DE29913370U1 - Plant for the treatment of solids in supercritical water - Google Patents
Plant for the treatment of solids in supercritical waterInfo
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Description
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH ANR 5661498Research Center Karlsruhe GmbH ANR 5661498
Karlsruhe, den 28. Juli 1999 PLA 994S Rü/heKarlsruhe, 28 July 1999 PLA 994S Rü/he
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Behandlung von Feststoffen in überkritischem Wasser gemäß dem Oberbegriff des ersten Schutzanspruchs.The invention relates to a plant for the treatment of solids in supercritical water according to the preamble of the first claim.
Eine solche Anlage ist beispielsweise aus der DE 31 18 348 C2 bekannt. Der Reaktor dieser Anlage kann mit pumpbaren Flüssigkeiten, aber auch mit Feststoffen betrieben werden. Werden Feststoffe eingesetzt, sollen die Feststoffe vorzugsweise zerkleinert und aufgeschlämmt werden. Als Fördereinrichtung für die Stoffe, mit dem der Reaktor beschickt wird, dient eine Pumpe, die vor dem Eingang des Reaktors angeordnet ist. Fördereinrichtungen im Reaktionsraum werden nicht beschrieben. Bei dieser Anlage besteht die Gefahr, daß sich Feststoffe an den Wänden des Reaktionsraums ablagern.Such a system is known, for example, from DE 31 18 348 C2. The reactor of this system can be operated with pumpable liquids, but also with solids. If solids are used, the solids should preferably be crushed and slurried. A pump, which is arranged in front of the reactor entrance, serves as a conveying device for the substances with which the reactor is fed. Conveying devices in the reaction chamber are not described. With this system, there is a risk that solids will settle on the walls of the reaction chamber.
Aus der US 5,461,648 ist eine Anlage zur Behandlung von Feststoffen in überkritischem Wasser bekannt, die einen Reaktor mit Förderschnecke zum Transport der Feststoffe und eine Phasentrennvorrichtung am Ausgang des Reaktors aufweist.From US 5,461,648 a plant for the treatment of solids in supercritical water is known, which has a reactor with a conveyor screw for transporting the solids and a phase separation device at the outlet of the reactor.
Aufgabe der Erfindung ist, eine weitere Anlage der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die mit Feststoffen beschickt werden kann und bei der die Gefahr, daß sich die Feststoffe an den Wänden des Reaktionsraumes ablagern, minimiert ist. Die Anlage soll eine besonders wirksame Phasentrennung ermöglichen.The object of the invention is to propose a further plant of the type mentioned at the beginning, which can be fed with solids and in which the risk of the solids being deposited on the walls of the reaction chamber is minimized. The plant should enable a particularly effective phase separation.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des ersten Schutzanspruchs beschriebene Merkmal gelöst. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Anlage ist im Unteranspruch beschrieben.The object is achieved according to the invention by the feature described in the characterizing part of the first claim. A preferred embodiment of the system is described in the subclaim.
Erfindungsgemäß wird eine Anlage zur Behandlung von Feststoffen vorgeschlagen. Als Feststoffe können im Prinzip sämtliche Stoffe oder Stoffgemische eingesetzt werden, die mit überkritischem Wasser in eine gewünschte Form überführt oder deren Energiege-According to the invention, a plant for the treatment of solids is proposed. In principle, all substances or mixtures of substances that can be converted into a desired form using supercritical water or whose energy content
halt durch Behandlung mit überkritischem Wasser genutzt werden kann wie z. B. Schad- oder Abfallstoffe. Bevorzugt wird die Beschickung der Anlage mit Biomasse, insbesondere mit Abfallbiomasse, die in überkritischem Wasser vergast und zu energetisch nutzbaren Stoffen wie Wasserstoff oder Methan umgesetzt werden kann.content can be used by treating it with supercritical water, such as pollutants or waste materials. The preferred method is to feed the plant with biomass, particularly waste biomass, which can be gasified in supercritical water and converted into energetically usable substances such as hydrogen or methane.
Als Reaktor wird bevorzugt ein doppelwandiger, rohrförmiger Autoklav eingesetzt, dessen äußere Reaktorwand das drucktragende Teil ist. Der Reaktionsraum ist mit einer Förderschnecke ausgerüstet, die die kontinuierliche und konstante Förderung der Feststoffe bewirkt und Ablagerungen der Feststoffe an der Wand des Reaktionsraums verhindert.The preferred reactor is a double-walled, tubular autoclave, the outer reactor wall of which is the pressure-bearing part. The reaction chamber is equipped with a screw conveyor, which ensures the continuous and constant conveyance of the solids and prevents deposits of the solids on the wall of the reaction chamber.
Zur Vergasung von Biomasse kann das homogenisierte Beschickungsgut mit einer Hochdruckpumpe oder einem Extruder auf den für die Einstellung überkritischer Bedingungen erforderlichen Druck, beispielsweise auf 250 bar, komprimiert und in den Reaktionsraum gefördert werden. Da es sich bei Biomasse um ein kaum komprimierbares Gemisch handelt, ist die dafür erforderliche Kompressionsarbeit gering.To gasify biomass, the homogenized feed material can be compressed with a high-pressure pump or an extruder to the pressure required to set supercritical conditions, for example to 250 bar, and then conveyed into the reaction chamber. Since biomass is a mixture that is hardly compressible, the compression work required is low.
Mit der Förderschnecke wird die Biomasse durch den Reaktionsraum in Richtung auf den Produktausgang bewegt. Dabei entsteht ein Gasgemisch, das aus Wasserstoff und Methan mit verschiedenen Beimischungen, beispielsweise Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, besteht. Unter bestimmten Bedingungen kann die damit verbundene Volumenvergrößerung zu einem unerwünschten lokalen Druckanstieg führen. Diesem Druckanstieg kann begegnet werden, wenn eine Förderschnecke eingesetzt wird, deren Schrittweite sich in Richtung vom Eingang zum Ausgang des Reaktionsraums vergrößert. Der Reaktor wird vorzugsweise aufsteigend aufgestellt, so daß eine Akkumulation von gasförmigen Produkten, insbesondere am Reaktoreingang, vermieden wird.The screw conveyor moves the biomass through the reaction chamber towards the product outlet. This creates a gas mixture consisting of hydrogen and methane with various admixtures, such as carbon monoxide and carbon dioxide. Under certain conditions, the associated increase in volume can lead to an undesirable local increase in pressure. This increase in pressure can be counteracted by using a screw conveyor whose step size increases in the direction from the inlet to the outlet of the reaction chamber. The reactor is preferably installed in an ascending position so that an accumulation of gaseous products, particularly at the reactor inlet, is avoided.
Die zur Erreichung der für die überkritischen Bedingungen erforderliche Reaktionstemperatur wird in an sich bekannter WeiseThe reaction temperature required to achieve the supercritical conditions is determined in a known manner
durch eine elektrische Heizung oder durch die Zufuhr einer geringen Menge an Oxidationsmittel zur Oxidation der Biomasse eingestellt, wobei das Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, reiner Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid, vorzugsweise in den mittleren Teil des Reaktors der vorgewärmten Biomasse zugeführt wird.by an electric heater or by supplying a small amount of oxidizing agent to oxidize the biomass, wherein the oxidizing agent, for example air, pure oxygen or hydrogen peroxide, is preferably supplied to the middle part of the reactor of the preheated biomass.
Der Reaktor ist in der Weise konstruiert, daß im Reaktionsraum ein Temperaturgradient in Richtung auf den Ausgang eingestellt und aufrechterhalten werden kann, so daß am Ausgang die höchste Temperatur, vorzugsweise ca. 6000C, herrscht. Dadurch läßt sich die Biomasse vollständig in die erwähnten Gase, Mineralsäuren und gegebenenfalls Salze umsetzen. Die Gase sind in dem überkritischen Wasser vollständig löslich. Die Dichte des Wassers beträgt unter diesen Bedingungen etwa 0,06 g/ml. Die Löslichkeit von Salzen ist dabei vernachlässigbar gering. Die ausfallenden Salze werden durch die Förderschnecke in Richtung auf den Produktausgang gefördert, an dem sich vorzugsweise eine Einrichtung, etwa ein Phasentrenngefäß, zur Trennung fester von flüssiger Phase befindet.The reactor is designed in such a way that a temperature gradient can be set and maintained in the reaction chamber in the direction of the outlet, so that the highest temperature, preferably around 600 ° C, prevails at the outlet. This allows the biomass to be completely converted into the gases, mineral acids and, if necessary, salts. The gases are completely soluble in the supercritical water. The density of the water under these conditions is around 0.06 g/ml. The solubility of salts is negligible. The precipitated salts are conveyed by the conveyor screw in the direction of the product outlet, which preferably has a device, such as a phase separation vessel, for separating the solid phase from the liquid phase.
Das Phasentrenngefäß ist vorzugsweise ebenfalls ein Autoklav mit einem ausreichenden Durchmesser, um die Fließgeschwindigkeit des Reaktionsgemisches soweit herabzusetzen, daß eine vollständige Feststoffsedimentation gewährleistet ist. Am Ende des Reaktionsraumes fallen die Feststoffe, gegebenenfalls unterstützt durch eine Abschabvorrichtung für die Förderschnecke, in den unteren Teil des Phasentrenngefaßes. Das überkritische Fluid bestehend aus den Gasprodukten und Wasser verläßt kontinuierlich den oberen Teil des Phasentrenngefaßes. Dieser obere Teil des Phasentrenngefaßes wird ebenfalls auf einer Temperatur von 6000C gehalten, während die Temperatur im unteren Teil des Phasentrenngefaßes je nach Zusammensetzung des Feststoffs, insbesondere entsprechend der Zusammensetzung und Löslichkeit der entstehenden Salze, gegebenenfalls auch auf unterkritische Werte (Temperaturen unterhalb von 374°C) eingestellt werden kann. In diesem Fall werden dort die entstehenden Salze in der konden-The phase separation vessel is preferably also an autoclave with a diameter sufficient to reduce the flow rate of the reaction mixture to such an extent that complete sedimentation of solids is ensured. At the end of the reaction chamber, the solids fall into the lower part of the phase separation vessel, optionally assisted by a scraping device for the conveyor screw. The supercritical fluid consisting of the gas products and water continuously leaves the upper part of the phase separation vessel. This upper part of the phase separation vessel is also kept at a temperature of 600 0 C, while the temperature in the lower part of the phase separation vessel can be set to subcritical values (temperatures below 374 ° C) depending on the composition of the solid, in particular the composition and solubility of the salts formed. In this case, the salts formed are condensed there.
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sierten Phase zum Teil aufgelöst. Zum Abspülen dieses Teils des Phasentrenngefäßes kann ein kleiner Teil der schon komprimierten, wäßrigen Produktphase nach der Gasabtrennung genutzt werden .ized phase is partially dissolved. A small part of the already compressed, aqueous product phase after gas separation can be used to rinse this part of the phase separation vessel.
Die Salze werden in fester oder gelöster Form periodisch aus dem unteren Teil des Phasentrenngefäßes ausgetragen. Der Zeitpunkt für die Salzentfernung aus dem Phasentrenngefäß kann durch eine entsprechende Meßvorrichtung bestimmt oder, bei salzarmen Feststoffen, aufgrund der Feststoffmenge und ihrer Zusammensetzung abgeschätzt werden.The salts are periodically discharged from the lower part of the phase separation vessel in solid or dissolved form. The time for salt removal from the phase separation vessel can be determined by an appropriate measuring device or, in the case of low-salt solids, estimated based on the amount of solids and their composition.
Das von Ausfällungen gereinigte überkritische Fluid vom oberen Teil des Phasentrenngefäßes kann direkt oder gegebenenfalls nach Durchleiten durch einen Festbettkatalysator für den Wärmetausch genutzt werden. Zu diesem Zweck wird der Zwischenraum des doppelwandigen Reaktionsraumes Richtung vom Produktausgang zum Feststoff eingang vom Fluid durchströmt,, wobei das Fluid seinen Wärmeinhalt an den Reaktionsraum abgibt. Die Flußgeschwindigkeit des Fluidstroms ist hoch zu wählen, um den Abtransport der gasförmigen Produkte und des nun unterkritischen Wassers zu gewährleisten und eine Akkumulation von Gasen im oberen Teil des Zwischenraums zu vermeiden. Der Wärmetausch kann durch Vergrößerung der Oberfläche des Zwischenraums durch Einbauten wie z. B. Kühlrippen verbessert werden.The supercritical fluid from the upper part of the phase separation vessel, which has been cleaned of precipitates, can be used for heat exchange directly or, if necessary, after passing through a fixed bed catalyst. For this purpose, the fluid flows through the space between the double-walled reaction chamber in the direction from the product outlet to the solids inlet, whereby the fluid releases its heat content to the reaction chamber. The flow rate of the fluid stream must be high in order to ensure the removal of the gaseous products and the now subcritical water and to avoid an accumulation of gases in the upper part of the space. The heat exchange can be improved by increasing the surface area of the space by installing fittings such as cooling fins.
Der auf unterkritische Temperaturen abgekühlte Fluidstrom kann einem Gas/Fluid-Phasenseparator zugeführt werden. Das Produktgasgemisch läßt sich in komprimierter Form weiterverwenden. Die wäßrige Phase aus der Gas/Fluid-Trennung kann, gesteuert von einer Niveaukontrolle, abgeleitet und an anderen Prozeßstellen weiterverwendet werden.The fluid stream cooled to subcritical temperatures can be fed to a gas/fluid phase separator. The product gas mixture can be reused in compressed form. The aqueous phase from the gas/fluid separation can be drained off and reused at other process points, controlled by a level control.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to figures.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm für eine Ausführungsform der Anlage. Fig. 1 shows a block diagram for an embodiment of the system.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Anlage schematisch dargestellt. An embodiment of the system is shown schematically in Fig. 2.
Die Anlage besteht aus einem doppelwandigen, schräggestellten Reaktor 1, der mit einer Förderschnecke 2 ausgerüstet ist. Über eine Pumpe 3 wird der Feststoff in den Reaktionsraum 4 verbracht, in dem er über die Förderschnecke 2 weitertransportiert wird. Das Ende des Reaktionsraums, das auf maximaler Prozeßtemperatur gehalten wird, mündet in ein Phasentrenngefäß 5 zur Trennung von fester und flüssiger Phase. Die abgetrennte feste Phase, in der Regel Salz, wird periodisch durch das Absperrventil 6 entfernt. Die abgetrennte flüssige Phase, die aus Wasser und gelösten Gasen besteht, wird durch den Zwischenraum 7 des doppelwandigen Reaktors geführt, wo sie ihre Wärme an den zu behandelnden Feststoff abgibt. Sie wird über die Leitung 8 in eine Gas/Fluid-Phasentrenneinrichtung 9 geleitet, der über das Ventil 10 das Gasprodukt und über das Ventil 11 Wasser entnommen werden kann. Ein Teil des Wassers kann über die Leitung 12, die mit einem weiteren Absperrventil 13 versehen ist, zum Auswaschen der ausgefällten festen Phase im Phasentrenngefäß 5 verwendet werden. The system consists of a double-walled, inclined reactor 1 equipped with a conveyor screw 2. The solid is fed into the reaction chamber 4 via a pump 3, where it is transported further via the conveyor screw 2. The end of the reaction chamber, which is kept at the maximum process temperature, opens into a phase separation vessel 5 for separating the solid and liquid phases. The separated solid phase, usually salt, is periodically removed through the shut-off valve 6. The separated liquid phase, which consists of water and dissolved gases, is led through the intermediate space 7 of the double-walled reactor, where it gives off its heat to the solid to be treated. It is led via line 8 into a gas/fluid phase separation device 9, from which the gas product can be removed via valve 10 and water via valve 11. Part of the water can be used via line 12, which is provided with a further shut-off valve 13, to wash out the precipitated solid phase in the phase separation vessel 5.
Claims (2)
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| DE29913370U DE29913370U1 (en) | 1999-07-30 | 1999-07-30 | Plant for the treatment of solids in supercritical water |
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