DE102008056006A1

DE102008056006A1 - Multireaktorverfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse

Info

Publication number: DE102008056006A1
Application number: DE102008056006A
Authority: DE
Inventors: Lothar Hofer
Original assignee: GRENOL IP GmbH
Current assignee: GRENOL IP GmbH
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-11-06
Also published as: DE102008056006B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, die aus mindestens zwei Reaktoren besteht, wobei Biomasse mit oder ohne Wasser und mindestens einem Katalysator in einem Multibatch-Prozess durch Temperatur und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder gleichwertig artverwandten Stoffen umgewandelt wird. Um die hydrothermale Karbonisierung von Biomasse zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der zeitoptimierten und kostenoptimierten Erstellung der Anlage sowie des Betriebes, als auch hinsichtlich der Art und Weise der Prozessführung, wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass an Stelle der bisher bekannten Batch-Verfahren, ein Multireaktorverfahren bzw. kaskadierbare Anlage bestehend aus mindestens zwei Reakationsbehältern in einem quasi stetigen Betrieb betrieben wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in wenigstens zwei Druckbehältern kaskadiert durch Temperatur und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandten Stoffen umgewandelt wird.
Der Begriff Biomasse erfasst 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.
Bisher werden bei der hydrothermalen Karbonisierung ein oder zwei Druckbehälter mit im Wesentlichen aus pflanzlichen Produkten bestehender Biomasse, Wasser und einer geringen Menge eines Katalysators gefüllt. Anschließend wird der Druckbehälter verschlossen und unter Temperatur- und Druckerhöhung die Umwandlung bzw. Umsetzung der Biomasse durchgeführt. Die dabei ablaufende Reaktion ist exotherm in unterschiedlicher Ausprägung, dass heißt es wird Energie in Form von Wärme und/oder langwelliger Strahlung abgegeben. Die wesentliche Dauer des Umwandlungsprozesses hängt vom angestrebten Zustand des Umwandlungsproduktes ab und liegt bei bisher für die Umwandlung von Biomasse in Kohle in einem Zeitbereich von etwa 12 Stunden. Dabei wird der Druckbehälter auf eine Temperatur von etwa 180°C bis etwa 250°C 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 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 anschließend der geöffnete Druckbehälter geleert wird bzw. das Umwandlungsprodukt aus dem Druckbehälter entnommen wird. Die bisher bekannten, geplanten bzw. in Projektierung befindlichen Verfahren bedienen sich dabei fest, insbesondere ortsfest, installierter Druckbehälter die mittels Rohrleitungen fest an Ventile bzw. Absperrorgane angeschlossen sind und mittels installierten Pumpen verschiedener Bauarten gefüllt bzw. entleert werden. Weiterhin werden die Druckbehälter überwiegend von außen über eine Schlangenwendel bzw. eine Doppelhülle mittels eines Wärmeträgermediums beheizt. Dieses Wärmeträgermedium dient gleichermaßen als Kühlmedium zur Wärmerückgewinnung bei der Entleerung nach Reaktionsabschluss. Nachteilig bei den bisher bekannten Verfahren ist, dass der jeweils gefüllte Druckbehälter in relativ kurzer Zeit auf die Reaktionstemperatur aufgeheizt werden muss. Trotz der Wärmerückgewinnung über den ausreagierten zweiten Behälter ist die zu installierende Heizungsleistung zur Beheizung erheblich, wird dabei aber nur sporadisch, also zum Aufheizen eines jeweiligen Reaktionsbehälters genutzt. Die Leistung muss jedoch komplett als Installationsleistung zur Verfügung gestellt werden.
Weiterhin ist festzustellen, dass die bekannten Reaktionsbehälter meist über ein Rührwerk verfügen, welches die im Reaktionsbehältnis befindliche Biomasse zur Verhinderung von Wärmenestern kontinuierlich rührt. Die Struktur und Konsistenz der Biomasse bedingen dabei ein Rührwerk mit erheblicher elektrischer Anschlussleistung. Weiterhin ist zu Beachten, dass eine Stopfbuchse bzw. Dichtpackung für die Welle des Rührwerkes zur erheblichen Verteuerung einer Anlage führt. Weiterhin ist festzustellen, dass Biomassen mit einem TS-Gehalt (TS-Gehalt: Trockensubstanz-Gehalt) von etwa größer 15% nahezu nicht mehr rührfähig sind. Die Pumpfähigkeit ist stark eingeschränkt.
Der Betrieb einer hydrothermalen Karbonisation mit Biomasse unter 15% TS führt zu einer deutlichen energetischen Verschlechterung des gesamten Wirkungsgrades.
Der vorliegenden Erfindung liegt in Anbetracht des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, die hydrothermale Karbonisierung von Biomasse zu verbessern, insbesondere hinsichtlich des apparatetechnischen Aufbaus eines Reaktionsbehältnisses bzw. Reaktors als auch hinsichtlich der Art und Weise der Prozessführung, als auch hinsichtlich der Art und Weise der verfahrenstechnischen Abläufe.
Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung eine neue apparatetechnische Ausführung des Reaktionsbehälters vorgeschlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass es sich um kleine Reaktionsbehälter handelt, vorzugsweise mit einem Nennvolumen zwischen etwa 50 Liter und etwa 3000 Liter, vorzugsweise zwischen etwa 500 Liter und etwa 2000 Liter, besonders zu bevorzugen im Bereich von etwa 800 Liter bis etwa 1500 Liter. Der Druckbehälter wird an einer Seite mittels einer Anschlussöffnung ausgestattet, bevorzugt eine Flanschverbindung, weiterhin bevorzugt eine Kükenverbindung.
Der Reaktorbehälter ist für thermische Wechselbelastung ausgelegt, besonders bevorzugt werden Temperaturwechsel von etwa 0°C bis etwa 250°C innerhalb eines Zeitintervalles von etwa 10 Minuten bis etwa 3 Stunden. Die Beheizung des Reaktorbehälters erfolgt dabei von außen über einen Wärmträger, der unmittelbar oder mittelbar auf die Außenwandung aufgebracht wird, bzw. diese umströmt. Als Wärmeträger kommen insbesondere zum Einsatz Thermoöl, feinkörnige Feststoffe hierbei bevorzugt Sand, Stahlkugeln kleiner Ausprägung, sowie Abgase, Luft, Gase.
Zu Verbesserung der Wärmeübertragung kann der Reaktorbehälter mit zusätzlichen Kühl- und/oder Heizrippen an der Außenseite versehen werden. Zu Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit werden diese Kühl- und/oder Heizrippen aufgeschweißt, vorzugsweise mittels eines Wärmträgermediums und Spannbändern oder Spannvorrichtungen von Außen auf den Reaktorbehälter gepresst, um die thermische Stabilität des Reaktorbehälters nicht zu beeinträchtigen. Die Kühl- und/oder Heizrippen werden dabei bevorzugt mittels Umfassungen umspannt, damit der Reaktorbehälter im liegenden Zustand rollfähig bleibt.
Der Reaktorbehälter wird je nach verwendeter Biomasse von innen beschichtet, vorzugsweise mit einer Teflonbeschichtung, weiterhin vorzugsweise emailliert.
Während des späteren Reaktionsprozesses wird der Reaktor liegend bewegt, vorzugsweise gerollt. Zur Durchmischung der Biomasse sind an der Innenseite Vorrichtungen installiert, die eine Durchmischung der Biomasse bei Bewegung des Reaktors sicherstellen, vorzugsweise Stolperkannten und/oder Schnecken oder Absätze.
Zur Verbesserung der Transportmöglichkeiten der Reaktoren können diese alternativ in Gitterboxen installiert werden, die den Transport mittels Stapler (Flurförderer) oder anderer geeigneter Vorrichtungen ermöglichen. Die Gitterboxen sind dabei vorzugsweise angelehnt an bekannte, mitunter standardisierte Standardgitterboxen aus dem Bereich der Fördertechnik.
Alternativ und/oder ergänzend können zur Transportvereinfachung der Reaktoren die Gitterboxen eine zylindrische Form erhalten, damit der Reaktionsbehälter mit der Gitterbox liegend bewegt werden kann.
Nach Befüllung des Reaktors wird der Reaktorbehälter mit einem Regel- und/oder Steuerkopf verschlossen. Der Anschluss des Regel- und/oder Steuerkopfes erfolgt vorzugsweise über eine lösbare Verbindung, bevorzugt eine Flanschverbindung, besonders bevorzugt eine Doppelkegelverbindung mit O-Ringen, im besonderen eine Schnellschlussvorrichtung mit leicht öffenbaren Spanneinrichtungen (vergleichbar und/oder ähnlich dem Wasserschlauch-Stecksystems der Gardena GmbH (vgl. GARDENA System bzw. GARDENA Prinzip).
Der Regel- und/oder Steuerkopf beinhaltet vorteilhafterweise eine Messeinrichtung für den Innendruck des Reaktorbehälters, eine Messeinrichtung für die Innentemperatur des Reaktorbehälters und/oder eine Sicherheitseinrichtung gegen unzulässige Drücke im Druckbehälter. Die Messwerte von Druck und/oder Temperatur werden zu einer Prozessleittechnik bzw. einer Mess-, Steuer- und/oder Regeltechnik bzw. -einrichtung übertragen, vorzugsweise drahtlos und/oder berührungslos, besonders bevorzugt mit optischer Auswertung.
Der Regel- und/oder Steuerkopf ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass er einen mechanischen Regler beinhaltet, der bei der vorgesehenen Umgebungstemperatur von etwa 180°C bis etwa 250°C einen mechanisch einstellbaren Regelbereich von etwa 23 bar bis etwa 28 bar beinhaltet. Bei Überschreitung dieses Sollwertes wird der überschüssige Druck über eine Auslass- und/oder Ausblasvorrichtung abgelassen.
Der Regel- und/oder Steuerkopf beinhaltet je nach Anforderung eine manuell und/oder automatisch zu bedienende Ablassvorrichtung um den Reaktor bei Bedarf zu entleeren, vorzugsweise nach Reaktionsende und/oder verlassen einer Abkühlkammer.
Der Regel- und/oder Steuerkopf beinhaltet in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung einen manuell zu bedienenden Druckablass um den Reaktor bei Bedarf druckmäßig zu entlasten.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt vorteilhafter Weise einen diskontinuierlichen Betrieb vieler Kleinreaktoren, wie vorliegend beschrieben bzw. dargelegt. Hierbei sind die Reaktoren mobil und verfügen über keinerlei festinstallierte Anschlüsse in Form von Rohrleitungen, Kabeln und/oder Leitungen. Erfindungsgemäß sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
Die Biomasse wird erfindungsgemäß vorher vorzugsweise, aber nicht zwingend mechanisch zerkleinert und/oder mittels Ultraschall zerkleinert und/oder mittels Mikrowellen vorbehandelt, über eine Wärmerückgewinnungsanlage vorgeheizt, bevorzugt auf eine Temperatur bis etwa 100°C.
Die insofern vorgewärmte Biomasse wird über eine Transportvorrichtung, vorzugsweise einen Schneckenförderer, in den Reaktorbehälter (Reaktor) gefördert. Hierzu wird der Reaktorbehälter vorteilhafterweise über eine Transportvorrichtung unter die fest installierte Befülleinrichtung gefahren.
Die Füllmenge wird über das Füllvolumen, bevorzugt über den Befüllgrad des Befüllbehälters, besonders bevorzugt über eine Wiegeeinrichtung ermittelt und der Reaktorbehälter (Reaktor) abgefüllt.
Nach der Befüllung wird der Reaktorbehälter zur nächsten Station transportiert.
An dieser Station erfolgt die Verschließung des Reaktors mit dem Regel- und/oder Steuerkopf, bevorzugt automatisch. Der Regel- und/oder Steuerkopf wird dabei druckdicht manuell oder automatisch, zumindest teilautomatisch montiert.
Anschließend wird der Reaktor zur nächsten Station weitertransportiert.
Der Reaktor wird dann in eine Aufheizkammer transportiert. Dies erfolgt vorteilhafterweise über eine Schleusenvorrichtung zur Verringerung der thermischen Verluste durch Konvektionen. Die Aufheizkammer ist dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung der Kammer über verschiedene Wärmeträgermedien möglich ist.
In der Aufheizkammer wird der Reaktor mit bzw. ohne Steuerkopf über einen einstellbaren Zeitraum, vorzugsweise etwa 10 Minuten bis etwa 3 Stunden auf eine einstellbare Betriebsinnentemperatur, vorzugsweise zwischen etwa 150°C und etwa 250°C aufgeheizt. Vorzugsweise wird die Reaktoreinheit (Reaktor) hierzu mittels einer Drehvorrichtung gedreht.
Der Temperatur- und Druckanstieg im Reaktor wird über die drahtlosen Messeinrichtungen erfasst und zur Auswerteeinheit übermittelt.
Nach Erreichen der jeweiligen Sollwerte wird die Reaktoreinheit aus der Aufheizkammer ausgeschleust und in eine Warmhaltezone transportiert.
Die Warmhaltezone ist vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionseinheiten ständig in Bewegung gehalten werden, so dass eine Reaktionsnestbildung im Reaktor ausgeschlossen ist bzw. werden kann. Bevorzugt werden die Reaktoren durch die Warmhaltezone gerollt.
Die Warmhaltezone ist weiterhin vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung über Gase oder Luft erfolgt, bevorzugt Abgase eines Blockheizkraftwerkes oder einer Direktbefeuerung oder einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher. Die Beheizung der Warmhaltezone erfolgt vorzugsweise mit der Abluft/Abgas der Aufheizkammer.
Die Erwärmung auf die Solltemperatur bzw. den Solldruck erfolgt vorteilhafterweise mittels Abgasen eines Blockheizkraftwerkes oder einer Direktbefeuerung aus einem Wärmeerzeuger, vorzugsweise mit einer Temperatur zwischen etwa 200°C und etwa 350°C.
Die Erwärmung kann alternativ und/oder ergänzend über einen vorgeheizten, feinkörnigen Feststoff erfolgen, vorzugsweise Sand oder vergleichbare Stoffe, Stahlkugeln kleinerer Durchmesser, oder dergleichen Stoffe. Der feste Wärmeträger wird zur Erwärmung der Reaktoreinheit mittels einer Schleusenvorrichtung in die Aufheizkammer eingelassen und umschließt im Heizfall den Reaktor vollständig. Die Wärmekapazität des festen Wärmeträgers kann dabei auf die Sollwärmekapazität des gefüllten Reaktors angepasst werden. Vorzugsweise wird der feste Wärmeträger nach Einlass in die Aufheizkammer mittels Gasen weiter aufgeheizt.
Nach Erreichen der Solltemperatur bzw. des Solldruckes im Reaktor wird der feste Wärmeträger über eine Ausschleusvorrichtung aus der Aufheizkammer abgelassen und mittels Fördertechnik über die Aufheizkammer transportiert. Dort erfolgt die Schnellaufheizung des festen Wärmeträgers vorteilhafterweise mittels Abgasen eines Blockheizkraftwerkes oder einer Direktbefeuerung eines Wärmeerzeugers oder dergleichen Aufheizeinrichtung, auf die benötigte Temperatur, bevorzugt etwa 250°C bis etwa 500°C.
In der Warmhaltezone werden die Reaktoreinheiten aufeinander folgend durchgeschoben bzw. transportiert. Während des gesamten Verbleibs in der Warmhaltezone werden an jedem Reaktor Druck und/oder Temperatur erfasst. Die Warmhaltezone wird mittels einer Regeleinrichtung auf einer konstanten Temperatur gehalten, vorzugsweise zwischen etwa 150°C und etwa 250°C.
In der Warmhaltezone befinden sich je nach Prozessfortschritt zwischen 2 und etwa 100 Reaktoreinheiten, vorzugsweise etwa 10 bis etwa 50 Reaktoreinheiten, besonders bevorzugt zwischen etwa 12 und etwa 24 Reaktoreinheiten.
Die Verweilzeit bzw. Durchlaufzeit in der Warmhaltezone ist abhängig von dem gewünschten Reaktionsprodukt und beträgt zwischen etwa 1 Stunde und etwa 36 Stunden, bevorzugt zwischen etwa 4 und etwa 16 Stunden.
Die Warmhaltzone ist vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass abschnittsweise über Querströmungen von Gasen/Abgasen mit anderen Temperaturniveaus unterschiedliche Temperaturzonen in der Kammer geschaffen werden können. Hiermit lassen sich exotherme Reaktionen in den Reaktoreinheiten und die damit steigenden Oberflächentemperatur der Reaktoren auf relativ einfache Art und Weise prozesstechnisch ausregeln.
Die Warmhaltezone ist weiterhin vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitsdruckeinrichtung der Regel- und/oder Steuerköpfe, bevorzugt in Form einer Berstscheibe, in einem speziell dafür ausgeformten Element geführt werden, so dass bei Auslösen dieser Sicherheitseinrichtung das überhitze Wasser-Biomassegemisch sicher und gelenkt bzw. geführt aus der Warmhaltezone austreten kann.
Der Durchlauf der Reaktoren in der Warmhaltezone ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass jeder in der Zone befindliche Reaktor über die zugehörige Prozessleittechnik bzw. Mess-/Steuer-Regeltechnik überwacht wird. Je nach Art der Biomassebefüllung sowie nach Art des gewünschten Umsetzungsgrades in Torf, Kohle oder artverwandte Stoffe, wird die Aufenthaltszeit in der Warmhaltezone gesteuert.
Nach Ablauf der Verweilzeit in der Warmhaltekammer wird die Reaktoreinheit in eine Abkühlkammer transportiert, bevorzugt gerollt.
Hierzu durchläuft die Reaktoreinheit vorteilhafterweise eine thermische Schleuse um Wärmverluste durch Konvektion zu minimieren.
In der Abkühlkammer erfolgt die Schnellabkühlung der Reaktoreinheit auf ein handhabbares Temperaturniveau, bevorzugt zwischen etwa 0°C und etwa 100°C, besonders bevorzugt zwischen etwa 10°C und etwa 40°C.
Die Abkühlung des Reaktors erfolgt vorteilhafterweise mittels eines Wärmeträgers, der mittelbar oder unmittelbar den Reaktorbehälter umströmt. Vorzugsweise erfolgt dies mittels eines Kühlwasserkreislaufes. Das Kühlwasser wird hierzu vorteilhafterweise auf den heißen Reaktor geleitet. Das entstehende Dampf-Wasser-Gemisch wird vorteilhafterweise zur Vorwärmung der Biomasse weitergeleitet. Die Abkühlung kann alternativ über einen feinkörnigen Feststoff erfolgen, vorzugsweise Sand oder vergleichbare Stoffe oder Stahlkugeln kleinerer Durchmesser. Der feste Wärmeträger wird zu Abkühlung der Reaktoreinheit mittels einer Schleusenvorrichtung in die Abkühlkammer eingelassen und umschließt den Reaktor vorteilhafterweise vollständig. Zur weiteren Verkürzung der Abkühlzeit wird der mit dem festen Wärmträger umschlossene Reaktor mittels Kühlwasser gekühlt. Der entstehende Wasserdampf kondensiert dabei vorteilhafterweise im festen Wärmeträger.
Nach Unterschreiten des vorgegebenen Sollwertes, bevorzugt unter eine Temperatur von etwa 100°C, bzw. bevorzugt unter etwa 1 bar Reaktorinnendruck erfolgt die Ausschleusung des Reaktors aus der Abkühlkammer. Die Transportvorrichtung befördert den Reaktor hierzu aus der Abkühlkammer zur Vorrichtung zur Demontage des Regel- und/oder Steuerkopfes.
Der Regel- und/oder Steuerkopf wird hier demontiert, bevorzugt automatisch, zumindest teilautomatisch.
Wahlweise verfügt der Regel- und/oder Steuerkopf vorteilhafterweise über eine manuell oder automatisch, zumindest teilautomatisch zu öffnende Ablasseinrichtung, die es erlaubt, bei montiertem Regel- und/oder Steuerkopf den Inhalt abzulassen.
Nach Demontage des Regel- und/oder Steuerkopfes wird der Reaktorbehälter mittels der Transporteinrichtung zur Entleerstation transportiert. An der Entleerstation erfolgt vorteilhafterweise die Entnahme der umgesetzten Biomasse als Wasser-Kohle-Gemisch. Die Entnahme erfolgt vorzugsweise bei gedrehtem Reaktorbehälter, so dass die Befüll- bzw. Entleerungsöffnung unten angeordnet ist. Durch die Schwerkraft und vorteilhafterweise unter Zuhilfenahme eines gerichteten Wasserstrahls läuft das Wasser-Kohle-Gemisch vorteilhafterweise in einen Auffangbehälter. Im Reaktorbehälter verbleibende Kohlerückstände werden vorteilhafterweise automatisch, teilautomatisch oder manuell per Wasser-Hochdruck-Strahl gelöst und ausgespült.
Der somit gereinigte Reaktorbehälter wird vorteilhafterweise zur erneuten Befüllung mit Biomasse weiter transportiert.
Der Regel- und/oder Steuerkopf wird gereinigt und vorteilhafterweise zur erneuten Verwendung abtransportiert.
Das Wasser-Kohle-Gemisch wird vorteilhafterweise einem Filter zugeführt und filtriert. Die Filtrierung erfolgt vorteilhafterweise mittels konventioneller Pressen, bevorzugt Bandpressen und/oder pneumatischer Behälterpressen.
Das gefilterte Kohlesubstrat wird vorteilhafterweise zum weiteren Wasserentzug in konventionelle Entwässerungsvorrichtungen eingefüllt. Bevorzugt sind hierbei Zentrifugen bzw. Dekanter oder dergleichen Separatoreinrichtungen.
Die entwässerte Kohle wird vorteilhafterweise über Bandtrockner vorgetrocknet. Die Bandtrockner erhalten ihre Wärme vorteilhafterweise aus dem Wärmerückgewinnungskreislauf des oben genannten HTC-Prozesses (HTC-Prozesses: Hydrothermale-Carbonisation-Prozesses).
Nach Durchlauf durch den Bandtrockner wird die Kohle vorteilhafterweise zur weiteren Verwendung auf unterschiedliche Art und Weisen und je nach Bedarfszweck und Anwendung nachbehandelt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind anhand der in den 1 bis 12 der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele und den darin enthaltenen Erläuterungen und/oder Angaben näher spezifiziert.
Die Zeichnungen zeigen ein Verfahren und entsprechende Vorrichtungen zur erfindungsgemäßen hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, die aus mindestens zwei Reaktoren besteht, wobei Biomasse mit oder ohne Wasser und mindestens einem Katalysator in einem Multibatch-Prozess durch Temperatur und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder gleichwertig artverwandten Stoffen umgewandelt wird. Um die hydrothermale Karbonisierung von Biomasse zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der zeitoptimierten und kostenoptimierten Erstellung der Anlage sowie des Betriebes, als auch hin-sichtlich der Art und Weise der Prozessführung, wird mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, dass an Stelle der bisher bekannten Batch-Verfahren, ein Multireaktorverfahren bzw. kaskadierbare Anlage bestehend aus mindestens zwei Reaktionsbehältern in einem quasi stetigen Betrieb betrieben wird.
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.

Claims

Multi-Reaktor-Verfahren zur hydrothermalen Karbonisation von Biomasse, wobei Biomasse mit Wasser und wenigstens einem Katalysator in mindestens zwei kaskadierbaren Druckbehältern durch Temperatur- und/oder Druckerhöhung in Stoffe wie Kohle, Öl und/oder dergleichen artverwandte Stoffe umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren, zeitlich gestaffelten, insbesondere ohne feste Anschlüsse wie Rohre oder Kabel, und einem montierbaren bzw. demontierbaren Regel- und/oder Steuerkopf ausgebildeten Druckbehältern (Reaktorbehältern) Biomasse, Wasser und/oder wenigstens ein Katalysator zugeführt wird, die Temperatur- und/oder Druckverhältnisse in den Reaktorbehältern über einen Aufheizvorgang und einen Warmhaltevorgang derart gesteuert werden, dass Druckbehälter mit dem zugeführten Füllgut aus Biomasse, Wasser und Katalysator durch eine Warmhaltezone transportiert werden, wobei Biomasse, Wasser und Katalysator miteinander reagieren, und über den automatisch und/oder manuell montierbar bzw. demontierbaren Regel- und/oder Steuerkopf das Reaktionsprodukt des Füllgutes aus dem jeweiligen Reaktorbehälter entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor Befüllung in einen Reaktorbehälter (Reaktor) auf eine einstellbare Temperatur vorgewärmt wird, vorzugsweise bis etwa 100°C.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Reaktorbehälter unter die Befülleinrichtung der Biomasse automatisch und/oder manuell transportiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgewärmte Biomasse mittels einer automatischen und/oder manuellen Fördereinrichtung in einen (den jeweiligen) Reaktorbehälter definiert abgefüllt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils befüllte Reaktorbehälter mit einem Regel- und/oder Steuerkopf manuell und/oder automatisch verschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils verschlossene Reaktorbehälter in eine Aufheizkammer transportiert wird und dort mittels eines Wärmeträgers auf eine einstellbare Temperatur und einen einstellbaren Druck schnell aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Reaktorbehälter während der Schnellaufheizung ständig bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige, auf Solltemperatur- und/oder Solldruck aufgeheizte Reaktorbehälter in eine Warmhaltekammer transportiert wird und diese in einem einstellbaren Sollzeitverlauf mit einer einstellbaren Solltemperatur durchläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Reaktorbehälter nach Ablauf der Reaktion in eine Abkühlkammer transportiert wird und dort mittels Schnellabkühlung auf eine einstellbare Solltemperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Regel- und/oder Steuerkopf automatisch und/oder manuell von dem jeweiligen Reaktorbehälter demontiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Reaktorbehälter geleert, gereinigt und einem neuen Prozesslauf nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Regel- und/oder Steuerkopf nach Demontage und vorzugsweise nach Reinigung, einem neuen Prozesslauf nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorbehälter mit innenliegenden Stolperkannten und/oder Schnecken ausgerüstet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorbehälter anschluss-, rohrleitungs- und/oder kabelfrei ausgestaltet sind, insbesondere über keine festen Anschlüsse wie Rohrleitungen und/oder Kabel verfügen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorbehälter innen beschichtet sind, vorzugsweise mit PTFE, Teflon oder Emaille.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorbehälter mit einem Regel- und/oder Steuerkopf verschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Regel- und/oder Steuerkopf eine Temperatur- und/oder Druckmessungseinrichtung umfasst (aufweist, beinhaltet), deren Werte drahtlos zu einer Auswerteeinheit übertragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, das der Regel- und/oder Steuerkopf eine Temperaturmesseinrichtung und eine Druckmesseinrichtung umfasst (aufweist, beinhaltet), deren Werte über mechanische Messwertaufnehmer ermittelt und über eine optische Auswertung an eine Auswerteinheit übertragen werden, vorzugsweise für eine Videoauswertung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Regel- und/oder Steuerkopf einen mechanischen Druckregler umfasst (aufweist, beinhaltet), der bei Überschreitung des Reaktorbehälterinnendruckes ein Regelorgan öffnet und den Reaktordruck auf den Solldruck absenkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Regel- und/oder Steuerkopf einen Sicherheitsdruckbegrenzer umfasst (aufweist, beinhaltet), der bei Überschreitung des Reaktorbehälterinnendruckes ein Regelorgan öffnet und den Reaktordruck auf den Solldruck absenkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Reaktorbehälter und/oder oder der jeweilige Regel- und/oder Steuerkopf einen mechanischen, von Hand oder automatisch zu betätigenden Druckablass umfasst (aufweist, beinhaltet).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, das der jeweilige Reaktorbehälter (Reaktor) zur Aufheizung in eine Aufheizkammer transportiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Reaktorbehälter (Reaktor) in einer Aufheizkammer mit Gasen, Abgasen, Luft oder anderen Wärmeträgern aufgeheizt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 160°C bis etwa 250°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufheizung des jeweiligen Reaktorbehälters (Reaktors) in einer Aufheizkammer, der dorthin transportierte Reaktorbehälter (Reaktor) mit einem festen oder flüssigen Wärmeträger umschlossen bzw. umspült wird und nach Erreichen der Sollwerte dieser feste oder flüssige Wärmeträger wieder abgelassen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Reaktorbehälter (Reaktor) während der Verweilzeit in der Aufheizkammer bewegt, bevorzugt gerollt und/oder gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgewärmten Reaktorbehälter kontinuierlich durch eine Warmhaltezone transportiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmhaltezone mittels Wärmeträger und verschiedenen Wärmeübertragungseinrichtungen zonenweise auf verschiedene Temperaturen ausgeregelt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmhaltezone über Vorrichtungen verfügt, die bei Aktivierung des Sicherheitssystems der jeweiligen Reaktorbehälter (Reaktoren) das überhitzte Wasser/Biomassegemisch gelenkt abführen können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmhaltezone über drahtlose Empfänger oder eine visuelle Auswerteinrichtung verfügt, die die Temperatur- und Druckmesswerte der einzelnen Reaktorbehälter (Reaktoren) empfängt oder abliest und auswertet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Reaktorbehälter (Reaktor) in eine Abkühlkammer transportiert wird und dort mittels Schnellabkühlung auf einen einstellbaren Sollwert heruntergekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnellabkühlung mittels Wärmeträger erfolgt, die nach Transport des jeweiligen Reaktorbehälters (Reaktors) in die Abkühlkammer den Reaktorbehälter (Reaktor) gesteuert umgeben und/oder umspülen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Reaktorbehälter (Reaktor) während der Verweilzeit in der Abkühlkammer bewegt, bevorzugt gerollt und/oder gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Reaktorbehälter (Reaktor) nach Abkühlen auf den Sollwert in eine Entleerstation transportiert wird und in dieser der Regel- und/oder Steuerkopf automatisch und/oder manuell demontiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Regel- und/oder Steuerkopf eine automatische und/oder manuelle Vorrichtung aufweist, die es gestattet, das Wasser-Kohle-Gemisch bei montiertem Regel- und/oder Steuerkopf abzulassen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils entleerte und gereinigte Reaktorbehälter wieder verwendet wird und hierzu zur Befüllstation transportiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Regel- und/oder Steuerkopf nach Demontage gereinigt wird und einem erneuten Prozessdurchlauf nach einem der Ansprüche 1 bis 35 zugeführt wird.