DE102008004732A1

DE102008004732A1 - Hydrothermale Karbonisierung von Biomasse

Info

Publication number: DE102008004732A1
Application number: DE102008004732A
Authority: DE
Inventors: Lucia Viviane Sanders
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2009-07-23
Also published as: WO2009090072A1

Abstract

die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird. Um die hydrothermale Karbonisierung von Biomasse zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der zeitlichen Dauer des Umwandlungsprozesses als auch hinsichtlich der Art und Weise der Prozessführung, wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass die Biomasse vor der Umwandlung und/oder während der Umwandlung disorganisiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird.
Der Begriff Biomasse umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung sämtliche lebenden, toten und/oder zersetzten Organismen. Dazu zählen neben Pflanzen insbesondere auch Abfall- und/oder Restholz, Stroh, Gras, Dung, Laub, Klärschlamm und/oder organischer Hausmüll. Die Biomasse kann dabei in unterschiedlichen Zusammensetzungen, Qualitäten, Größen und/oder dergleichen Verwendung finden, je nach Bedarf und gewünschtem Umwandlungsprodukt Verwendung finden.
Bisher wird bei der hydrothermalen Karbonisierung ein Druckbehälter mit im wesentlichen aus pflanzlichen Produkten bestehender Biomasse, Wasser und einer geringen Menge eines Katalysators, insbesondere Zitronensäure, gefüllt. Anschließend wird der Druckbehälter verschlossen und unter Temperatur- und Druckerhöhung die Umwandlung beziehungsweise Umsetzung der Biomasse durchgeführt. Die dabei ablaufende Reaktion ist exotherm, das heißt es wird Energie in Form von Wärme und/oder Licht abgegeben. Die zeitliche Dauer dieses Umwandlungsprozesses hängt von dem angestrebten Zustand des Umwandlungsprodukts ab und liegt bisher beispielsweise für die Umwandlung von Biomasse in Kohle in einem Zeitbereich von etwa zwölf Stunden. Dabei wird der Druckbehälter auf einer Temperatur von etwa 180 Grad Celsius bis etwa 200 Grad Celsius gehalten. Anschließend wird der Druckbehälter geöffnet und das Umwandlungsprodukt – bei einer Umwandlung von Biomasse in Kohle kleine auf dem Wasser schwimmende Kohlepartikel – dem Druckbehälter entnommen.
Nachteilig bei der bisher bekannten hydrothermalen Karbonisierung ist neben der relativ großen zeitlichen Dauer des Umwandlungsprozesses insbesondere die diskontinuierliche Prozessführung, bei der ein Druckbehälter zunächst gefüllt wird, der gefüllte Druckbehälter dann druckdicht verschlossen wird, anschließend in dem Druckbehälter die Umwandlungsreaktionen ablaufen, der Druckbehälter danach geöffnet wird und schließlich der geöffnete Druckbehälter geleert wird beziehungsweise das Umwandlungsprodukt aus dem Druckbehälter entnommen wird. Darüber hinaus sind sowohl der maschinen- und/oder anlagentechnische Aufwand als auch der Bedien- und Personalaufwand bisher erheblich. Ferner ist mit der bisherigen diskontinuierlichen Prozessführung ein effektiver und günstiger industrieller Einsatz der hydrothermalen Karbonisierung zur Stoffgewinnung nicht realisierbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt in Anbetracht des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, die hydrothermale Karbonisierung von Biomasse zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der zeitlichen Dauer des Umwandlungsprozesses als auch hinsichtlich der Art und Weise der Prozessführung.
Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird, vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Biomasse vor der Umwandlung und/oder während der Umwandlung disorganisiert wird.
Unter Disorganisation wird dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung jede zumindest eine Schädigung der Struktur von Zellen und/oder komplexen Molekülen in der Biomasse, insbesondere Zellulosezellen, verstanden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich durch eine erfindungsgemäß vor und/oder während des Umwandlungsprozesses erfolgende Disorganisation der Biomasse die zeitliche Dauer des Umwandlungsprozesses der Biomasse deutlich reduzieren lässt. Im Vergleich
Vorteilhafterweise lässt sich die zeitliche Dauer des erfindungsgemäßen Umwandlungsprozesses der Biomasse im Vergleich zu der zeitlichen Dauer eines ohne erfindungsgemäße Disorganisation der Biomasse erfolgenden Prozessführung – je nach gewünschtem oder angestrebtem Zustand des Endprodukts – reduzieren, vorzugsweise bis auf etwa ein Drittel. So kann beispielsweise die Umwandlung von Biomasse in Kohle erfindungsgemäß in einem Zeitbereich von etwa vier Stunden erfolgen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Disorganisation mittels Ultraschall erfolgt. Im Rahmen der Disorganisation mittels Ultraschall erwärmt sich die Biomasse vorteilhafterweise. Die Disorganisation der Strukturen von Zellen und/oder komplexen Molekülen in der Biomasse erfolgt vorteilhafterweise im Durchfluss mittels Ultraschall in einem Rohr. Eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Biomasse unter Nutzung einer Pumpe, vorzugsweise einer Schneckenpumpe oder einer Kolbenmembranpumpe, gegen einen in einer Rohrleitung angeordneten Ultraschallsender gefördert wird. Der Ultraschallsender ist vorteilhafterweise in der vorzugsweise senkrecht zum Untergrund verlaufend angeordneten Rohrleitung angeordnet. Der erzielbare Disorganisationsgrad hängt von der Förderung, insbesondere von der Fördergeschwindigkeit und/oder der Förderleistung, der Leistung des Ultraschallsenders und dem Förderdruck ab. Vorteilhafterweise ist die Förderung insbesondere hinsichtlich Fördergeschwindigkeit und/oder Förderleistung der Pumpe, die Leistung des Ultraschallsenders und/oder der Förderdruck steuerbar, vorzugsweise über wenigstens eine Regeleinrichtung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Disorganisation mittels Mikrowellenbestrahlung erfolgt. Im Rahmen der Disorganisation mittels Mikrowellenbestrahlung erhitzt sich die Biomasse vorteilhafterweise. Vorteilhafterweise wird die Biomasse durch einen wenigstens einen Reaktionsraum aufweisenden Mikrowellendurchflussreaktor geführt. Die durch den Mikrowellendurchflussreaktor geführte Biomasse wird dabei vorteilhafterweise erhitzt, vorzugsweise auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen etwa 150 Grad Celsius bis etwa 250 Grad Celsius. Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung beträgt die Heizphase zwischen etwa 3 Minuten bis etwa 20 Minuten. Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen Druck in dem Reaktionsraum des Mikrowellendurchflussreaktors in einem Druckbereich zwischen etwa 15 bar bis etwa 30 bar.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Disorganisation durch Dekompression erfolgt, wobei druckbeaufschlagte Biomasse in einem Behälter mit niedrigerem Druck, vorzugsweise Atmosphärendruck, entspannt. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die durch Dekompression erfolgende Disorganisation nach einer Disorganisation mittels Ultraschall und/oder mittels Mikrowellenbestrahlung erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Dekompression wird die Struktur von entsprechend vordisorganisierten beziehungsweise vorgeschädigten Zellen und/oder komplexen Molekülen in der Biomasse vorteilhafterweise weiter zerlegt, wodurch sich insbesondere die zeitliche Dauer des Umwandlungsprozesses der erfindungsgemäßen hydrothermalen Karbonisierung weiter reduzieren lässt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass einem im wesentlichen als Rohrleitung mit wenigstens einer steuerbaren Einlassöffnung und wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung ausgebildeten Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung Biomasse, Wasser und/oder wenigstens ein Katalysator zugeführt wird, die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter derart gesteuert werden, dass dem Druckbehälter zugeführtes Füllgut aus Biomasse, Wasser und Katalysator durch die Rohrleitung transportiert wird, wobei Biomasse, Wasser und Katalysator miteinander reagieren, und über die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung wenigstens ein Reaktionsprodukt des Füllguts entnommen wird. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird vorteilhafterweise eine kontinuierliche Prozessführung realisiert. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Druckbehälters durch eine Rohrleitung werden quasi unendlich viele hintereinander kaskadiert angeordnete und miteinander verbundende Druckbehälter realisiert. Insgesamt wird so vorteilhafterweise eine kontinuierliche Prozessführung ermöglicht, was insbesondere vor dem Hintergrund eines effektiven und günstigen industriellen Einsatzes der hydrothermalen Karbonisierung zur Stoffgewinnung besonders vorteilhaft ist. Ferner ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der maschinen- und/oder anlagentechnische Aufwand reduziert, insbesondere da Pumpen, Absperrorgane und dergleichen Einrichtungen, die ansonsten bei kaskadiert hintereinander angeordneten und strömungstechnisch miteinander verbundenen Druckbehältern anfallen würden, entfallen, zumindest aber in deutlich geringerem Umfang benötigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt vorteilhafterweise eine kontinuierliche Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator. Die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator zur Füllung des Druckbehälters kann dabei parallel erfolgen, so dass Biomasse, Wasser und/oder Katalysator einzeln zugeführt werden. Dementsprechend sind eine separate Zuführung von Biomasse, eine separate Zuführung von Wasser und/oder eine separate Zuführung von Katalysator vorgesehen. Vorteilhafterweise wird das Mischungsverhältnis der Komponenten Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über ein entsprechendes Steuerungssystem durchgeführt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in wenigstens einem Bereich der den Druckbehälter bildenden Rohrleitung ein Ultraschallsender zur Disorganisation angeordnet.
Vorteilhafterweise werden die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter derart gesteuert, dass dem Druckbehälter zugeführtes Füllgut aus Biomasse, Wasser und Katalysator definiert durch die Rohrleitung transportiert wird. Erfindungsgemäß durchwandert dabei eine Masse-Schicht während des Umwandlungsprozesses den als Rohrleitung ausgebildeten Druckbehälter. Vorteilhafterweise sind dabei zu jedem Zeitpunkt an unterschiedlichen Stellen entlang der Rohrleitung die zum jeweiligen Zeitpunkt des Umwandlungsprozesses entsprechend vorliegenden Zwischenprodukte vorhanden. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht Schleusenkammern vor, die an unterschiedlichen Stellen entlang der Rohrleitung angeordnet sind und im Rahmen des Umwandlungsprozesses eine Entnahme des an der entsprechenden Stelle der Rohrleitung vorliegenden Zwischenprodukts zu ermöglichen, vorteilhafterweise bei beziehungsweise unter Aufrechterhaltung einer erfindungsgemäßen kontinuierlichen Prozessführung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über wenigstens eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete, wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung aufweisende Schleusenkammer, wobei die Schleusenkammer seitens der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung mit wenigstens einem Vorratsspeicher an Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator und seitens der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung mit der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters verbindbar ist. Vorteilhafterweise erfolgt der Transport von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator aus der Schleusenkammer in den Druckbehälter durch Druckbeaufschlagung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Kolben-Presseinrichtung erfolgt, wobei die Kolben-Presseinrichtung eine Kammer mit wenigstens einer Einlassöffnung, wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung und einem in der Kammer bewegbaren Kolben zum Pressen von in der Kammer befindlichem Gut aufweist. Vorteilhafterweise erfolgt der Transport von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator aus der Kammer in den Druckbehälter durch mittels des Kolbens aufgebauter Druckbeaufschlagung.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung erfolgt die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator vorteilhafterweise über eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Excenterschneckenpumpe mit Druckregelung.
Vorteilhafterweise wird der Transport von sich in dem Druckbehälter befindlichem Füllgut unterstützt durch eine vorzugsweise in der Rohrleitung des Druckbehälters angeordnete steuerbare Fördereinrichtung, besonders bevorzugt in Form einer steuerbaren Förderschnecke. Das Fördervolumen der Fördereinrichtung ist voreilhafterweise steuerbar, vorzugsweise über eine Regeleinrichtung. In einer konkreten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Förderschnecke im wesentlichen über die gesamte Länge der Rohrleitung des Druckbehälters und ist im wesentlichen bündig an den Innenquerschnitt der Rohrleitung des Druckbehälters angepasst.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und/oder die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung gesteuert werden, vorzugsweise über wenigstens eine Regeleinrichtung.
Vorteilhafterweise wird der Druckbehälter beheizt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Rohrleitung des Druckbehälters zumindest teilweise in einem mit wenigstens einem Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Öl, füllbaren Behältnis angeordnet und wird die Beheizung des Druckbehälters über die Temperatur des wenigstens einen Wärmeübertragungsmediums in dem Behältnis gesteuert. Durch eine entsprechende erfindungsgemäße Anordnung ist auf einfache Art und Weise sicherstellbar, dass der gesamte Prozessablauf bei einer einheitlichen beziehungsweise vereinheitlichten Temperatur erfolgt. Ferner wird so im Rahmen des Prozessablaufs an den jeweiligen Stellen in der Rohrleitung entstehende Wärmeenergie (Reaktorwärme) unmittelbar abgeführt und so Bereichen zugeführt, an denen der Umwandlungsprozess bereits stattgefunden hat beziehungsweise weiter vorangeschritten ist. Voreilhafterweise wird so insbesondere eine Überhitzung einzelner Prozessabschnitte verhindert.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch Verwendung eines Eindickmittels, vorzugsweise Speisestärke wie Getreide- und/oder Kartoffelstärke, für das Füllgut aus Biomasse, Wasser und wenigstens einem Katalysator. In Abhängigkeit von Art und Ausgestaltung der Biomasse können Teile beziehungsweise Partikel der Biomasse in dem Wasser im Druckbehälter schwimmen und/oder sich im Druckbehälter ablagern. So sinken beispielsweise als Biomasse verwendetes Getreide und/oder getreideähnliche Produkte beziehungsweise deren Bestandteile aufgrund ihres spezifischen Gewichts in dem Druckbehälter ab, was mitunter zu Verstopfungen im Druckbehälter führt. Als Biomasse verwendetes Laub und/oder laubähnliche Produkte beziehungsweise deren Bestandteile schwimmt in dem Druckbehälter auf, was mitunter ebenfalls zu Verstopfungen im Druckbehälter führt. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Eindickmittels sind diese Problematiken des Absinkens und/oder Aufschwimmens von Biomasseteilchen umgehbar und damit beseitigbar. Vorteilhafterweise wird das Eindickmittel in Mengen zugegeben, die bewirken, dass eine im wesentlichen zähflüssige Konsistenz erzielt wird.
Vorteilhafterweise wird das Eindickmittel zunächst dem Wasser und/oder dem Katalysator zugegeben. Anschließend wird dieses zähflüssige Wasser-Katalysatorgemisch der Biomasse zugegeben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts über eine nach der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung des Druckbehälters angeordnete Trenneinrichtung, vorzugsweise durch Filterung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsprodukt vor und/oder nach der Entnahme gepresst wird.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator, die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter, der Transport des Füllguts durch den Druckbehälter und/oder die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts aus dem Druckbehälter über eine Regelung erfolgt. Erfindungsgemäß ist so insbesondere der Bedien- und Personalaufwand im Rahmen der Prozessführung weiter reduzierbar. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vorteilhafterweise eine vollautomatische Prozessführung vor.
Vorteilhafterweise wird die Temperatur im Druckbehälter zumindest über die zeitliche Dauer des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter konstant gehalten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Temperatur im Druckbehälter zumindest über die zeitliche Dauer des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter in einem Bereich zwischen etwa 140,00 Grad Celsius bis etwa 240,00 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen etwa 180,00 Grad Celsius bis etwa 200,00 Grad Celsius gehalten wird.
Zur technischen Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird, vorgeschlagen, welche gekennzeichnet ist durch wenigstens eine Einrichtung zur Disorganisation von Biomasse, welche in strömungstechnischer Verbindung vor und/oder in dem Druckbehälter angeordnet ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Disorganisationseinrichtung wenigstens einen Ultraschallsender, wenigstens einen Mikrowellendurchflussreaktor und/oder wenigstens eine Dekompressionseinrichtung aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Druckbehälter aus wenigstens einer Rohrleitung mit wenigstens einer steuerbaren Einlassöffnung und wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung ausgebildet. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung zwischen der wenigstens einen Einlassöffnung und der wenigstens einen Auslassöffnung wenigstens eine Biegung aufweist, vorzugsweise wenigstens eine im wesentlichen U-förmige Biegung.
Vorteilhafterweise ist die wenigstens eine Rohrleitung des Druckbehälters zumindest teilweise in einem mit wenigstens einem Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Öl, füllbaren Behältnis angeordnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine steuerbare Heizeinrichtung zur Regelung der Temperatur in dem Druckbehälter.
Vorteilhafterweise ist die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums in dem Behältnis über die Heizeinrichtung steuerbar.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhafterweise gekennzeichnet durch wenigstens eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Schleusenkammer zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters, aufweisend wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung. Die Schleusenkammer ist vorteilhafterweise seitens der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung mit wenigstens einem Vorratsspeicher an Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator und seitens der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung mit der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters verbindbar. Eine konkrete Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters die steuerbare Auslassöffnung der Schleusenkammer bildet. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine Pumpe zur steuerbaren und/oder regelbaren Druckbeaufschlagung der Schleusenkammer.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Kolben-Presseinrichtung zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters, aufweisend eine Kammer mit wenigstens einer Einlassöffnung, wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung und einem in der Kammer bewegbaren Kolben zum Pressen von in der Kammer befindlichem Gut.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Excenterschneckenpumpe mit Druckregelung zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine vorzugsweise in der Rohrleitung des Druckbehälters angeordnete steuerbare Fördereinrichtung, vorzugsweise in Form einer steuerbaren Förderschnecke, zur Unterstützung des Transports von sich in dem Druckbehälter befindlichem Füllgut. Vorteilhafterweise ist das Fördervolumen der Fördereinrichtung steuerbar, vorzugsweise über eine Regeleinrichtung. Ein weiterer Vorschlag der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Förderschnecke im wesentlichen über die gesamte Länge der Rohrleitung des Druckbehälters erstreckt und im wesentlichen bündig an den Innenquerschnitt der Rohrleitung des Druckbehälters angepasst ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine vorzugsweise steuerbare Einrichtung zum Beheizen des Druckbehälters.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine Regeleinrichtung zur zumindest teilautomatischen Steuerung der Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und/oder die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine nach der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung des Druckbehälters angeordnete Trenneinrichtung, vorzugsweise Filtereinrichtung, über welche die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch wenigstens eine Regeleinrichtung zur zumindest teilautomatischen Steuerung der Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator, der Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter, des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter und/oder der Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts aus dem Druckbehälter.
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgebildet und/oder eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zumindest teilweise auszuführen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem diskontinuierlichen Betrieb gemäß dem Stand der Technik;
2a in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb;
2b in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb;
3 in einer geschnittenen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Druckbehälter zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach 2a;
4 in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Druckbehälter zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach 2b;
5a–5c in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Befüllung des Druckbehälters einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb über eine Schleusenkammer;
6 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Befüllung des Druckbehälters einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb über eine Excenterschneckenpumpe;
7 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel für eine einen Teil einer erfindungsgemäßen Regelung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb;
8 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb mit einer Befüllung über eine Kolben-Presseinrichtung;
9 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb mit einer Befüllung über eine Kolben-Presseinrichtung;
10 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach 8;
11 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach 8;
12 in einer schematischen Querschnittsansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Druckbehälter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb;
13 in einer schematischen Seitenansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Druckbehälter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse;
14a in einer schematischen Seitenansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Druckbehälter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse;
14b eine Ansicht der Stirnseite des Bodens des Druckbehälters nach 14a;
15 in einer schematischen Seitenansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Druckbehälter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse;
16a in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel für einen Sonderflansch eines erfindungsgemäßen Druckbehälter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse;
16b eine Ansicht der Stirnseite des Sonderflansches Druckbehälters nach 16a;
17 in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse;
18a in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Fördereinrichtung in einem erfindungsgemäßen Druckbehälter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse;
18b eine Ansicht einer Stirnseite der Fördereinrichtung nach 18a;
19a in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse;
19b in einer schematischen Seitenansicht den Außenbehälter der Vorrichtung nach 19a;
19c einer schematischen Stirnseitenansicht des Außenbehälters nach 19b und
19d in einer schematischen Seitenansicht den Druckbehälter der Vorrichtung nach 19a.
1 zeigt eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem diskontinuierlichen Betrieb gemäß dem Stand der Technik. Dabei wird ein aus Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator bestehendes Füllgut 1 in einen ersten Druckbehälter 2 (Startbehälter) gefüllt und der Druckbehälter 2 dann druckdicht verschlossen. Anschließend wird unter Temperatur- und Druckerhöhung in dem Druckbehälter 2 die Umwandlung beziehungsweise Umsetzung der Biomasse durchgeführt. Dabei wird der Druckbehälter auf einer Temperatur von etwa 180 Grad Celsius bis etwa 200 Grad Celsius gehalten. Die zeitliche Dauer dieses exotherm ablaufenden Umwandlungsprozesses beträgt vorliegend etwa zwölf Stunden. Anschließend wird der Druckbehälter 2 geöffnet und das Umwandlungsprodukt dem Druckbehälter 2 entnommen. Die Entnahme erfolgt vorliegend über ein Absperrorgan 3 in einen Druckbehälter 4 (Folgebehälter 1). An den Druckbehälter 4 schließen sich entsprechend kaskadiert über Absperrorgane 5 beziehungsweise 7 weitere Druckbehälter 6 beziehungsweise 8 (Folgebehälter 2 bis Folgebehälter n) an. Dem sich am Ende der Kaskade befindenden Druckbehälter 8 wird das Reaktionsprodukt 10, vorliegend insbesondere in Form von Kohleschlamm, schließlich über ein Absperrorgan 9 entnommen. Das entnommene Reaktionsprodukt wird dabei vorliegend zur Nutzung der Reaktionswärme über ein eine Pumpe 11 aufweisendes Heizrohrleitungssystem dem ersten Druckbehälter 2 (Startbehälter) zugeführt. Insgesamt sind der maschinen- und/oder anlagentechnische Aufwand als auch der Bedien- und Personalaufwand bei einer solchen diskontinuierlichen Prozessführung erheblich, insbesondere angesichts der zahlreichen Druckbehälter, Absperrorgane und/oder Pumpen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten und Reihenfolgen geöffnet beziehungsweise verschlossen werden müssen, wobei auch noch die jeweiligen Temperatur- und/oder Druckverhältnisse berücksichtigt und eingestellt werden müssen.
2a und 2b zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb. Dabei wird ein aus Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator bestehendes Füllgut 12 in einem aus einer Rohrleitung mit wenigstens einer steuerbaren Einlassöffnung und wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung ausgebildeten Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe 16 wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt. Seitens der steuerbaren Einlassöffnung ist vorliegend ein steuerbares Absperrorgan 14 angeordnet. Seitens der steuerbaren Auslassöffnung ist vorliegend ein steuerbares Absperrorgan 15 angeordnet. Bei dem in 2a dargestellten Ausführungsbeispiel ist die den Druckbehälter 13 bildende Rohleitung gerade ausgebildet. Bei dem in 2b dargestellten Ausführungsbeispiel weist die den Druckbehälter 13' bildende Rohleitung zwischen dem Absperrorgan 14 der Einlassöffnung und dem Absperrorgan 15 der Auslassöffnung vorliegend zwei im wesentlichen U-förmige Biegungen auf.
Im Betrieb wird der den Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' bildenden Rohrleitung über das steuerbare Absperrorgan 14 der Einlassöffnung des Druckbehälters 13 das aus Biomasse, Wasser und/oder wenigstens ein Katalysator bestehende Füllgut 12 zugeführt und anschließend der Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' druckdicht verschlossen. Dann werden die Temperatur und der Druck in dem Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' erhöht. Die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' werden dabei derart gesteuert, dass dem Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' zugeführtes Füllgut 12 selbstständig und vorzugsweise definiert durch die Rohrleitung transportiert wird. Dabei reagieren Biomasse, Wasser und Katalysator des Füllguts in der Rohrleitung miteinander. Erfindungsgemäß durchwandert dabei eine Masse-Schicht während des Umwandlungsprozesses den als Rohrleitung ausgebildeten Druckbehälter. Die Länge der Rohrleitung bestimmt in Verbindung mit der Füllmenge – und damit mit der Größe beziehungsweise dem Durchmesser der Rohrleitung – maßgeblich die zeitliche Dauer der Prozessführung. Über das steuerbare Absperrorgan 15 der Auslassöffnung des Druckbehälters 13 beziehungsweise 13' wird das Reaktionsprodukt 16, vorliegend insbesondere in Form von Kohleschlamm und/oder Öl-ähnlichen Produkten, schließlich zur weiteren Verarbeitung und/oder Nutzung durch öffnen des Absperrorgans 15 entnommen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung erlaubt dabei vorteilhafterweise einen kontinuierlichen Betrieb, wobei über die steuerbare Einlassöffnung dem Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' kontinuierlich, das heißt vorliegend mitunter auch in Intervallen, Füllgut 12 zugeführt wird und über die die steuerbare Auslassöffnung des Druckbehälter 13 beziehungsweise 13' kontinuierlich, das heißt vorliegend mitunter auch in Intervallen, das Reaktionsprodukt 16 entnommen wird.
Der in 3 in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellte erfindungsgemäße Druckbehälter 17 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach 2a ist aus zwei geraden, unterschiedliche Durchmesser aufweisenden und im wesentlichen koaxial zueinander angeordnet verlaufenden Rohrleitungen 18 und 19 ausgebildet, einem Innenrohr 18 und einem Außenrohr 19. An den freien Enden der das innere Rohr (Innenrohr 18) bildenden Rohrleitung 18 sind Flansche 20 und 21 angeschweißt. Die Flansche 20 und 21 dienen zur Aufnahmen beziehungsweise zum Anschluss von steuerbaren Absperrorganen für die Einlassöffnung beziehungsweise die Auslassöffnung des Druckbehälters 17. Im Bereich des in 3 rechts gelegenen Endes der Rohrleitung 18 ist diese über einen Kompensator 22 mit dem Flansch 21 verschweißt. In dem Raum zwischen der inneren Rohrleitung 18 und der äußeren Rohrleitung 19 sind vorliegend über die Länge der Rohrleitungen 18 beziehungsweise 19 verteilt und beabstandet voneinander ringscheibenförmig ausgebildete Stabilisierungsrippen 23 angeordnet. Die Stabilisierungsrippen 23 verhindern insbesondere Beschädigungen und/oder Verbiegungen der äußeren Rohrleitung 19, welche aufgrund des Gewichts des Druckbehälters 17, insbesondere im gefüllten Zustand und im Betrieb, durch die Stützbeziehungsweise Aufstelllager 24 des Druckbehälter 17 verursacht werden könnten.
Der Raum zwischen der inneren Rohrleitung 18 und der äußeren Rohrleitung 19 ist vorliegend vorzugsweise drucklos, das heißt ohne Druckbeaufschlagung mit einem Wärmeübertragungsmedium (in 3 nicht dargestellt), vorzugsweise einem Bio-/Thermoöl, gefüllt, welches zur Beheizung des Druckbehälters 17, insbesondere der inneren Rohrleitung 18, dient. Vorteilhafterweise wird die Beheizung des Druckbehälters 17 dabei über die Temperatur des Öls gesteuert. Durch diese Anordnung ist auf einfache Art und Weise sichergestellt, dass der gesamte Prozessablauf bei einer einheitlichen beziehungsweise vereinheitlichten Temperatur erfolgt. Ferner wird so im Rahmen des Prozessablaufs an den jeweiligen Stellen in der Rohrleitung 18 entstehende Wärmeenergie (Reaktorwärme) unmittelbar abgeführt und so Bereichen zugeführt, an denen der Umwandlungsprozess bereits stattgefunden hat beziehungsweise weiter vorangeschritten ist. Eine Überhitzung einzelner Prozessabschnitte wird dabei verhindert. Zur weiteren Verbesserung der Beheizung ist auf der äußeren Rohrleitung 19 des Druckbehälters 17 eine Wärmedämmung 25 angeordnet beziehungsweise aufgebracht.
Bei dem in 4 dargestellten erfindungsgemäßen Druckbehälter 26 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach 2b ist eine an ihren freien Enden mit Flanschen 27 und 28 versehene gebogene Rohrleitung 29 durch einen geschlossenen Behälter 30 geführt, welcher zur Beheizung der Rohrleitung 29 vorzugsweise drucklos mit einem Wärmeübertragungsmedium 31, vorliegend einem Bio-/Thermoöl, gefüllt ist.
Bei dem in den 5a bis 5c dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Befüllung des Druckbehälters mit dem aus Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über wenigstens eine Schleusenkammer 32 mit einer steuerbaren Einlassöffnung und einer steuerbare Auslassöffnung, welche vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnet ist. Die Steuerbarkeit der Einlassöffnung der Schleusenkammer 32 wird vorliegend mit einem Schieber 33 realisiert, welcher über ein Stellorgan beziehungsweise einen Antrieb 34 steuerbar ist. Die Steuerbarkeit der Auslassöffnung der Schleusenkammer 32 wird vorliegend mit einem Schieber 35 realisiert, welcher über ein Stellorgan beziehungsweise einen Antrieb 36 steuerbar ist. Die Schleusenkammer 32 ist mittels des steuerbaren Schiebers 33 gegenüber einem Nachfülllager 37 für Biomasse, Wasser und/oder Katalysator und mittels des steuerbaren Schiebers 35 gegenüber dem Druckbehälter abdichtbar.
Im kontinuierlichen Betrieb wird das aus Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator bestehende Füllgut 38 vor der Einlassöffnung der Schleusenkammer 32 gelagert, vorliegend in dem Nachfülllager 37. Mit Öffnen der Einlassöffnung der Schleusenkammer 32 durch den steuerbaren Schieber 33 gelangt – wie in 5a dargestellt – Füllgut 38 in die Schleusenkammer 32, vorliegend durch Fallen. Die im wesentlichen vollständig mit Füllgut 38' gefüllte Schleusenkammer 32 wird dann durch Verstellung des steuerbaren Schiebers 33 der Einlassöffnung der Schleusenkammer 32 geschlossen (vgl. 5b) und anschließend wird der Druck in der Schleusenkammer 32 auf den Druck in dem Druckbehälter angeglichen. In 5b ist diese Druckangleichung symbolisch durch eine Druckausgleichleitung 39 zwischen der geschlossenen Schleusenkammer 32 und dem sich nach dem Schieber 35 der Schleusenkammer 32 anschließenden Abschnitt, welcher mit der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters verbundenen ist, dargestellt. Die Druckangleichung erfolgt vorliegend mit einer Pumpe mittels Druckluft oder Wasser. Nach Erreichen des Solldrucks, vorliegend des Angleichdrucks, in der Schleusenkammer 32 wird die Auslassöffnung der Schleusenkammer 32 durch Verstellung des steuerbaren Schiebers 35 geöffnet (vgl. 5c). Anschließend wird der Druck in der Schleusenkammer 32 erhöht, in 5c symbolisch durch den mit 40 gekennzeichneten Pfeil dargestellt. Durch die Druckerhöhung wird das sich in der Schleusenkammer 32 befindende Füllgut 38' in den Druckbehälter gedrückt – wie in 5c dargestellt – und der Druckbehälter gefüllt. Nach Leerung der Schleusenkammer 32 wird diese durch Verstellung des steuerbaren Schiebers 35 der Auslassöffnung der Schleusenkammer 32 wieder geschlossen. Anschließen wiederholt sich der Vorgang beginnend mit 5a.
Bei dem in den 6 dargestellten Ausführungsbeispiel wird dem Druckbehälter 29 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 26 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb das aus Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator bestehende Füllgut 38 kontinuierlich über wenigstens eine Excenterschneckenpumpe 41 mit integrierter Druckregelung 42 zugeführt, welche vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters 29 angeordnet ist.
Bedingt durch die im Zusammenhang der Zuführung von Füllgut in den Druckbehälter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb nach den 5a bis 5c mittels einer Schleusenkammer 32 beziehungsweise nach 6 mittels einer Excenterschneckenpumpe 41 Teil einer erfindungsgemäßen Regelung einer erfindungsgemäßen erhöht sich der Druck in dem Druckbehälter. Zur Regelung der für den Umwandlungsprozess einzuhaltenden Druckverhältnisse wird, wie in 7 dargestellt, eine solche Innendruckerhöhung in einem erfindungsgemäßen Druckbehälter 43 auf einen Regelkreis 44 geführt, welcher ein die steuerbare Auslassöffnung des Druckbehälters 43 bildendes Regelorgan 45 öffnet beziehungsweise schließt. Bedingt durch den Prozessablauf in dem Druckbehälter 43 ist vorliegend über den Druck im Inneren des Druckbehälters 43 an dem Regelorgan 45 Kohle 46 in feinverteilter, kugelförmiger Form in Wasser gelöst entnehmbar.
Die im Wasser gelösten feinstverteilten, kugelförmigen Kohlepartikel werden vorteilhafterweis durch Ausfilterung entnommen, vorzugsweise über Filtriereinrichtungen, Dekantern und/oder Zentrifugen. Die nasse Kohlemasse wird dann in Kohlepellets mit einem Durchmesser von etwa 6 nm bis etwa 60 nm oder zu Briketts gepresst. Die Kohlepellets werden vorteilhafterweise insbesondere aufgrund ihrer hohen Reinheit als Basisprodukt für die chemische Industrie, als Dünger oder als unmittelbar für Verbrennungsprozesse einsetzbarer beziehungsweise nutzbarer Stoff eingesetzt.
Anstelle von in Wasser gelösten feinstverteilten, kugelförmigen Kohlepartikeln entstehen bei bestimmten Druck- und/oder Temperaturverhältnissen unter Berücksichtigung der Konzentration des Katalysators und/oder der Prozessbeziehungsweise Durchlaufzeit vorteilhafterweise Öl-beziehungsweise Öl-ähnliche Produkte.
Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 47 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb erfolgt die Zuführung von aus Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator bestehendem Füllgut 48 in den Druckbehälter 49 der Vorrichtung 47 über eine Kolben-Presseinrichtung 50. Die Kolben-Presseinrichtung 50 weist eine Kammer 51 mit einer Einlassöffnung 52, einer steuerbaren Auslassöffnung 53 und einem in der Kammer 51 bewegbaren Kolben 54 zum Pressen von in der Kammer 51 befindlichem Gut auf. Die Steuerbarkeit der Auslassöffnung 53 der Kolbenkammer 51 wird vorliegend mit einem Schieber 55 realisiert, welcher über ein Stellorgan beziehungsweise einen Antrieb 56 steuerbar ist. Vorliegend wird die steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters 49 von der steuerbaren Auslassöffnung 53 der Kolbenkammer 51 gebildet.
Im Rahmen der Zuführung von Füllgut 48 in den Druckbehälter 49 wird zunächst Füllgut 48 bei geschlossener Auslassöffnung 53 und zurückgezogenem Kolben 54 in die Kolbenkammer 51 eingeleitet. Daraufhin wird das sich in der Kolbenkammer 51 befindliche Füllgut 48 mittels des Kolbens 54 auf einen definierten Druck vorgepresst. Bei Erreichen des definierten Drucks öffnet der Schieber 55 von der der Kolbenkammer 51 zu dem Druckbehälter 49 und der Kolben 51 presst das verdichtete Füllgut 48 in den Druckbehälter 49. Anschließend schließt der Schieber 55 die Einlassöffnung des Druckbehälters 49 der Vorrichtung 47 und damit die Auslassöffnung 53 der Kammer 51 der Kolben-Presseinrichtung 50.
Mit Einpressen des vorgepressten Füllguts in den Druckbehälter 49 erhöht sich vorliegend simultan der Druck im Inneren des Druckbehälters 49. Vorliegend wird diese Druckerhöhung dazu genutzt, eine Kammer 57 zur Entnahme (Auslasskammer/Schleusenkammer) von Reaktionsprodukten des im Druckbehälter 49 erfindungsgemäß umgewandelten Füllguts mit Reaktionsprodukten des Füllguts zu füllen.
Die Kammer 57 weist vorliegend eine steuerbare Einlassöffnung 58 und eine steuerbare Auslassöffnung 59 auf. Vorliegend wird dabei die steuerbare Auslassöffnung des Druckbehälters 49 von der steuerbaren Einlassöffnung 58 der Kammer 57 gebildet. Die Steuerbarkeit der Einlassöffnung 58 der Schleusenkammer 57 wird vorliegend mit einem Schieber 60 realisiert, welcher über ein Stellorgan beziehungsweise einen Antrieb 61 steuerbar ist. Die Steuerbarkeit der Auslassöffnung 59 der Kammer 57 wird vorliegend mit einem Schieber 62 realisiert, welcher über ein Stellorgan beziehungsweise einen Antrieb 63 steuerbar ist.
Zur Befüllung der Kammer 57 öffnet der Schieber 60 die Kammer 57. Sich vor dem Schieber 60 befindliches Reaktionsprodukt des Füllguts, vorliegend ein Wasser-Kohlegemisch, wird dann aus dem Druckbehälter 49 in die geöffnete Kammer 57 gepresst. Mit Beendigung dieses Einpressvorganges schließt auch der Schieber 60 die Einlassöffnung 58 der Schleusenkammer 57 druckdicht gegenüber dem Druckbehälter 49 ab. Das sich in der Schleusenkammer 57 befindende Reaktionsprodukt kann dann über den Schieber 62 der Schleusenkammer 57 entnommen werden, bei Bedarf mitunter unter Nutzung eines steuerbaren Druckausgleichbehälters 64. In 8 ist die Entnahme symbolisch durch den mit dem Bezugszeichen 65 gekennzeichneten Pfeil dargestellt.
Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Druckbehälter 49 durch gerade Rohrleitung 49 ausgebildet, welche durch einen weiteren, vorliegend ebenfalls als gerade Rohleitung ausgebildeten Behälter 66 geführt. Der Raum zwischen der Rohrleitung 49 des Druckbehälters 49 und der Rohrleitung 66 des Behälters ist vorliegend mit einem Bio-/Thermoöl als Wärmeübertragungsmedium, gefüllt, welches zur Beheizung des Druckbehälters 49 vorteilhafterweise unter Druck in einem Kreislauf geführt und bei Bedarf erwärmt beziehungsweise erhitzt wird.
Das in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 47 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb durch die Ausgestaltung des Druckbehälters 49' und dem Behälter 66' durch den der Druckbehälter durchgeführt ist. Der Druckbehälter 49' der Vorrichtung 47 gemäß 9 ist dabei durch eine gebogene Rohrleitung 49' ausgebildet. Die Anordnung der Biegungen der Rohrleitung 49' ist dabei vorteilhafterweise so ausgestaltet, dass die leichtere Biomasse/Kohle immer entgegen dem Auftrieb durch die Rohrleitung 49' transportiert wird. Mitunter sind dazu in der Rohleitung 49' Blenden als Rückfluss- und/oder Auftriebssperren 68 angeordnet (in 9 symbolisch dargestellt).
Das in 10 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 47 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb entspricht im Aufbau und der Funktionsweise im wesentlichen dem in 8 dargestellten und vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel. Der Transport der Biomasse durch den Druckbehälter 49 hängt unter anderem auch von der Konsistenz und/oder der Zusammensetzung der in den Druckbehälter 49 einzufüllenden Biomasse ab. Um die Vorrichtung 47 weitestgehend unabhängig von der Konsistenz und/oder der Zusammensetzung der in den Druckbehälter 49 einzufüllenden Biomasse betreiben zu können ist in der den Druckbehälter ausbildenden Rohrleitung 49 eine Fördereinrichtung 69, vorliegend eine eine Schneckenwendel 69 aufweisende Förderschnecke mit einem externen Langsamläufer-Motor als Antrieb integriert. Das Füllgut aus Biomasse, Wasser und Katalysator wird durch Drehung der Schneckenwendel im Druckbehälter zur Auslassöffnung 58 des Druckbehälters 49 transportiert. Die Drehgeschwindigkeit der Förderschnecke ist steuerbar und darüber auch der Prozessverlauf der erfindungsgemäßen Umwandlung. Die Schneckenwendel ist vorliegend im wesentlichen bündig an den Innenquerschnitt der Rohrleitung 49 des Druckbehälters 49 angepasst.
Das in 11 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 47 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb entspricht im Aufbau und der Funktionsweise im wesentlichen dem in 8 dargestellten und vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel und unterscheidet sich von dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel durch die eingesetzte Fördereinrichtung 69' zur Unterstützung des Transports der Biomasse durch den Druckbehälter 49. Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fördereinrichtung 69' durch eine steuerbare Pumpe ausgebildet, welche den Druckgradienten zwischen Einlassöffnung und Auslassöffnung des Druckbehälters geregelt steuert, insbesondere unter Berücksichtigung der für den Umwandlungsprozess einzuhaltenden Druckverhältnisse.
Bei dem in 12 in einer schematischen Seitenansicht dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckbehälters einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse in einem kontinuierlichen Betrieb ist die den Druckbehälter bildende Rohrleitung als ein in einem Großrohr 70 angeordnetes Rohrpaket aus vorliegend insgesamt sieben einzelnen Rohren 71 angeordnet beziehungsweise eingelassen. Das Großrohr 70 dient dabei gleichzeitig als Behälter für das Wärmeübertragungsmedium. Durch diesen konstruktiven Aufbau kann die erfindungsgenmäße Vorrichtung vorteilhafterweise transportabel ausgeführt werden.
13 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen weiteren Druckbehälter 73 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, vorliegend insbesondere mit erfindungsgemäßer Disorganisation der Biomasse. Der Druckbehälter 73 ist im wesentlichen aus einem Reaktorrohr welches an dem in 13 links gelegenen Ende mit einem einen Klöpperboden 77 geschlossen und an dem rechts gelegenen Ende mit einem Anschlussflansch 74 versehen ist. Das Reaktorrohr des Druckbehälters 73 ist vorliegend ein spiralgeschweißtes Rohr DN600 mit einer Länge L von etwa 6,00 m und einem Durchmesser D von etwa 0,60 m. Über die Länge des Druckbehälters 73 verteilt und beabstandet voneinander sind Anschlussstutzen 75 mit einem Durchmesser von etwa 1,25 Zoll, insbesondere zur Zuführung von Stoffen beziehungsweise Entnahme von Zwischenproduktstoffen vorgesehen.
In dem Druckbehälter 73 erfolgt der erfindungsgemäße hydrothermale Karbonisierungsprozess vorteilhafterweise mit Disorganisation der Biomasse bei einer Betriebstemperatur von etwa 250 Grad Celsius, einem Betriebsdruck von etwa 25 bar und mit einem pH Wert von 4,5. Der maximale Betriebsdruck des Druckbehälters 73 wird vorliegend durch eine Berstscheibe 76 im Bereich des Anschlussflansches 74 begrenzt, vorliegend auf etwa 28 bar.
Bei dem in 14a und 14b dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse ist der Druckbehälter 78 im wesentlichen von einer Rohrleitung gebildete. Der Druckbehälter 78 weist einen Anschluss 79 mit einem Flansch 80 auf. Über seine Länge verteilt und beabstandet voneinander weist der Druckbehälter 78 Anschlussstutzen 81 mit einem Durchmesser von etwa 1,25 Zoll und weiter weist der Druckbehälter 78 im Bereich des in 14a links gelegenen Endes seines Bodens Anschlussmuffen 82 mit einem Durchmesser von etwa 0,75 Zoll auf. Die Anschlussstutzen 81 und Anschlussmuffen 82 dienen vorliegend insbesondere einer Zuführung von Stoffen beziehungsweise einer Entnahme von Zwischenproduktstoffen. Wie weiter in 14a dargestellt, weist der Behälter 80 eine innenliegende Lagerschale 83 für eine Rührwerkswelle auf, welche insbesondere im Zusammenhang mit einer entsprechenden Disorganisationseinrichtung einer erfindungsgemäßen Disorganisation der Biomasse dient.
Das in 15 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse entspricht im wesentlichen dem in 14a und 14b dargestellten Ausführungsbeispiel, wobei vorliegend jedoch der Druckbehälter 78' von einer Rohrleitung mit einem Doppelmantel zur Beheizung, insbesondere mit Thermoöl, ausgebildet ist. An dem in 15 rechts gelegenen Ende ist der Druckbehälter 78' über einen Sonderflansch 84 entweder mittels eines Blindflansch verschließbar, so das ein Druckbehälter für eine batchorientierte hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse gegeben ist, oder aber mit einem Anschlussflansch als Durchgangsrohrleitung einrichtbar und nutzbar.
16a und 16b zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Ausgestaltung eines Blindflansches für einen Sonderflansch 84 eines erfindungsgemäßen Druckbehälters gemäß dem Druckbehälter 78' nach 15. Der Sonderflansch 84 weist dabei auf der der Rohrleitung des Druckbehälters 78' zugewandten, in 16a links gelegenen Seite einen Gitterkorb 85 auf, der vorteilhafterweise über den Korb einer in der Rohrleitung angeordneten Förderschneckeneinrichtung greift, welche auf der gegenüberliegenden Seite in der Lagerschale 83 drehbar gelagert ist. Der Gitterkorb 85 weist vorliegend eine Maschenweite von maximal 5 mm auf. Auf der dem Gitterkorb 85 gegenüberliegenden Seite des Sonderflansches 84 sind vorliegend drei mit Blindflanschen 86, 87 und 88 verschlossene Anschlussstutzen vorgesehen. Weiter weist der Sonderflansch 84 vorliegend vier Anschlussmuffen 89 mit einem Durchmesser von etwa 0,75 Zoll auf.
17 zeigt in einer schematischen Prinzipdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 90 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse. Dabei sind vorliegend vier einzelne, den Druckbehälter bildende Rohrleitungen 91 in einem Containerbehälter 92 angeordnet. Die Rohrleitungen weisen dabei vorliegend Anschluss beziehungsweise Blindflansche 93 auf, je nach Bedarf und Ausgestaltung der Prozessführung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so vorteilhafterweise modulartig aufbaubar. Unterstützt wird diese Modularität bei Verwendung eines separaten Wärmeerzeugermoduls 94, welche zum Beheizen des Druckbehälters insbesondere auch mit Abwärme, genutzt wird.
18a und 18b zeigen ein Ausführungsbeispiel für eine an der Wandung der Rohrleitung eines erfindungsgemäßen Druckbehälters anliegende Schneckenwendel 95 als Fördereinrichtung, welche vorliegend auf einer Hohlwelle 96 angeordnet ist, welche in dem Druckbehälter drehbar auf beziehungsweise in einer Lagerschale 83 angeordnet ist.
In den 19a bis 19d ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 97 zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse dargestellt. Die Vorrichtung 97 weist einen aus einer gebogenen Rohleitung mit mehreren Windungen gebildeten Druckbehälter 98 mit einem steuerbaren Einlass 99 und einem steuerbaren Auslass 100 auf. Der Druckbehälter 98 ist mit seinen Windungen durch einen Außenbehälter 101 geführt, welcher mit einem Wärmeübertragungsmedium, vorliegend einem Thermoöl, gefüllt ist. Das Thermoöl wird dabei in einem Kreislauf durch den Behälter 101 geführt, wozu dieser eine steuerbare Einlassöffnung 102 und eine steuerbare Auslassöffnung 103 aufweist. Der Behälter 101 der Vorrichtung 97 ist dabei vorliegend als Doppelwandzylinder ausgebildet, in den der Druckbehälter eingesetzt beziehungsweise eingelassen ist (vgl. insbesondere 19b und 19c). Die Vorrichtung ist aufgrund ihrer Ausgestaltung insgesamt sehr kompakt und damit auch transportabel ausbildbar. Vorliegend weist der Behälter 101 einen Außendurchmesser von etwa 0,90 m, einen Innendurchmesser von etwa 0,80 m und eine Höhe von etwa 2,00 m auf.
Vorteilhafterweise ermöglichen die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung einzeln und/oder in Kombination miteinander eine kontinuierliche hydrothermale Karbonisierung von Biomasse mit einer kontinuierlichen und/oder batchorientierten Aufspaltung von Zellulose in Zuckermoleküle mittels eines als Reaktor dienenden Druckbehälters zur Erzeugung von Kohle, Öl und/oder Polymeren aus Biomasse.
Besonders bevorzugt erfolgt vor und/oder während des im Druckbehälter ablaufenden Umwandlungsprozesses eine Disorganisation der pflanzlichen Strukturen.
In einer ersten Ausführungsvariante erfolgt die Disorganisation mittels Ultraschall in einem Rohr. Dabei wird die Biomasse aus einem Vorratsbehälter mit Hilfe einer Schnecken- oder Kolbenmembranpumpe in ein senkrecht stehendes Rohr gefördert. In diesem Rohr befindet sich ein Ultraschallsender, gegen den die Biomasse gefördert wird. Der Disorganisationsgrad hängt von der Fördergeschwindigkeit, der Leistung des Ultraschallsenders und des Förderdruckes ab. Das disorganisierte Material umströmt den Ultraschallerreger und wird durch den Förderdruck des nachfolgenden Materials weiter transportiert. Bei diesem Schritt erfolgt eine erste Erwärmung der Biomasse.
Das dementsprechend vor-beziehungsweise aufbereitete Material wird durch ein Rohr einem Mikrowellendurchflussreaktor zugeführt, der das Material im Durchfluss auf etwa 150 Grad Celsius bis etwa 180 Grad Celsius erhitzt. Die Heizphase dauert etwa drei Minuten bis etwa zehn Minuten. Die Materialförderung erfolgt durch den Pumpendruck der oben zur Vordisorganisation mittels Ultraschall genutzten Schnecken- oder Kolbenmembranpumpe sowie einer Hochdruckpumpe vor dem Mikrowellendurchflussreaktor. Der Mikrowellendurchflussreaktor besteht vorliegend aus einem nicht polaren Material und befindet sich in einem durch Mikrowellen bestrahltem Raum. Die Erhitzung kann alternativ und/oder ergänzend auch durch eine Mikrowelleneinleitung über Hohlleiter in ein metallisches Rohr erfolgen. Das so entsprechend erhitzte Material wird über ein Proportionalventil, welches den Druck innerhalb des Reaktionsraumes steuert, in einen Entspannungsbehälter geführt. Der Druck innerhalb des Reaktionsraumes kann zusätzlich durch Pumpendruck oder Gasdruck über die der Temperatur entsprechenden Dampfdruckkurvenwerte eingestellt und/oder gesteuert werden.
Das so mittels Mikrowellenbestrahlung weiter disorganisierte, vorbereitete Material entspannt dann in einem Behälter unter Atmosphärendruck. Durch diese Entspannung werden die vorgeschädigten Zellstrukturen und komplexen Moleküle wie die der Zellulose weiter zerlegt.
Die erfolgenden Disorganisationen der Biomasse bewirken einzeln und/oder in Kombination miteinander vorteilhafterweise eine Beschleunigung des Umwandlungsprozesses der hydrothermalen Karbonisierung.
Weiter wird das Material in einem Mikrowellenreaktor mit einem als Wendel geformten Reaktionsraum (vgl. 19d) auf eine Temperatur zwischen etwa 180 Grad Celsius und etwa 250 Grad Celsius aufgeheizt. Die Reaktion (Umwandlungsprozess) erfolgt im Durchfluss und über einen Zeitraum von etwa drei Minuten bis etwa 20 Minuten. Dabei wird den Zuckermolekülen das Wasser entzogen. Die Reaktion findet bei Drücken von etwa 15 bar bis etwa 30 bar statt. Hierbei können dem Reaktionsgemisch weitere Reaktionspartner und Katalysatoren zugeführt werden. Die Zuführung von Wasserstoff H und Kohlenmonoxid CO führt zur Bildung komplexer organischer Strukturen, wie Polymeren. Die auf diesem Weg entstehende Suspension und Lösung von Monomeren und/oder Polymeren in Wasser wird zur Bildung neuer Organisationsstrukturen/Molekülstrukturen in ein ebenfalls beheiztes Rohr weitergeleitet. Die Reaktionsdauer beträgt je nach gewünschtem Endprodukt bis zu vier Stunden. Der Einsatz von Ultraschallwellen während der Reaktion unter Mirowellenbestrahlung in den ersten 20 Minuten führt zur Herstellung von reinem Kohlenstoff.
Die in den Figuren der Zeichnung dargestellten und im Zusammenhang mit diesen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend.

1: Füllgut (Biomasse, Wasser und/oder Katalysator)
2: Druckbehälter (Startbehälter)
3: Absperrorgan
4: Druckbehälter (Folgebehälter 1)
5: Absperrorgan
6: Druckbehälter (Folgebehälter 2)
7: Absperrorgan
8: Druckbehälter (Folgebehälter n)
9: Absperrorgan
10: Reaktionsprodukt (Kohleschlamm)
11: Pumpe
12: Füllgut (Biomasse, Wasser und/oder Katalysator)
13: Druckbehälter/Rohrleitung (gerade)
13': Druckbehälter/Rohrleitung (gebogen)
14: Absperrorgan (Einlassöffnung)
15: Absperrorgan (Auslassöffnung)
16: Reaktionsprodukt (Kohleschlamm)
17: Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse
18: Druckbehälter/Rohrleitung (inneres Rohr)
19: Behälter/Rohrleileitung (äußeres Rohr)
20: Flansch
21: Flansch
22: Kompensator
23: Stabilisierung/Stabilisierungsrippe
24: Stütz-/Aufstelllager
25: Wärmedämmung
26: Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse
27: Flansch
28: Flansch
29: Druckbehälter/Rohrleitung
30: Behälter
31: Wärmeübertragungsmedium/Bio-/Thermoöl
32: Schleusenkammer
33: Schieber
34: Stellorgan/Antrieb (Schieber (33))
35: Schieber
36: Stellorgan/Antrieb (Schieber (35))
37: Nachfülllager/Trichter
38: Füllgut (Biomasse, Wasser und/oder Katalysator)
38': Füllgut (Biomasse, Wasser und/oder Katalysator) in Schleusenkammer (32))
39: Druckausgleich/Druckausgleichleitung
40: Druckerhöhung/Pumpe
41: Excenterschneckenpumpe 41 mit integrierter Druckregelung (42)
42: Druckregelung (Excenterschneckenpumpe (41))
43: Druckbehälter/Rohrleitung
44: Regelkreis
45: Regelorgan
46: Reaktionsprodukt (in Wasser gelöste Kohle in feinverteilter, kugelförmiger Form)
47: Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse
48: Füllgut (Biomasse, Wasser und/oder Katalysator)
49: Druckbehälter/Rohrleitung
49': Druckbehälter/Rohrleitung
50: Kolben-Presseinrichtung
51: Kammer/Kolbenkammer
52: Einlassöffnung (Kammer (51))
53: Auslassöffnung (Kammer (51))
54: Kolben
55: Schieber
56: Stellorgan/Antrieb (Schieber (55))
57: Kammer/Schleusenkammer
58: Einlassöffnung (Kammer (57))
59: Auslassöffnung (Kammer (57))
60: Schieber
61: Stellorgan/Antrieb (Schieber (60))
62: Schieber
63: Stellorgan/Antrieb (Schieber (62))
64: steuerbarer Druckausgleichbehälter
65: Entnahme Reaktionsprodukt
66: Behälter/Rohrleitung
66': Behälter
67: Wärmeübertragungsmedium/Bio-/Thermoöl
68: Rückfluss- und/oder Auftriebssperre
69: Fördereinrichtung/Förderschnecke/Schneckenwendel
69': Fördereinrichtung/Pumpe
70: Großrohr
71: Rohr/Rohrpaket
72: Wärmeübertragungsmedium/Bio-Thermoöl
73: Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse
74: Flansch
75: Anschlussstutzen
76: Berstscheibe
77: Klöpperboden
78: Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse
78': Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse
79: Druckbehälter/Rohrleitung
80: Flansch
81: Anschlussstutzen
82: Anschlussmuffe
83: Lagerschale
84: Sonderflansch
85: Gitterkorb
86: Anschlussstutzen
87: Anschlussstutzen
88: Anschlussstutzen
89: Anschlussmuffe
90: Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse
91: Druckbehälter/Rohrleitung
92: Behälter/Containerbehälter
93: Flansch
94: Wärmeerzeugermodul
95: Förderschnecke/Schneckenwendel
96: Hohlwelle
97: Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse
98: Druckbehälter/Rohrleitung
99: Einlassöffnung (Druckbehälter (98))
100: Auslassöffnung (Druckbehälter (98))
101: Behälter/Containerbehälter
102: Einlassöffnung (Containerbehälter (101))
103: Auslassöffnung (Containerbehälter (101))

Claims

Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor der Umwandlung und/oder während der Umwandlung disorganisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Disorganisation mittels Ultraschall erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse unter Nutzung einer Pumpe, vorzugsweise einer Schneckenpumpe oder einer Kolbenmembranpumpe, gegen einen in einer Rohrleitung angeordneten Ultraschallsender gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung insbesondere hinsichtlich Fördergeschwindigkeit und/oder Förderleistung der Pumpe, die Leistung des Ultraschallsenders und/oder der Förderdruck steuerbar ist, vorzugsweise über wenigstens eine Regeleinrichtung
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Disorganisation mittels Mikrowellenbestrahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse durch einen wenigstens einen Reaktionsraum aufweisenden Mikrowellendurchflussreaktor geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Mikrowellendurchflussreaktor geführte Biomasse erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich zwischen etwa 150 Grad Celsius bis etwa 250 Grad Celsius erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizphase zwischen etwa 3 Minuten bis etwa 20 Minuten beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 7, gekennzeichnet durch einen Druck in dem Reaktionsraum des Mikrowellendurchflussreaktors in einem Druckbereich zwischen etwa 15 bar bis etwa 30 bar.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Disorganisation durch Dekompression erfolgt, wobei druckbeaufschlagte Biomasse in einem Behälter mit niedrigerem Druck, vorzugsweise Atmosphärendruck, entspannt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass einem im wesentlichen als Rohrleitung mit wenigstens einer steuerbaren Einlassöffnung und wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung ausgebildeten Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung Biomasse, Wasser und/oder wenigstens ein Katalysator zugeführt wird, die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter derart gesteuert werden, dass dem Druckbehälter zugeführtes Füllgut aus Biomasse, Wasser und Katalysator durch die Rohrleitung transportiert wird, wobei Biomasse, Wasser und Katalysator miteinander reagieren, und über die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung wenigstens ein Reaktionsprodukt des Füllguts entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine kontinuierliche Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator.
Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter derart gesteuert werden, dass dem Druckbehälter zugeführtes Füllgut aus Biomasse, Wasser und Katalysator definiert durch die Rohrleitung transportiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über wenigstens eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete, wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung aufweisende Schleusenkammer erfolgt, wobei die Schleusenkammer seitens der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung mit wenigstens einem Vorratsspeicher an Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator und seitens der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung mit der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters verbindbar ist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator aus der Schleusenkammer in den Druckbehälter durch Druckbeaufschlagung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Kolben-Presseinrichtung erfolgt, wobei die Kolben-Presseinrichtung eine Kammer mit wenigstens einer Einlassöffnung, wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung und einem in der Kammer bewegbaren Kolben zum Pressen von in der Kammer befindlichem Gut aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator aus der Kammer in den Druckbehälter durch mittels des Kolbens aufgebauter Druckbeaufschlagung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator über eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Excenterschneckenpumpe mit Druckregelung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport von sich in dem Druckbehälter befindlichem Füllgut unterstützt wird durch eine vorzugsweise in der Rohrleitung des Druckbehälters angeordnete steuerbare Fördereinrichtung, besonders bevorzugt in Form einer steuerbaren Förderschnecke.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördervolumen der Fördereinrichtung steuerbar ist, vorzugsweise über eine Regeleinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Förderschnecke im wesentlichen über die gesamte Länge der Rohrleitung des Druckbehälters erstreckt und im wesentlichen bündig an den Innenquerschnitt der Rohrleitung des Druckbehälters angepasst ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und/oder die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung gesteuert werden, vorzugsweise über wenigstens eine Regeleinrichtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung des Druckbehälters zumindest teilweise in einem mit wenigstens einem Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Öl, füllbaren Behältnis angeordnet ist und die Beheizung des Druckbehälters über die Temperatur des wenigstens einen Wärmeübertragungsmediums in dem Behältnis gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, gekennzeichnet durch Verwendung eines Eindickmittels, vorzugsweise Speisestärke wie Getreide- und/oder Kartoffelstärke, für das Füllgut aus Biomasse, Wasser und wenigstens einem Katalysator.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts über eine nach der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung des Druckbehälters angeordnete Trenneinrichtung erfolgt, vorzugsweise durch Filterung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsprodukt vor und/oder nach der Entnahme gepresst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator, die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter, der Transport des Füllguts durch den Druckbehälter und/oder die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts aus dem Druckbehälter über eine Regelung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Druckbehälter zumindest über die zeitliche Dauer des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Druckbehälter zumindest über die zeitliche Dauer des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter in einem Bereich zwischen etwa 140,00 Grad Celsius bis etwa 240,00 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen etwa 180,00 Grad Celsius bis etwa 200,00 Grad Celsius gehalten wird.
Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in einem Druckbehälter durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird, gekennzeichnet durch wenigstens eine Einrichtung zur Disorganisation von Biomasse, welche in strömungstechnischer Verbindung vor und/oder in dem Druckbehälter angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Disorganisationseinrichtung wenigstens einen Ultraschallsender, wenigstens einen Mikroweliendurchflussreaktor und/oder wenigstens eine Dekompressionseinrichtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 32 oder Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter aus wenigstens einer Rohrleitung mit wenigstens einer steuerbaren Einlassöffnung und wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung zwischen der wenigstens einen Einlassöffnung und der wenigstens einen Auslassöffnung wenigstens eine Biegung aufweist, vorzugsweise wenigstens eine im wesentlichen U-förmige Biegung.
Vorrichtung nach Anspruch 34 oder Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rohrleitung des Druckbehälters zumindest teilweise in einem mit wenigstens einem Wärmeübertragungsmedium, vorzugsweise Öl, füllbaren Behältnis angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 36, gekennzeichnet durch wenigstens eine steuerbare Heizeinrichtung zur Regelung der Temperatur in dem Druckbehälter.
Vorrichtung nach Anspruch 36 und Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums in dem Behältnis über die Heizeinrichtung steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 38, gekennzeichnet durch wenigstens eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Schleusenkammer zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters, aufweisend wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung.
Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleusenkammer seitens der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung mit wenigstens einem Vorratsspeicher an Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator und seitens der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung mit der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 39 oder Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters die steuerbare Auslassöffnung der Schleusenkammer bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 41, gekennzeichnet durch wenigstens eine Pumpe zur steuerbaren und/oder regelbaren Druckbeaufschlagung der Schleusenkammer.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 42, gekennzeichnet durch eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Kolben-Presseinrichtung zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters, aufweisend eine Kammer mit wenigstens einer Einlassöffnung, wenigstens einer steuerbaren Auslassöffnung und einem in der Kammer bewegbaren Kolben zum Pressen von in der Kammer befindlichem Gut.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 43, gekennzeichnet durch eine vor der wenigstens einen steuerbaren Einlassöffnung des Druckbehälters angeordnete Excenterschneckenpumpe mit Druckregelung zur Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator durch die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung des Druckbehälters.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 44, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise in der Rohrleitung des Druckbehälters angeordnete steuerbare Fördereinrichtung, vorzugsweise in Form einer steuerbaren Förderschnecke, zur Unterstützung des Transports von sich in dem Druckbehälter befindlichem Füllgut.
Vorrichtung nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass das Fördervolumen der Fördereinrichtung steuerbar ist, vorzugsweise über eine Regeleinrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 45 oder Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Förderschnecke im wesentlichen über die gesamte Länge der Rohrleitung des Druckbehälters erstreckt und im wesentlichen bündig an den Innenquerschnitt der Rohrleitung des Druckbehälters angepasst ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 47, gekennzeichnet durch eine vorzugsweise steuerbare Einrichtung zum Beheizen des Druckbehälters.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 48, gekennzeichnet durch wenigstens eine Regeleinrichtung zur zumindest teilautomatischen Steuerung der Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter über die wenigstens eine steuerbare Einlassöffnung und/oder die wenigstens eine steuerbare Auslassöffnung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 49, gekennzeichnet durch wenigstens eine nach der wenigstens einen steuerbaren Auslassöffnung des Druckbehälters angeordnete Trenneinrichtung, vorzugsweise Filtereinrichtung, über welche die Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 34 bis 50, gekennzeichnet durch wenigstens eine Regeleinrichtung zur zumindest teilautomatischen Steuerung der Zuführung von Biomasse, Wasser und/oder wenigstens einem Katalysator, der Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in dem Druckbehälter, des Transports des Füllguts durch den Druckbehälter und/oder der Entnahme des wenigstens einen Reaktionsprodukts des Füllguts aus dem Druckbehälter.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass diese ausgebildet und/oder eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31 zumindest teilweise auszuführen.