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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse.
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Unter Biomasse soll vorliegend pflanzliche und tierische Biomasse sowie Stoffwechselprodukte verstanden werden, insbesondere nachwachsende Rohstoffe, wie Holzhackschnitzel, Grünschnitt aus der Landschaftspflege, Pflanzen, Stroh, Silage, und organische Reststoffe aus der Land- und Forstwirtschaft sowie der Nahrungsmittelindustrie und Entsorgungswirtschaft, sowie auch Torf, Rohbraunkohle, Papier- und Klärschlämme, Trester und dergleichen, die im weiteren auch als Einsatzstoffe bezeichnet werden.
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Die Biomasse wird durch hydrothermale Karbonisierung im wesentlichen zu Humus, Kohle, Dünger und Wasser umgesetzt.
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Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die energetische Nutzung nachwachsender Rohstoffe, die Verwertung von Reststoffen aus der land-, forst- und nahrungswirtschaftlichen Produktion und von organischen Wertstoffen aus der Müllaufbereitung und die Herstellung von Bodenverbesserern.
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Beim Stand der Technik wird die meiste Biomasse des natürlichen zyklischen Kohlenstoffkreisprozesses verrottet oder umweltbelastend kompostiert und so weitgehend einer höherwertigen stofflichen und energetischen Nutzung entzogen. Industrielle Prozesse zur Umwandlung der Einsatzstoffe in Humus und Kohle durch hydrothermale Karbonisierung in der Massenproduktion sind nicht Stand der Technik, obwohl die wissenschaftlichen Grundlagen für die Umwandlung dieser Einsatzstoffe in Kohle 1913 von Bergius veröffentlicht wurden.
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Vorhanden sind wissenschaftliche Grundlagen für die Umwandlung der Einsatzstoffe, wie Holz, Stroh, Gras, Grünschnitt, Landschaftspflegeholz, Schlempe, Gärreste, Maissilage, Ganzpflanzensilage und organischer Abfall, aber auch Torf und Rohbraunkohle durch Dehydratation (Abspaltung von Wasser) bei Temperaturen zwischen 18°C und 300°C in Anwesenheit von flüssigem Wasser in kohlenstoffreiche und sauerstoffarme Feststoffe. Danach muss während der Reaktion der Druck mindestens dem Sattdampfdruck des Reaktionsgemisches bei der gewählten Reaktionstemperatur entsprechen oder darüber liegen. In Abhängigkeit der verwendeten Biomasse ist das Erreichen einer Mindesttemperatur erforderlich, um die Reaktion in Gang zu setzten. Diese beträgt etwa 180°C für zuckerreiche Biomasse und liegt bei bis zu 220°C für cellulose- und ligninreiche Biomasse. Die Dehydratation ist eine Zeitreaktion, die zuerst sehr schnell und dann immer langsamer stattfindet, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist. In der Regel sind, je nach den gewünschten Produkteigenschaften, Verweilzeiten zwischen 30 Minuten und über 10 Stunden erforderlich.
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Parallel zur Dehydratationsreaktion findet eine Decarboxylierung statt, die zu einer Abspaltung von überwiegend CO2 führt. Dies führt zu einer Bildung von (Permanent)Gasen während der Reaktion. Bei niedrigen Temperaturen dominiert die Dehydratation, bei hohen Temperaturen dominiert die Decarboxylierung. Je höher also die Temperatur gewählt wird, desto mehr Kohlenstoff wird in Form von CO2 abgespalten und geht als Gas verloren. Gleichzeitig sinkt die Ausbeute des Feststoffes. Durch eine Erhöhung der Temperatur kann jedoch die Verweilzeit verringert werden, da sowohl die Dehydratation als auch die Decarboxylierung schneller ablaufen. Weiterhin kann durch eine Erhöhung der Temperatur die bei maximaler Verweilzeit erreichbare Produktqualität (hoher Massenanteil an Kohlenstoff und/oder geringer Massenanteil an Sauerstoff) verbessert werden. Während bei Temperaturen von z. B. etwa 200°C ein maximaler Kohlenstoffanteil von ca. 70% erreichbar ist, kann bei Temperaturen von z. B. etwa 300°C ein maximaler Kohlenstoffanteil von ca. 80% erreicht werden.
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Neben der Dehydratation und der Decarboxylierung findet noch eine Reihe von Nebenreaktionen statt, die dazu führen, dass sich unter anderem wasserlösliche Kohlenwasserstoffe bilden. Einige dieser wasserlöslichen Kohlenwasserstoffe bilden anschließend wieder einen kohlenstoffreichen Feststoff, sie sind also Zwischenprodukte der Dehydratationsreaktion. Ein Anteil der wasserlöslichen Kohlenwasserstoffe sind organische Säuren, deren Bildung zu einer Absenkung des pH-Wertes führt. Bei niedrigen Temperaturen ist der überwiegende Anteil der flüssigen Phase sehr leicht biologisch abbaubar. Steigt die Temperatur so steigt der Anteil schwer biologisch abbaubarer Kohlenwasserstoffe in der flüssigen Phase, was zu erhöhten Entsorgungskosten führen kann.
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Die erwünschte Dehydratisierung kann durch geeignete Katalysatoren beschleunigt und gegenüber der unerwünschten Decarboxylierung begünstigt werden. Somit kann bereits bei geringerer Temperatur und reduzierter Reaktionsdauer der erwünschte Umsetzungsgrad erreicht werden. Beispiele für wirksame Katalysatoren sind u. a. organische Säuren wie z. B. Zitronensäure. Weiterhin wirken einige Metalle, deren Salze und Oxide katalytisch aktiv in der hydrothermalen Karbonisierungsreaktion sind. Ein Teil der katalytisch wirksamen Substanzen sind bereits in verschiedenen Biomassen enthalten und werden so in den Prozess eingebracht. Andere können zur Optimierung der Reaktion entweder der Biomasse vor Eintritt in den Reaktor zugesetzt oder während des laufenden Betriebs in den Reaktor eingebracht werden. In einigen Fällen kann der Katalysator nach der Umsetzung nicht wiedergewonnen werden (z. B. Zitronensäure) oder wird während der Reaktion zersetzt (z. B. Ameisensäure). Insoweit kann die Bezeichnung „Katalysator” nicht im strengen Wortsinn angewandt werden. Diese Hilfsstoffe beschleunigen die Reaktion und reduzieren die eingangs erwähnte, erforderliche Starttemperatur, weswegen wesentliche Eigenschaften eines Katalysators allerdings zutreffend sind.
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Eine Auswahl von Katalysatoren sind:
- 1) Anorganische Br⌀nstedsäuren: HNO3, HCl
- 2) Organische Br⌀nstedsäuren: Ameisensäure, Essigsäure, Citronensäure, NH4Cl
- 3) Lewissäuren wie z. B. Metallhalogenide: FeCl3, FeBr3, AlCl3, AlBr3
- 4) Allgemein Metallhalogenide und -oxide: NaCl, FeO, Fe2O3, LiCl, [Fe(NH4)2(SO4)2]·6H2O
- 5) saure Zeolite, z. B. H-ZSM-5
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Obwohl die Karbonisierungsreaktion auch ohne Katalysator stattfindet, ist die gezielte Wahl eines passenden Katalysatorsystems für eine optimale Prozessführung vorteilhaft, um eine sinnvolle Kombination aus Reaktionstemperatur und Verweilzeit in Verbindung mit einer hohen Ausbeute, optimierter Kohlenstoffbilanz sowie guten Produkteigenschaften einzustellen. Zudem kann die Anpassung des Katalysators die Qualität des Nebenproduktes Prozesswasser entscheidend beeinflussen, wobei das Ziel ein einleitfähiges Wasser mit geringer Schadstofffracht darstellt.
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Die Dehydratation und Decarboxylierung von Biomasse ist ein exothermer Prozess, bei dem Wärme abgeführt werden muss.
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Eine der ersten technischen Umsetzungen der Dehydratation von Industrieschlempen in Druckreaktoren bei 250°C–300°C aus der Zellstoffindustrie wurden von Friedrich Bergius 1921 beschrieben (AT86234).
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Weiterhin offenbart die
US 3,552,031 eine Vorrichtung zur Abspaltung von Wasser aus organischen Material zusammen mit flüssigem Wasser am Beispiel von Braunkohle bei Temperaturen zwischen 100°C und 300°C in einem liegenden Druckreaktor, der durch eine Fördervorrichtung beschickt wird und an dessen Ende die dehydratisierte Kohle wieder abgezogen wird. Der Reaktor ist isoliert und wird von außen geheizt. Es werden jedoch keine Aussagen über die Führung der Wärmeströme getroffen, deren effiziente Führung einen bedeutenden Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hat. Ein weiterer Nachteil ist die Fördereinrichtung im Inneren des Reaktors.
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Auch die
US 3,992,784 offenbart ein Verfahren zur Dehydratation von organischem Material zusammen mit flüssigem Wasser bei mehr als 150°C am Beispiel von Braunkohle. Die Braunkohle wird mit Wasser vermischt und mit Hilfe einer Pumpe in einen Druckreaktor gefördert. Das Gemisch aus Wasser und Braunkohle wird durch Wärmeübertrager/-tauscher vorgewärmt, die die Wärme des aus dem Reaktor abgeführten Produkts nutzen. Weiterhin wird das Kondensat des Trockners wieder zusammen mit der Kohle in den Prozess eingebracht. Die Erwärmung der Edukte erfolgt ausschließlich über einen indirekten Wärmeübergang in Wärmeübertragern/-tauschern. Die Verwendung von indirekten Wärmeübertragern zur Vorwärmung von Fest/Flüssiggemischen ist wegen der schlechten Wärmeübergangseigenschaften und der Tendenz zur Bildung von Anbackungen schwierig. Weiterhin ist der Trockner, der einen nicht zu unterschätzenden Wärmebedarf, hat nicht in die Wärmewirtschaft/-bilanz der Anlage eingebunden.
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WO 2008081409 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dehydratation von Biomasse zusammen mit flüssigem Wasser bei Temperaturen über 150°C in einem Druckreaktor, die im Wesentlichen aus einem Schlaufenreaktor besteht, in den das Ausgangsprodukt eingebracht wird. Das im Reaktor befindliche Reaktionsgemisch wird kontinuierlich umgewälzt und ein Teil aus dem Reaktor entnommen und anschließend getrocknet. Es werden weiterhin Nebenaggregate offenbart. Ein Nachteil dieser bekannten Lehre ist die komplette Umwälzung des Reaktorinhaltes. Hierdurch erreicht das Reaktionsgemisch nur eine mittlere Verweilzeit und es wird ein Anteil der Biomasse sofort nach dem Eintreten wieder aus dem Reaktor abgeführt, was die Produktqualität negativ beeinflusst.
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Darüber hinaus offenbart
EP 1970431 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dehydratation von Biomasse zusammen mit flüssigem Wasser bei Temperaturen über 100°C. Die Biomasse wird dabei ggf. vorgewärmt und mit einer Pumpe oder Schleuse in einen liegenden Druckreaktor eingebracht, durch den sie mit Hilfe eines Schneckenförderers bewegt wird. Der Druckreaktor ist extern beheizt. Die reagierte Biomasse wird am Ende des Druckreaktors entweder über eine Pumpe oder eine Druckschleuse ausgetragen. Ein Nachteil dieser Lehre ist die Verwendung eines Schneckenförderers, um den Reaktorinhalt durch den rohrförmigen Reaktor zu bewegen. Durch die hohen Temperaturen kommt es zu einem schnellen Verschleiß der Schnecke und wegen der hohen Drücke zu Schwierigkeiten bei der Abdichtung gegen den Atmosphärendruck.
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Weiterhin offenbart
WO 2008095589 A1 einen S-förmigen Reaktor zur Dehydratation von Biomasse in flüssigem Wasser, der in einem Bad aus Thermalöl liegt, welches bei Bedarf gekühlt und geheizt werden kann. Ein Nachteil dieser Variante ist die schlechte Steuerbarkeit der Reaktorinnentemperatur.
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Die Patentschrift
WO 2008113309 A1 offenbart eine nasschemische Umwandlung von Biomasse unter der Erdoberfläche z. B. in Kohleschächten, wobei der statische Druck des Wassers, eine Erhitzung sich unterhalb von 200 m befindlichen Lagen auf über 200°C gestattet und so eine Dehydratationsreaktion ermöglicht. Der hier verfolgte Weg der technischen Umsetzung weißt Nachteile gegenüber einer sich an der Erdoberfläche befindlichen Anlage auf, da die Reaktionstemperatur nicht ohne weiteres kontrolliert werden kann und erforderliche Wartungsarbeiten nur schwerlich durchgeführt werden können.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2008 028 953 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Pflanzenkohle mittels Hydrothermaler Carbonisierung (HTC) aus Biomasse jedweder Art durch Zerkleinern, Fluten in einer wässrigen Lösung, Beigeben eines chemischen Katalysators, Einfüllen in einen Reaktionsbehälter, Druckanhebung und Aufheizung sowie Temperaturhaltung während einer längeren Reaktionsphase mit anschliessender Abkühlung der wässrigen Lösung, Trennung der Kohlepartikel vom Reaktionswasser, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess in einem auf durchgehend hohem Druckniveau gehaltenem, aber intermittierend betriebenen Reaktionsbehälter abläuft, indem ein dem Reaktionsbehälter vorgeschalteter und über diesem angeordneter Vorwärmbehälter drucklos befüllt wird und nach Flutung bei geschlossenem Einfüllventil durch Öffnen des Austrittsventils in einen Druckausgleich mit dem Reaktionsbehälter eintritt, das vorgewärmte Einsatzmaterial mittels Schwerkraft und hilfsweise mit Spülpumpenunterstützung in den Reaktionsbehälter transportiert wird. Der Produktaustrag erfolgt in Form einer Mischung mit dem Reaktionswasser zunächst in einen Abkühlbehälter und nach weiterer Kühlung in ein Absetzbecken, danach werden Kohlepartikel aus dem Reaktionswasser ausgesiebt. Das Verfahren weist keine integrierte Trocknung des Produkts auf. Eine gezielte Sedimentabsetzung und eine horizontale Vermischung von in Umwandlung befindlicher Biomasse sind nicht angesprochen.
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Beschreibung
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Die noch nicht verbreitete Nutzung der Erkenntnisse von Bergius ist neben dem bis jetzt noch nicht gegebenen Handlungsbedarf zweifelsfrei auch durch den unbefriedigenden Stand bei der Überleitung der wissenschaftlichen Erkenntnisse der hydrothermalen Karbonisierung in die industriell nutzbare Verfahrenstechnik und bei der Entwicklung der diesbezüglichen Vorrichtungen bedingt.
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Das Ziel der Erfindung ist die Erschließung der Vielzahl denkbarer Einsatzstoffe durch Verbesserung des Standes der Technik bei der Umwandlung, insbesondere spezifisch großvolumiger organischer Einsatzstoffe, bevorzugt solcher mit hohem Wassergehalt, durch hydrothermale Karbonisierung, bei der die Einsatzstoffe durch Dehydratisierung und Decarboxylierung hauptsächlich in Kohle, Humus, Dünger und Wasser, also in standardisierbare Wert-, Einsatz-, Hilfs- und Brennstoffe mit hohem Gebrauchswert, z. B. hoher Verbrennungswärme und niedrigem Wassergehalt umgewandelt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein vereinfachtes kontinuierliches Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere eine hohe Effizienz in Bezug auf die Wärme- und Wasserwirtschaft des Prozesses erzielt.
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Erfindungsgemäß werden dazu insbesondere
- • eine Druckerhöhung zum Zwecke des Einbringens der Einsatzstoffe in Druckgefäße,
- • eine Anhebung der Kohlenstoffkonzentration der Einsatzstoffe in einem Wasserbad unter prozessbedingten Temperaturen und Drücken,
- • eine Entwässerung und Trocknung der karbonisierten Produkte und
- • eine Rückgewinnung der mit den Rohstoffen eingetragenen pflanzlichen Nährstoffe und des Wassers
vorgeschlagen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein kontinuierliches Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, worin
- • in einer ersten Prozessstufe die Förderfähigkeit der Biomasse durch Auffüllen zumindest ihres Lückenvolumens mit Abwasser aus den nachfolgenden Prozessstufen unmittelbar vor der Erhöhung des Druckes im wesentlichen auf den Druck der nachfolgenden Prozessstufe von wenigstens 5 bar hergestellt und unmittelbar nach der Druckerhöhung und vor dem Eintrag der Biomasse in die zweite Prozessstufe, die Karbonisierung, maximal soviel Wasser aus dem Prozess abgeführt wird, wie in den nachfolgenden Prozessstufen der Karbonisierung und Trocknung vom Einsatzstoff abgetrennt wurde und darüber hinaus in die erste Prozessstufe zugeführtes Wasser als Kreislaufwasser im Prozess verbleibt,
- • der Einsatzstoff in der zweiten Prozessstufe, der Karbonisierung, in drei Prozessschritten unter Abspaltung von Wasser bei einem Druck von mindestens 5 bar und maximal Siedewassertemperatur des Wassers in ein karbonisiertes Produkt umgewandelt wird, wobei der Einsatzstoff in einem ersten Prozessschritt durch Kondensation des in der Prozessstufe selbst entstehenden Wasserdampfes vorgewärmt und chemisch aufgeschlossen und im zweiten Prozessschritt in einem unter maximal Siedebedingungen arbeitendem Wasserbad mit einem Druck von mindestens 5 bar durch Abspaltung des chemisch gebundenen Wassers in das karbonisierte Produkt umgewandelt wird, das sich im dritten Prozessschritt der zweiten Prozessstufe zumindest teilweise als wasserhaltiges Sediment absetzt,
- • der Einsatzstoff in der zweiten Prozessstufe vor allem durch Schwerkraft vertikal transportiert und der sich in Umwandlung befindliche Einsatzstoff durch Entnahme und teilweiser wieder Zuführung von Wasser aus dem bzw. in den zweiten Prozessschritt vorzugsweise horizontal umgewälzt wird,
- • die Füllhöhe des Wasserstandes zur Realisierung des zweiten Prozessschrittes der zweiten Prozessstufe, der Karbonisierung, geregelt wird durch die Wiederzuführung des Wassers in die Prozessstufe,
- • das Kondensat aus dem ersten Prozessschritt dem zweiten Prozessschritt zufließt
- • die in der zweiten Prozessstufe anfallenden Permanentgase zwischen der ersten und zweiten Prozessstufe aus dem Verfahren abgeführt werden,
- • im zweiten Prozessschritt entstehender und im ersten Prozessschritt nicht kondensierender überschüssiger Dampf zwischen dem ersten und zweiten Prozessschritt aus der Prozessstufe entnommen und dem zweiten Prozessschritt der Prozessstufe zugeführt oder aus der Prozessstufe zum Zwecke der externen Nutzung abgeführt wird,
- • das Sediment aus dem dritten Prozessschritt der zweiten Prozessstufe unter Flashverdampfung von Restwasser aus der zweiten Prozessstufe ausgetragen und der dritten Prozessstufe, einer mit Dampf beheizten Trocknung, bei der die Trocknung in Dampfatmosphäre erfolgt, zugeführt und aus dieser als Endprodukt in Form von marktfähiger Kohle mit Wassergehalten von kleiner 25 Masse-% ausgetragen wird.
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Das wesentliche Wirkprinzip der vorliegenden Erfindung liegt in einem erhöhten Feststoffproduktaustrag aus dem Prozess bei gleichzeitigem Erhalt einer möglichst großen Menge an erhitztem Wasser in der Karbonisierungsreaktion bzw. im Karbonisierungsreaktor.
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In der ersten Prozessstufe, der Druckerhöhung der eingesetzten Biomasse, wird erfindungsgemäß die Förderfähigkeit der Biomasse in bezug auf die für den Druckaufbau eingesetzten Vorrichtung vorzugsweise eine Förderpumpe, bevorzugs eine Dichtstoffpumpe, durch Auffüllen mindestens ihres Lückenvolumens mit heißem Abwasser aus den nachfolgenden Prozessstufen, verbessert. Durch die Wasserzugabe wird somit die Fließfähigkeit und die Kompressibilität bzw. Inkompressibilität der eingesetzten Biomasse verbessert. Die Wasserzugabe erfolgt erfindungsgemäß vor der Erhöhung des Druckes auf den Druck der nachfolgenden Prozessstufe, welcher technisch sinnvollerweise bei wenigstens 5 bar liegt.
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Nachdem der derart aufgefüllte Einsatzstoff mit Druck beaufschlagt wurde, wird Wasser wieder abgetrennt, um den Karbonisierungsreaktor nicht mit einer zu großen Menge an in Verhältnis zur Reaktionstemperatur kälterem Wasser zu beladen. Von diesem Wasser wird maximal soviel aus dem Prozess abgeführt, wie in den nachfolgenden Prozessstufen (Karbonisierung und Trocknung) von der Biomasse abgetrennt wurde. Somit entspricht die zwischen der ersten und zweiten Prozessstufe aus dem Prozess abgeführte Wassermenge maximal der Differenz der mit dem Einsatzstoff eingetragenen und dem Endprodukt ausgetragenen Wassermenge.
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In der zweiten Prozessstufe, der Karbonisierung, bildet die Biomasse üblicherweise eine Schüttschicht. Biomassen deren Dichte größer als die von Wasser bilden jedoch keine Schüttschicht und versinken im Wasserbad. Die Karbonisierungsstufe, in welcher die Biomasse unter Abspaltung von Wasser bei einem Druck von mindestens 5 bar und maximal Siedewassertemperatur in ein karbonisiertes Produkt umgewandelt wird, kann erfindungsgemäß im wesentlichen in drei Prozessschritte unterteilt werden. Im ersten Schritt, einer Vorwärmung, wird die Biomasse durch Kondensation des in der zweiten Prozessstufe selbst entstehenden Wasserdampfes vorgewärmt und chemisch aufgeschlossen und im zweiten Schritt, der eigentlichen Karbonisierungsreaktion, in einem bevorzugt unter Siedebedingungen arbeitendem Wasserbad mit einem Druck von mindestens 5 bar durch Abspaltung des chemisch gebundenen Wassers in das karbonisierte Produkt umgewandelt, welches man erfindungsgemäß im dritten Schritt, der Sedimentation, als Sediment absetzen läßt.
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Die Temperatur der Karbonisierungsreaktion liegt erfindungsgemäß maximal bei der Siedetemperatur unter dem gewählten Druck. Der gewählte Druck liegt bei oder über dem Sattdampfdruck der mit der gewählten Reaktionstemperatur korrespondiert. Die Reaktionstemperatur entspricht mindestens der für die Umsetzung der Biomasse erforderlichen Mindesttemperatur kann jedoch auch darüber liegen.
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Der Stofftransport in der zweiten Prozessstufe erfolgt vor allem durch Schwerkraft, d. h. vertikal, wodurch sich eine Hauptströmungsrichtung vom Edukteintrag zum Produktaustrag in die dritte Prozessstufe, die Trockung, ergibt. Zur Vermeidung der Bildung eines festen Bodenkörpers aus Sediment, welcher sich hindernd auf den Produktaustrag in die dritte Prozesstufe auswirken kann, wird der sich in Umwandlung befindliche Einsatzstoff durch Entnahme und zumindest teilweise Wiederzuführung von Wasser aus dem bzw. in den zweiten Schritt der zweiten Prozessstufe horizontal umgewälzt. Der Ort und die Art und Weise der Wasserentnahme ist dabei unkritisch, während die Zuführung des Wassers vorteilhaft im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung liegt, d. h. von Edukteintrag zu Produktaustrag, der zweiten Prozessstufe erfolgt, um die vertikale Durchmischung der karbonisierenden Biomasse gering zu halten.
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Erfindungsgemäß wird der Wasserstand im Reaktor zur Realisierung des zweiten Prozessschrittes der zweiten Prozessstufe, der Karbonisierung, durch Entnahme von Wasser oder ggf. auch durch die Wiederzuführung von Wassers in die Prozessstufe geregelt. Die genannte Wasserentnahme oder -zufuhr ermöglicht eine besonders einfache Steuerung bzw. Kontrolle des Wasserstands.
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Der Druck des nicht wieder zugeführten Wassers wird bevorzugt durch Flashverdampfung auf annähernd Umgebungsdruck abgesenkt und das Wasser danach zweckmäßig der ersten Prozessstufe zugeführt oder aus dem Prozess abgeführt.
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Als energetisch vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Verfahrensführung erweist sich, daß das Kondensat aus dem ersten Prozessschritt (der Vorwärmung) dem zweiten Prozessschritt (der Karbonisierungsreaktion) der zweiten Prozessstufe zufließt.
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Erfindungsgemäß kann das Wärmegleichgewicht des zweiten Prozessschrittes (der Karbonisierungsreaktion) der zweiten Prozessstufe Karbonisierung durch die Wiederzuführung des für die horizontale Umwälzung entnommenen Wassers und erforderlichenfalls durch Zugabe von externem Heizdampf, der in der Prozessstufe unter Wärmeabgabe kondensiert, erhalten werden.
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Die in der zweiten Prozessstufe anfallenden Gase werden zwischen der ersten Prozessstufe und dem ersten Prozessschritt (Vorwärmung) der zweiten Prozessstufe aus dem Verfahren abgeführt.
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Das Endprodukt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann z. B. in Form von marktfähiger Kohle mit Wassergehalten von kleiner 30 Masse-%, vorzugsweise kleiner 15 Masse-% vorliegen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der mit Dampf beheizten Trocknung der dritten Prozessstufe eine mechanische Entwässerung vorgeschaltet. Vorteilhaft wird dabei nur das bei der mechanischen Entwässerung anfallende Konzentrat in die mit Dampf beheizte Trocknung eingebracht und das Filtrat entweder der ersten Prozessstufe vor der Druckerhöhung zugeführt und nach Abgabe eines Teiles seiner fühlbaren Wärme vor der zweiten Prozessstufe wieder abgeführt und danach einer Aufbereitung oder direkt einer Verwertung, gegebenenfalls nach Aufkonzentration durch Verdunstung oder Eindampfung, zugeführt.
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Weiterhin kann vorteilhaft der Flashdampf aus der Drucksenkung des der zweiten Prozessstufe nicht wieder zugeführten Wassers und/oder des wasserhaltigen Sediments sowie der bei der Trocknung entstehende Dampf isotherm mit Heizdampfkondensat aus der Trocknung oder mit prozessinternem Wasser gewaschen und danach komprimiert oder in einem Kraftprozess unter Abgabe von technischer Arbeit entspannt werden, wobei die Druckstufen der Kompression zweckmäßig bestimmt werden von dem für die Beheizung des Trockners und für die Direkteinspeisung des Heizdampfes in die zweite Prozessstufe erforderlichen Druck.
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Zur weiteren Verbesserung der Wärme- und Wasserbilanz des Verfahrens wird vorteilhaft das in der isothermen Wäsche der Flash- und Trocknungsdämpfe anfallende Wasser, ggf. nach vorgeschalteter Reinigung von Verunreinigungen, wie Stäuben, entweder der ersten Prozessstufe vor der Druckerhöhung zugeführt und nach Abgabe eines Teiles seiner fühlbaren Wärme vor der zweiten Prozessstufe wieder abgeführt und danach einer Aufbereitung oder direkt einer Verwertung, gegebenenfalls nach Aufkonzentration durch Verdunstung oder Eindampfung, zugeführt wird und ggf. die abgetrennten Verunreinigungen aus dem Prozess abgeführt werden.
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Der wirtschaftliche Vorteil der Erfindung ist eine optimale Energie- und minimale Wasserbilanz der hydrothermalen Karbonisierung, die resultiert aus der erfindungsgemäßen Verfahrensführung, die bei einer hochwertigen, für die Substitution von fossiler Kohle erforderlichen, marktüblichen Qualität des Endprodukts zusätzlich die Verwertung der überschüssigen Energie aus der exothermen Karbonisierung sowohl intern für die Produkttrocknung mit Hilfe der Dampfkompression nach dem Wärmepumpenprinzip, als auch bevorzugt extern durch Expansion des Dampfes auf Umgebungstemperaturniveau, z. B. zum Zwecke der Gewinnung von Elektroenergie aus dem Prozessabdampf, erreicht wird.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird mithilfe von 1 an einem Ausführungsbeispiel beschrieben:
Der Einsatzstoff sollen Holzhackschnitzel mit einem Trockengutanteil von 50 Masse-% und einer Kantenlänge von maximal 30 × 20 × 20 mm sein.
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Dem Schüttgutsilo 1 werden 2000 kg/h Holzhackschnitzel, entsprechend einer Energieleistung von 5155 kW, über die Fördereinrichtung 2 mit Umgebungstemperatur entnommen und der ersten Prozessstufe, bestehend aus dem Aufgabetrichter 3, der Dichtstoffpumpe 4 und der Wasserabtrennung 5, zugeführt.
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Die Pumpfähigkeit des Einsatzstoffes wird hergestellt, indem das Lückenvolumen des Einsatzstoffes mit 2000 kg/h prozessinternem Abwasser, das der isothermen Flashdampfwäsche 19 entnommen wurde, im Aufgabetrichter 3 aufgefüllt wird. Der Feststoffanteil des Einsatzstoffes vor der Pumpe 4 sinkt damit auf 25 Masse-%. Der Einsatzstoff wird so auf eine Temperatur von mehr als 50°C vorgewärmt.
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Die Dichtstoffpumpe 4 hebt den Druck des Einsatzstoff-Wassergemisches auf 25 bar und fördert dieses zum ersten Prozessschritt 7 der zweiten Prozessstufe über die Wasserabscheidung 5, in der ca. 1300 kg/h Prozesswasser 30 abgeschieden und aus dem Prozess, z. B. unter Gewinnung der im Prozess gelösten Nährstoffe des Einsatzstoffes als Dünger 32, über eine Eindickung 33, die durch Abgabe von Brüden 31 erreicht wird, abgeführt werden.
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Über die Schüttgutaufgabe 6 gelangt der vorgewärmte Einsatzstoff mit einem Feststoffgehalt von 37 Masse-% in den ersten Prozessschritt 7 der zweiten Prozessstufe, die unter einem Druck von 20 bar arbeitet und in der der Feststoff mitgeführtes Wasser abgibt, das dem zweiten Prozessschritt 9 zufließt und in dem der Einsatzstoff durch aus dem zweiten Prozessschritt 9 aufsteigenden und kondensierenden Sattdampf auf die für hydrothermale Karbonisierung erforderliche Temperatur, in diesem Beispiel 210°C, erwärmt wird.
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Der im ersten Prozessschritt 7 vorgewärmte Einsatzstoff bildet eine Schüttschicht 8, die durch Schwerkraft in das Wasserbad des zweiten Prozessschrittes 9 sinkt, wo er unter einem Druck von 20 bar und Siedetemperatur des Wassers unter Abscheidung des größten Teiles seines chemisch gebundenen Wassers und Bildung von Permanentgasen, wie Kohlendioxid, die über 15 aus dem Prozess abgeführt werden, unter Abgabe von Wärme karbonisiert wird.
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Das karbonisierte Produkt setzt sich im dritten Prozessschritt 10 als Sediment ab und wird von dort über 11 mechanisch und geregelt unter Flashverdampfung eines Teiles des Sedimentwassers in den Trockner 34 ausgetragen.
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Der Wärmehaushalt der zweiten Prozessstufe wird unter annähernd isothermen Reaktionsbedingungen im zweiten Prozessschritt aufrechterhalten durch die Entnahme von Prozesswasser 16 aus dem zweiten Prozessschritt, durch die Zirkulation 13 und die Zugabe von Dampf 27 über die Dampfzuführung 14 und die Zirkulation von Prozesswasser 12 mit Siedetemperatur.
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Das über 11 aus der zweiten Prozessstufe in die Trocknung 34 der dritten Prozessstufe geförderte Sediment wird dort indirekt mithilfe dampfbeheizter Flächen, unter Bildung von Heizdampfkondensat 28, unter geringem Überdruck in einer Dampfatmosphäre getrocknet. Die beim Sedimentaustrag 11 und bei der Trocknung 34 entstehenden Sattdämpfe 17 und 18 sowie der Flashdampf des aus der zweiten Prozessstufe über 16 entnommene Wassers werden in der Dampfwäsche 19 isotherm bei geringem Überdruck mit dem bei der Trocknung anfallenden Heizdampfkondensat 36 oder Prozesswasser 16 gewaschen.
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Der mit einem Druck von etwas mehr als Umgebungsdruck anfallende gewaschene Dampf 20 wird in 21 auf den für die Realisierung der dritten Prozessstufe erforderlichen Heizdampfdruck komprimiert, durch Einspritzung von Heizdampfkondensat in 24 enthitzt und danach den Heizflächen der Trocknung über 25 zugeführt.
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Für die Realisierung der dritten Prozessstufe nicht benötigter Flashdampf kann erfindungsgemäß in einer Expansion 22 unter Abgabe von technischer Arbeit auf Umgebungstemperaturniveau entspannt und in einer Kondensation 23 verflüssigt und danach dem Prozess entweder wieder zugeführt oder aus dem Prozess abgeführt werden, wobei das hier abgeführte Wasser den Wasseraustrag über 30 entsprechend reduziert.
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Bei bestehendem Heizbedarf in der zweiten Prozessstufe kann erfindungsgemäß in 21 komprimierter Dampf nach der Enthitzung in 24 einer zweiten Kompressionsstufe 26 zugeführt und dort auf den für die Einspeisung in die zweite Prozessstufe über 14 erforderlichen Druck komprimiert werden.
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Im Beispiel ist das Endprodukt ein Braunkohlebrennstaub ähnliches Produkt, das über 35 aus dem Prozess mit einem Massestrom von ca. 700 kg/h, Wassergehalt von ca. 15 Masse-% und einem Heizwert von 4.925 kW ausgetragen wird.
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Der energetische Wirkungsgrad der chemischen Umwandlung beträgt im Beispiel mehr als 95%.