 15 wird einem Drucktauscher 27 zugeführt. Im Drucktauscher 27 wird der Energiein­ halt des Konzentrats auf einen Teil des Meerwassers 12 übertragen. Das Konzen­ trat aus dem Drucktauscher 27 wird abgeführt.

Durch die Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung für die gleichzeitige mechanische und thermische Meerwasserentsalzung geschaffen. Die thermische Meerwasserentsalzung ist allerdings nicht zwingend erforderlich. Sie ist in be­ stimmten Anwendungsfällen allerdings vorteilhaft.

Das erfindungsgemäß Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können in völliger Energieautarkie realisiert werden. Ein Strombezug aus fremden Quellen, beispielsweise einem Stromnetz oder sonstigen Quellen, ist nicht erforderlich. Auch ein Bezug sonstiger fossiler Energieträger ist nicht nötig.

Die Erfindung ermöglicht den direkten Antrieb der Hauptpumpe der Umkehrosmo­ seeinrichtung durch eine Gasturbine, Dampfturbine, Gasmotor, etc. Gemäß der Erfindung kann das Konzentrat aus der Umkehrosmoseeinrichtung zur Energierückgewinnung derart genutzt werden, daß ein Teil über einen Drucktau­ scher zusätzlich Meerwasser auf den für die Membrantrennung erforderlichen Druck bringt und so den Durchsatz der Anlage erhöht, wodurch wiederum der spe­ zifische Energiebedarf abgesenkt wird (dies ist in Fig. 4 dargestellt), und daß der andere Teil über eine Expansionsturbine zur Stromerzeugung genutzt wird, um die gesamte Anlage mit elektrischer Energie zu versorgen (auch dies ist in Fig. 4 dar­ gestellt).

Ein weiterer mit der Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, daß sich der Ein­ satzstoff, vorzugsweise Trockenstabilat®, und das Endprodukt, vorzugsweise Trinkwasser, beliebig speichern lassen. Bei der energetischen Verwertung von Trockenstabilat® nach dem Stand der Technik ist dies nicht der Fall, da Strom und Wärme erzeugt werden, die nicht oder nur äußerst eingeschränkt speicherbar sind. Bei der bekannten Meerwasserentsalzung ist dies ebenfalls nicht möglich, da als Einsatzenergie Strom oder Wärme verwendet werden.

Claims (17)

1. Verfahren zur Meerwasserentsalzung und/oder zur Aufbereitung von Brack- oder Sickerwasser durch Einsatz biogener Stoffe (1),
bei dem biogene Stoffe (1) aufbereitet (3, 3') werden,
bei dem die aufbereiteten biogenen Stoffe (4, 4') in Energie umgewandelt (5, 5', 5", 8, 8', 9, 9', 9") werden
und bei dem durch die derart erzeugte Energie Meerwasser entsalzt (15) und/oder Brack- oder Sickerwasser aufbereitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die biogenen Stoffe (1) biologisch aufbereitet (3, 3') werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die biogenen Stoffe (1) unter Zwangsbelüftung in einem vorzugsweise geschlossenen Behäl­ ter (3') kompostiert werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die biogenen Stoffe (1) bei der Aufbereitung bzw. Kompostierung auf einen Restfeuchtegehalt von höchstens 15% getrocknet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Energieumwandlung durch Verbrennung, Vergasung und/oder Ent­ gasung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß durch die Energieumwandlung ein Energieträger, vorzugsweise Syn­ thesegas (22), heißes Rauchgas, Dampf (8'), Heißwasser, elektrischer Strom (8''') und/oder Rotationsenergie (10) erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß durch die Energieumwandlung eine Hochdruckpumpe (11) angetrieben wird, die eine Umkehrosmoseeinheit (15) antreibt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckpum­ pe (11) direkt durch Rotationsenergie der Welle einer Antriebsvorrichtung ange­ trieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Energi­ einhalt des Konzentrats (17) aus der Umkehrosmoseeinheit (15) rückgewonnen (18) wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß durch die Wärme (6), die bei der Energieumwandlung freigesetzt wird, gleichzeitig Meerwasser entsalzt (7) wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Edukte Meerwasser (12) und/oder biogene Stoffe (1) und/oder das Produkt Frischwasser (16) gespeichert werden.

12. Vorrichtung zur Meerwasserentsalzung und/oder zur Aufbereitung von Brack- oder Sickerwasser durch Einsatz biogener Stoffe (1), insbesondere zur Durch­ führung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer Aufbereitungseinrichtung (3, 3') für biogene Stoffe (1), einer Energiewandlungseinrichtung (5, 5', 5", 8, 8', 8", 9, 9', 9") für die aufbe­ reiteten biogenen Stoffe (4, 4') und einer Meerwasserentsalzungseinrichtung (15) und/oder einer Einrichtung für die Aufbereitung von Brack- oder Sickerwasser.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufberei­ tungseinrichtung (3') einen vorzugsweise geschlossenen Behälter, vorzugswei­ se mit einer Einrichtung zur Zwangsbelüftung, zum Kompostieren der biogenen Stoffe umfaßt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumwandlungseinrichtung eine Pyrolyseeinrichtung (5") und/oder eine Vergasungseinrichtung und/oder eine Verbrennungseinrichtung und/oder eine Dampfturbine (9') und/oder eine Gasturbine (9") und/oder einen oder mehrere Gasmotoren umfaßt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch eine Hochdruckpumpe (11) zum Antrieb einer Umkehrosmoseeinheit (15).

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, gekennzeichnet durch eine Energierückgewinnungseinrichtung (18, 18', 18"), insbesondere einen Druck­ tauscher (18') und/oder eine Expansionsturbine (18", 23, 24) zum Rückgewin­ nen der Energie des Konzentrats (17).

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, gekennzeichnet durch eine thermische Meerwasserentsalzungseinheit (7).