DE102007022840A1

DE102007022840A1 - Verfahren zur Kühlung und Vorwärmung einer Anlage zur hydrothermalen Carbonisierung von Biomasse

Info

Publication number: DE102007022840A1
Application number: DE102007022840A
Authority: DE
Original assignee: Suncoal Industries GmbH
Current assignee: Suncoal Industries GmbH
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-05-11
Publication date: 2008-12-24

Abstract

Zur Steuerung der Reaktorinnentemperatur eines Reaktors zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen hydrothermalen Carbonisierung von Biomasse wird dem Reaktor geregelt Wasserdampf entnommen. Der Wasserdampf kann anschließend zur Vorwärmung der Biomasse verwendet werden. Zur effizienten Einbringung des Dampfes kann zwischen einem Vorwärmer und dem Reaktor eine Druckerhöhung erfolgen. Die Wasserdampfentnahme kann über druck- oder temperaturgesteuerte Ventile erfolgen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Vorwärmung von Biomasse und Kühlung einer Reaktion zur hydrothermalen Carbonisierung (HTC) von Biomasse, wobei einem HTC-Reaktor über wenigstens ein druck- oder temperaturgesteuertes Ventil Wasserdampf entnommen wird, welcher anschließend für die Vorwärmung genutzt werden kann.
Stand der Technik
Die Reaktion der hydrothermalen Carbonisierung wandelt in einer exothermen Reaktion zwischen etwa 180°C und 210°C Biomasse in Humus oder Kohle und Wasser um. Um eine vollständige Umwandlung der Biomasse zu erreichen, muss diese vorgewärmt werden, während der anschließenden Reaktion muss das oben genannte Temperaturfenster etwa vier Stunden lang eingehalten werden, anschließend muss die Temperatur zwischen vier und sieben Stunden konstant auf 180°C gehalten werden. Bei Unterkühlung reagiert die Biomasse nur teilweise, bei Überhitzung entstehen ungewünschte Nebenprodukte.
Diese Reaktion wurde erfolgreich in einem Batchreaktor erprobt, der dazu in einem Ofen auf die minimale Reaktionstemperatur durch Konvektion erwärmt und anschließend durch Konvektion gekühlt wurde. Eine konvektive Vorwärmung und Kühlung erlaubt nur kleine Abmessungen im Versuchsmaßstab, da die Kontrollmöglichkeiten der Reaktortemperatur durch die konvektive Wärmezu- und -abfuhr über die erforderliche Zeitspanne limitiert sind.
Neben Batchprozessen wird in der Fachliteratur weiterhin vorgeschlagen, die Reaktion in einer kontinuierlichen Anlage zu realisieren, welche aus einem Vorwärmer, einem Reaktor, einem Nachbereiter und weiteren Teilen besteht. Da die Wärmeleitfähigkeit von Biomasse sehr gering ist, besteht die Gefahr einer lokalen Überhitzung bei der Vorwärmung der Biomasse bzw. einer lokalen Überhitzung oder Unterkühlung bei der Kühlung der Reaktion wenn die Wärmezu- und -abfuhr über Wärmeübertrager bzw. Heiz- und Kühlschlangen realisiert wird. Die Geometrie des Reaktors ist weiterhin durch die Ausführung der Wärmeübertrager eingeschränkt. Die entstehende Reaktionswärme kann darüber hinaus nicht zur vollständigen Vorwärmung der Biomasse verwendet werden, da der Temperaturbereich in dem die Reaktion erfolgt zu klein ist, um die für eine Wärmeübertragung mit kompakten Wärmeübertragern notwendigen Temperaturdifferenzen bereit zu stellen.
Aufgabenstellung und erfindungsgemäße Lösung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Lösung zur wirtschaftlichen Durchführung der hydrothermalen Carbonisierung von Biomasse zu finden und dabei die bekannten Nachteile der Prozessführung mit Hilfe von Heiz- bzw. Kühlschlangen zu eliminieren.
Erfindungsgemäß wird die notwendige Gleichmäßigkeit bei der Vorwärmung der Biomasse, der Kühlung während des Umwandlungsprozesses und der Temperaturhaltung während der Nachbereitung – und damit eine effiziente Reaktionssteuerung – dadurch erreicht, dass eine geregelte Dampfentnahme aus dem Reaktor erfolgt und dieser Dampf anschließend zur Vorwärmung der Biomasse in den Vorwärmer sowie zur Temperaturhaltung in den Nachbereiter eingebracht wird.
In Anspruch 1 wird die Steuerung der Innentemperatur eines HTC-Reaktors durch die druckgeregelte bzw. temperaturgeregelte Entnahme von Wasserdampf über z. B. ein oder mehrere Ventile aufgezeigt. Der Druck wird dazu im Reaktor so eingestellt, dass die Siedetemperatur von Wasser der gewünschten Reaktorinnentemperatur entspricht. Die während der Reaktion freiwerdende Wärme wird so zur Verdampfung von Wasser aufgewendet und in Form von Wasserdampf aus dem Reaktor abgeführt. Das oder die Ventile werden vorzugsweise oben am Reaktor angebracht sein. Sollte der Wasserdampf nach der Entnahme nicht sofort weiter verwendet werden können, so kann er in einer entsprechenden Vorrichtung zwischengespeichert werden.
Anspruch 2 zeigt auf, wie der Dampf nach der Entnahme zur Vorwärmung der Biomasse in den Vorwärmer und/oder zur Temperaturhaltung in den Nachbereiter eingebracht wird. Dazu muss der Dampf, wenn der Druckunterschied zwischen dem Punkt der Entnahme und dem Punkt der Einbringung zu gering ist, komprimiert werden. Die Einbringung kann zum Beispiel über ein oder mehrere Ventile realisiert werden, welche – z. B. durch eine Temperaturmessung im Vorwärmer bzw. Nachbereiter gesteuert – öffnen, wenn die gewünschte Temperatur nicht erreicht ist und den Dampf einströmen lassen und wieder schließen sobald die gewünschte Temperatur erreicht ist. Das oder die Ventile werden vorzugsweise unten am Vorwärmer bzw. Nachbereiter angebracht. Der Duck im Vorwärmer und Nachbereiter ist vorzugsweise so zu wählen, dass der eingebrachte Wasserdampf kondensiert und seine Wärme an die Biomasse abgibt.
Anspruch 3 zeigt auf wie der Wasserdampf ohne zusätzliche Kompression in den Vorwärmer und/oder Nachbereiter eingebracht werden kann. Dazu wird vorzugsweise eine Druckerhöhung (z. B. durch eine Extruderschnecke) zwischen Vorwärmer und Reaktor vorgesehen. Der Druck im Vorwärmer wird so eingestellt, dass die Siedetemperatur von Wasser oberhalb der Starttemperatur der Reaktion von etwa 180°C liegt. Der durch z. B. ein oder mehrere Ventile eingebrachte Dampf kondensiert und gibt seine Wärme an die Biomasse ab. Das oder die Ventile können z. B. über eine Temperaturmessung im Vorwärmer angesteuert werden. Das oder die Ventile öffnen, wenn die gewünschte Temperatur nicht erreicht ist und lassen Dampf einströmen und schließen wieder, sobald die gewünschte Temperatur erreicht ist. Zwischen Reaktor und Nachbereiter kann zusätzlich eine Druckabsenkung z. B. durch eine Drossel realisiert werden. Der Druck im Nachbereiter wird so eingestellt, dass die Siedetemperatur von Wasser oberhalb der zu haltenden Temperatur liegt. Der eingebrachte Dampf kondensiert und gibt seine Wärme an die Biomasse ab. Das oder die Ventile können z. B. über eine Temperaturmessung im Nachbereiter angesteuert werden. Das oder die Ventile öffnen, wenn die gewünschte Temperatur nicht erreicht ist und lassen Dampf einströmen und schließen wieder, sobald die gewünschte Temperatur erreicht ist. Das oder die Ventile werden vorzugsweise unten am Vorwärmer bzw. Nachbereiter angebracht.
Anspruch 4 zeigt auf, dass das oben genannte Verfahren für eine kontinuierliche Betriebsführung einer HTC-Anlage angewandt werden kann.
Anspruch 5 zeigt auf, dass das oben genannte Verfahren für eine diskontinuierliche Betriebsführung einer HTC-Anlage angewandt werden kann.
Anspruch 6 zeigt auf, dass das oben genannte Verfahren für eine Kombination aus kontinuierlicher und diskontinuierlicher Betriebsführung einer HTC-Anlage angewandt werden kann. So kann zum Beispiel die Vorwärmung der Biomasse kontinuierlich erfolgen, während die Reaktion und/oder die Nachbereitung in einem Batchreaktor stattfinden.
Anspruch 7 zeigt auf, dass das oben genannte Verfahren auch für mehrere Anlagen verwendet werden kann, die parallel betrieben werden. Werden mehrere kontinuierliche Anlagen parallel betrieben, so kann der entnommene Dampf auf eine zentrale Dampfschiene gespeist und von dort zur Vorwärmung und Nachbereitung für dieselbe Anlage oder die anderen parallel betriebenen Anlagen wieder abgezogen werden. Werden mehrere diskontinuierliche Anlagen parallel betrieben und durchlaufen sie asynchron die Betriebszustände Vorwärmung, Reaktion und Nachbereitung, so kann der aus dem Reaktor einer HTC-Anlage entnommene Wasserdampf zur Vorwärmung oder Nachbereitung in einer der anderen HTC-Anlagen eingesetzt werden.
Anspruch 8 zeigt auf, dass zur Steuerung der Reaktorinnentemperatur ein druckgesteuertes Ventil verwendet werden kann, welches periodisch oder kontinuierlich Wasserdampf aus dem Reaktor abzieht und dadurch den Innendruck so einstellt, dass die Siedetemperatur des Wassers im Reaktor mit der gewünschten Reaktorinnentemperatur übereinstimmt.
Anspruch 9 zeigt auf, dass dieses Ventil auch über eine Temperaturmessung im Reaktor angesteuert werden kann und bei Überschreiten der gewünschten Reaktorinnentemperatur periodisch oder kontinuierlich Dampf abzieht.
Anspruch 10 zeigt auf, dass die Druck- und Temperaturregelung auch kombiniert werden kann damit die Reaktorinnentemperatur noch besser steuerbar wird.
Ausführungsbeispiel
Eine Anlage für die hydrothermale Carbonisierung von Biomasse, kurz HTC-Anlage, umfasst als Hauptbestandteile (1) einen Reaktor (4), einen Vorwärmer (1) und einen Nachbereiter (9). Der Reaktor (4) ist so ausgebildet, dass in ihm ein Reaktorinnendruck herrschen kann, der über einem Umgebungsdruck liegt. Der Innendruck des Vorwärmers (1) und/oder des Nachbereiters (9) kann geringer sein als der Reaktorinnendruck, dem Umgebungsdruck entsprechen oder darüber liegen. Dann wird zwischen dem Vorwärmer (1) und dem Reaktor (4) eine Einrichtung zur Druckerhöhung (5) bzw. zwischen dem Reaktor (4) und dem Nachbereiter (9) eine Vorrichtung zur Druckminderung (11) vorgesehen. An dem Reaktor ist mindestens ein Ventil angebracht, über das in dessen geöffnetem Zustand z. B. Wasserdampf aus dem Inneren des Reaktors nach außen entweichen kann, wie weiter unten näher erläutert ist.
Im kontinuierlichen Betrieb einer HTC-Anlage (1) wird der Vorwärmer (1) mit Biomasse (2) befüllt. Die Biomasse wird unter anderem durch das Einbringen von Dampf durch ein Ventil (3) auf die minimale Reaktionstemperatur von etwa 180°C erwärmt und in den Reaktor (4) gefördert. Zwischen Vorwärmer und Reaktor ist die Einrichtung zur Druckerhöhung (5) vorgesehen, um eine Druckerhöhung zwischen Vorwärmer (1) und Reaktor (4) zu realisieren. Während der hydrothermalen Carbonisierung von Biomasse wird aus dem Reaktor durch mindestens ein Ventil (6) Dampf (7) entnommen und so der Reaktorinnendruck so eingestellt, dass der Reaktor durch die Verdampfung von Wasser gekühlt wird. Der Innendruck wird also so gewählt, dass die Verdampfungstemperatur von Wasser der gewünschten Reaktorinnentemperatur entspricht. Der entnommene Dampf (7) wird ganz oder teilweise im Kreis geführt und wieder in den Vorwärmer (1) eingebracht. Zusätzlich kann der Dampf zur Temperaturhaltung in den Nachbereiter (9) durch ein Ventil (10) eingebracht werden. Zwischen Reaktor (4) und Nachbereiter (9) ist eine Vorrichtung zur Druckminderung (11) vorgesehen. Zusätzlich kann eine Vorrichtung (8) zur Zwischenspeicherung des Dampfes vorgesehen werden. Durch die Druckerhöhung zwischen Vorwärmer (1) und Reaktor (4) ist es möglich, den Dampf ohne eine Kompression direkt dem Vorwärmer zuzuführen. Durch die Druckminderung zwischen Reaktor (4) und Nachbereiter (9) ist es möglich, den Dampf ohne eine Kompression direkt dem Nachbereiter zuzuführen.
Im diskontinuierlichen Betrieb der HTC-Anlage (2) wird die Biomasse (1) im Reaktionsbehälter (2), der sowohl als Vorwärmer, Reaktor als auch als Nachbereiter dient, unter anderem durch das Einbringen von Dampf (3) auf die minimale Reaktionstemperatur erwärmt. Durch die einsetzende Reaktion findet eine selbständige Weitererhitzung des Reaktors statt. Aus dem Reaktor wird durch mindestens ein Ventil (4) Dampf (5) entnommen und dadurch der Reaktorinnendruck so eingestellt, dass der Reaktor durch die Verdampfung von Wasser gekühlt wird. Der Innendruck wird also so gewählt, dass die Verdampfungstemperatur von Wasser der gewünschten Reaktorinnentemperatur entspricht. Der entnommene Dampf wird ganz oder teilweise im Kreis geführt und wieder zur Vorwärmer verwendet. Dazu wird eine Vorrichtung (6) zur Zwischenspeicherung des Dampfes vorgesehen. Werden mehrere Reaktionsbehälter parallel betrieben, so kann für alle Reaktionsbehälter Dampf aus der Speichervorrichtung entnommen bzw. zugeführt werden.
Die Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur (3) des Reaktors (1) kann durch ein druckgesteuertes Ventil (2) realisiert werden. Der Öffnedruck des Ventils wird durch eine Steuerung so eingestellt, dass die Siedetemperatur von Wasser der gewünschten Reaktorinnentemperatur entspricht. Durch Freisetzung von Reaktionswärme verdampft Wasser innerhalb des Reaktors, der Druck steigt an, das Ventil öffnet und lässt Wasserdampf (3) entweichen. Durch die resultierende Druckabsenkung im Reaktor sinkt auch die Temperatur. Wird der Solldruck wieder unterschritten, schließt das Ventil. Die Wasserdampfentnahme kann auch kontinuierlich erfolgen, wenn die Entnahmemenge so dosiert wird, dass der Reaktorinnendruck um den Sollwert schwankt. Die freigesetzte Reaktionswärme wird auf diese Weise zur Verdampfung von Wasser aufgewendet und dem Reaktor entzogen.
Alternativ kann die Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur (4) des Reaktors (1) auch so ausgeführt werden, dass die Steuerung des Ventils (3) über eine Temperaturmessung erfolgt. Die Ventilsteuerung ist dann entsprechend mit einem Temperatursensor zum Erfassen der Reaktorinnentemperatur verbunden. Sobald die gewünschte Reaktorinnentemperatur überschritten wird, bewirkt die Ventilsteuerung ein Öffnen des Ventils und es wird so lange Wasserdampf (3) entnommen bis die gewünschte Reaktorinnentemperatur wieder unterschritten ist. Das Ventil schließt wieder. Die Wasserdampfentnahme kann auch kontinuierlich erfolgen, wenn die Entnahmemenge so dosiert wird, dass die Reaktorinnentemperatur um den Sollwert schwankt.

Claims

Verfahren zur effizienten Betreibung einer HTC-Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionswärme aus dem Reaktor in Form von Wasserdampf abgeführt wird und so die Reaktorinnentemperatur gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der entnommene Wasserdampf komprimiert wird und dann in den Vorwärmer und/oder in den Nachbereiter eingebracht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Vorwärmer und/oder im Nachbereiter niedriger als im Reaktor ist und der entnommene Wasserdampf ohne Kompression in den Vorwärmer und/oder in den Nachbereiter eingebracht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die HTC-Anlage kontinuierlich betrieben wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die HTC-Anlage diskontinuierlich betrieben wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die HTC-Anlage mit einem Verfahren betrieben wird das kontinuierliche und diskontinuierliche Prozessschritte aufweist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mehrere HTC-Anlagen parallel betrieben werden und Wärme in Form unterschiedlicher Aggregatzustände des Prozesswassers zwischen zwei oder mehr parallel arbeitenden Anlagen durch Rohre mit dem Ziel einer weiteren Verbesserung der Energiebilanz abgeleitet bzw. zugeführt wird.
Vorrichtung zur hydrothermalen Carbonisierung (HTC) von Biomasse mit einer HTC-Anlage, gekennzeichnet durch ein steuerbares Ventil welches angeordnet und ausgebildet ist, bei einem vorgegebenen Reaktorinnendruck ein Ablassen von Dampf aus dem Reaktor zu bewirken, sowie einer Steuerung, die mit einem Drucksensor zum Erfassen des Reaktorinnendrucks verbunden und ausgebildet ist, das steuerbare Ventil in Abhängigkeit des erfassten Druckes so anzusteuern, dass der Reaktorinnendruck einen maximalen Reaktorinnendruck nicht überschreitet, welcher dem Siededruck von Wasser bei der gewünschten Reaktorinnentemperatur entspricht, wobei der Reaktorinnendruck über die Entnahme von Wasserdampf aus dem Reaktor gesteuert wird.
Vorrichtung zur hydrothermalen Carbonisierung (HTC) von Biomasse mit einer HTC-Anlage, gekennzeichnet durch ein steuerbares Ventil welches angeordnet und ausgebildet ist, bei einem vorgegebenen Reaktorinnendruck ein Ablassen von Dampf aus dem Reaktor zu bewirken, sowie eine Steuerung, die mit einem Temperaturmesssensor zum Erfassen der Reaktorinnentemperatur verbunden und ausgebildet ist, das steuerbare Ventil in Abhängigkeit der erfassten Temperatur so anzusteuern, dass die Reaktorinnentemperatur eine maximale Reaktorinnentemperatur nicht überschreitet, wobei die Reaktorinnentemperatur über die Entnahme von Wasserdampf aus dem Reaktor gesteuert wird.
Vorrichtung zur hydrothermalen Carbonisierung (HTC) von Biomasse mit einer HTC-Anlage, gekennzeichnet durch eine Kombination der in Anspruch 8 und 9 beschriebenen druck- und temperaturbasierten Steuerung der Reaktorinnentemperatur mit dem Ziel, das Temperaturfenster der Reaktorinnentemperatur weiter einzuengen.