DE102007062808A1

DE102007062808A1 - Vorrichtung zur Behandlung von Fest-/Flüssiggemischen

Info

Publication number: DE102007062808A1
Application number: DE102007062808A
Authority: DE
Inventors: Dominik Peus
Original assignee: Individual
Current assignee: Antacor Ltd Mt
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2008-07-17
Also published as: EP3800233A1; NZ578521A; AU2007340905B2; BRPI0721240A2; EP2106435A4; JP2014074171A; WO2008081407A3; EP2106435B1; CA3031475A1; CA3031475C; ZA200905190B; WO2008081410A3; CN107460017A; WO2008081408A3; JP2010514881A; DE102007062809B4; CN101679893A; EA200900892A1; SG177926A1; WO2008081407A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Fest-/Flüssiggemischen, insbesondere von Biomasse, mit mindestens einem Reaktor zur Aufnahme des Fest-/Flüssiggemisches. Die Vorrichtung weist mindestens eine Einrichtung zur Bearbeitung des Fest-/Flüssiggemisches auf, wobei der Reaktor mindestens einen Druckbehälter und mindestens eine Vorrichtung zur Fest-Flüssig-Trennung umfassen kann.

Description

Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Fest-/Flüssiggemischen, insbesondere von Biomasse, mit mindestens einem Reaktor zur Aufnahme des Fest-/Flüssiggemisches.
Hintergrund
Das Grundprinzip der so genannten hydrothermalen Karbonisierung im Labormaßstab wurde erstmals im Juli 2006 von Prof. Markus Antonietti vom Potsdamer Max-Planck-Institut für Kolloid und Grenzflächenforschung vorgestellt. Bei diesem Verfahren wird Biomasse in einem Laborautoklaven bei 10 bar und 180 Grad innerhalb eines halben Tages in einen kohleähnlichen Stoff oder deren Vorstufen und Wasser umgewandelt.
Biomasse umfasst im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen nachwachsende Rohstoffe, die als heimische Energieträger langfristig verfügbar sind, sowie alle flüssigen und festen organischen Stoffe und Produkte biologischer und biochemischer Vorgänge und deren Umwandlungsprodukte, die für dieses Verfahren einen ausreichend hohen Kohlenstoffanteil besitzen und auch sonst in Ihrer Zusammensetzung und Beschaffenheit zu wirtschaftlich nutzbaren Reaktions-, Zwischen-, Neben und Endprodukten durch das erfindungsgemäße Verfahren einschließlich Brennstoffen verarbeitet werden können. Zum Beispiel zählen zu den Ausgangsstoffen Kohlenhydrate, Zucker und Stärken, land- und forstwirtschaftliche Erzeugnisse, auch speziell angebaute Energiepflanzen (schnell wachsende Baumarten, Schilfgräser, Getreideganzpflanzen u. ä.), Soja, Zuckerrohr und Getreidestroh sowie biogene Rest-, Abfallstoffe und Nebenprodukte, Pflanzen und Pflanzenreste anderer Herkunft (Straßenbegleitgrün, Landschaftspflegegut u. ä.), landwirtschaftliche Abfälle einschließlich Stroh, Zuckerrohrblätter, Abputzgetreide, unverkäufliche Partien an Kartoffeln oder Zuckerrüben, verdorbene Silagepartien sowie sonstige Futterreste, Rasenschnittgut, Getreidestroh, Rübenblatt, Zuckerrohrblätter, kohlenstoffhaltige Rest- und Abfallstoffe einschließlich Biomüll, heizwertreiche Fraktionen von Haus- und Gewerbeabfällen (Restmüll), Klärschlamm, verschiedene Holzarten und -klassen einschließlich Waldholz, Bauholz, Paletten, Altmöbel, Sägemehl, Reste und Abfälle aus der Ernährungsindustrie einschließlich Küchen- und Speiseabfälle, Abfallgemüse, Altfette sowie Papier und Zellstoff, Textilien insbesondere aus Naturfasern und natürlichen Polymeren und tierische Exkremente einschließlich Gülle, Pferdemist und Geflügelkot.
Bei der Behandlung von Fest-/Flüssiggemischen wie beispielsweise Biomasse unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen müssen die Reaktoren, in denen die Behandlung erfolgt, besondere Merkmale aufweisen. So muss die innere Oberfläche des Reaktors aufgrund der extremen Bedingungen korrosionsbeständig oder mit einer entsprechenden Beschichtung versehen sein. Darüber hinaus sollte eine Einrichtung zur Durchmischung des Fest-/Flüssiggemisches vorhanden sein.
Aus der DE 197 23 510 C1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Behandlung biogener Restmassen bekannt, die einen zylindrischen Reaktor umfasst, in dem Lebnsmittelabfälle und Ähnliches einer Temperatur-Druck-Hydrolyse unterzogen werden. Der Reaktor ist als Schlaufenreaktor mit beheizbarer Mantelfläche ausgebildet. Mittels einer Pumpe wird innerhalb des Reaktors eine Strömung erzeugt, die eine Durchmischung der Suspension gewährleistet.
Beschreibung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine effiziente Behandlung von Fest-/Flüssiggemischen im industriellen Maßstab ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die mindestens eine Einrichtung zur Bearbeitung des Fest-/Flüssiggemisches umfasst.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Reaktor aus einem zylindrischen Grundkörper besteht und/oder druckfest ausgebildet ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Reaktor einen kegelförmigen Boden aufweist, der mit der Reaktorachse einen Winkel von maximal 45 Grad, bevorzugt kleiner 40 Grad, besonders bevorzugt kleiner 35 Grad, bildet.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Innenraum des Reaktors, insbesondere die Boden- beziehungsweise Wandteile, aus hitze- und korrosionsbeständigem sowie wasserabweisendem Material zum Beispiel aus beschichtetem Metall, insbesondere Edelmetall oder keramischen Werkstoffen bestehen. Vorzugsweise sind der Innenraum des Reaktors, insbesondere im Boden- beziehungsweise Wandbereich, sowie Armaturen und andere mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommenden Teile ganz oder teilweise oberflächenbehandelt und/oder mit einem Beschichtungsstoff beschichtet, der Anbackungen oder Ablagerungen von Bestandteilen des Reaktionsgemischs verhindert oder verringert. Der Beschichtungsstoff kann vorzugsweise korrosionsfeste, verschleißarme und/oder wasserabweisende Materialien, insbesondere metallische oder keramischen Werkstoffe und Legierungen, bevorzugt aus Chrom, Nickel, Molybdän, Titan, Aluminium, Niobium sowie aus den Stoffen Silicium, Eisen, Cobalt, Wolfram, Bor und Kohlenstoff und besonders bevorzugt aus Titan-Aluminium-Verbindungen, umfassen. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Beschichtungsstoff mittels eines Beschichtungsverfahrens, bevorzugt durch Plattierung, besonders bevorzugt durch ein Flammspritzverfahren wie zum Beispiel das High-velocity oxy-fuel (HVOF)-Verfahren, aufgebracht wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Innenraum des Reaktors mindestens ein Membranteil angeordnet ist. Dieses Membranteil kann in Abständen von weniger als 10 mm, vorzugsweise weniger als 6 mm, besonders bevorzugt weniger als 4 mm, von Löchern durchsetzt sein. Wenn das Membranteil als Blech ausgebildet ist, kann man es aufgrund der Löcher auch als Membranblech bezeichnen. Vorzugsweise sind mehrere Membranteile im Reaktor vorgesehen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Durchmesser der Löcher in dem Membranteil geringer als 400 μm, vorzugsweise geringer als 100 μm, besonders bevorzugt geringer als 35 μm, ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Löcher in dem Membranteil trichterförmig ausgebildet sind.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem durchlöcherten Membranteil und der Reaktorwand mindestens ein Hohlraum vorhanden ist. Das Membranteil kann dabei mit der Reaktorwand derart verbunden sein, dass der Hohlraum in voneinander getrennte Bereiche unterteilt ist. Bei einer solchen Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn mindestens ein Bereich des Hohlraums mit einer Eintrittsöffnung und mindestens ein anderer Bereich des Hohlraums mit einer Austrittsöffnung versehen sind. Die Verbindung zwischen dem Membranteil und der Reaktorwand kann beispielsweise durch punkt- oder linienförmiges Verschweißen erfolgen, wobei die nicht miteinander verschweißten Bereiche dann durch Einpressen eines hydraulischen Fluids voneinander getrennt werden können, so dass zwischen der Eintritts- und Austrittsöffnung eine Leitung entsteht, durch die beispielsweise eine Kühlflüssigkeit geleitet werden kann, wie in der US-A-4 700 445 beschrieben. In diesem Fall kann die Reaktorwand also gleichzeitig als Wärmetauscher genutzt werden.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Reaktorwand doppelwandig ausgeführt ist, wobei zwischen einer inneren Wandschicht und einer äußeren Wandschicht mindestens ein Hohlraum angeordnet ist. Dabei können die beiden Wandschichten derart miteinander verbunden sein, dass der Hohlraum in voneinander getrennte Bereiche unterteilt ist. Mindestens ein Bereich des Hohlraums kann dann vorzugsweise mit einer Eintrittsöffnung und mindestens ein anderer Bereich des Hohlraums mit einer Austrittsöffnung versehen sein. Die Verbindung zwischen den beiden Wandschichten kann beispielsweise durch punkt- oder linienförmiges Verschweißen erfolgen, wobei die nicht miteinander verschweißten Bereiche dann durch Einpressen eines hydraulischen Fluids voneinander getrennt werden können, so dass zwischen der Eintritts- und Austrittsöffnung eine Leitung entsteht, durch die beispielsweise eine Kühlflüssigkeit oder ein Thermoöl geleitet werden kann, wie in der US-A-4 700 445 beschrieben. In diesem Fall kann auch eine doppelwandige Reaktorwand gleichzeitig als Wärmetauscher genutzt werden.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Reaktor ein Kaskaden-, Rohr-, Kreislauf-, Schlaufen- und/oder Rührreaktor, und/oder vorzugsweise ein Membran- und/oder Wirbelschichtreaktor ist. Bevorzugt besitzt mindestens ein Reaktor oder eine Kombination verschiedener Reaktoren mindestens eine Eigenschaft und vorzugsweise Kombinationen verschiedener Eigenschaften eines Kaskaden-, Rohr-, Kreislaufreaktors und bevorzugt eines Schlaufen- oder Rührreaktors oder besonders bevorzugt eines Membran- oder eines Wirbelschichtreaktors. Besonders bevorzugt umfasst mindestens ein Reaktor mindestens ein Membranteil und/oder mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer zirkulierenden Wirbelschicht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Reaktor mit einem Temperierungssystem versehen ist, das vorzugsweise an mindestens eine Steuereinheit angeschlossen ist. Das Temperierungssystem kann in vorteilhafter Weise mindestens einen Einschraubheizkörper, mindestens eine Heiz- und Kühlschlange, mindestens eine auf die Reaktorwand aufgeschweißte Halbrohrschlange, mindestens ein Wärmeaustauschrohr oder eine -platte und/oder mindestens ein Membranteil bzw. gelochtes Boden- und/oder Wandteil umfassen. Das Temperierungssystem kann auch eine Doppelwand beziehungsweise Doppelrohr-Konstruktion des Reaktors umfassen. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können sämtliche im Reaktor von Medien durchströmten Vorrichtungen einschließlich der durchlöcherten Membranteile, Flüssigkeitsstrahlmischer, -pumpen und Düsen Teil des Temperierungssystems sein.
Besonders vorteilhaft im Sinne der Erfindung sind Einrichtungen, die eine im Wesentlichen nicht-mechanische Anordnung aufweisen, d. h. keine oder möglichst wenige mechanische und/oder bewegliche Teile umfassen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung eine Mischvorrichtung zum Durchmischen, Rühren, Aufwirbeln des Reaktorinhalts ist. Der Reaktor kann also auch mit einer Misch-, Rühr-, Aufwirbelungs- und/oder Reinigungsvorrichtung ausgestattet sein. Zum Eintrag kinetischer Energie in den Reaktorinhalt können dabei mechanische Rühr- und Mischsysteme mit und/oder ohne bewegte Teile verwendet werden.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mischvorrichtung ohne bewegliche Teile ausgestattet ist und zum Beispiel mindestens einen Flüssigkeitsstrahlmischer, mindestens eine Flüssigkeitspumpe und/oder mindestens eine Düse umfasst.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mischvorrichtung, insbesondere die Vorrichtungen im Ansaugbereich, derart gestaltet ist, dass die in diesem Bereich auftretenden Turbulenzwirbel und Scherbelastungen die Feststoffe zerkleinern und desagglomerieren.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung eine Zerkleinerungsvorrichtung ist, insbesondere zur Zerkleinerung der festen Inhaltsstoffe im Reaktor, die vorzugsweise mindestens eine Mühle und/oder mindestens einen Häcksler umfasst.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung eine Trocknungsvorrichtung ist, die vorzugsweise mindestens einen Konvektions- oder Kontakttrockner, bevorzugt einen Strom- und/oder Bandtrockner, umfasst.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Prozesswasseraufbereitung während des laufenden Prozesses stattfindet. Die Einrichtung ist dann vorzugsweise eine Prozesswasseraufbereitungsanlage, die vorzugsweise mindestens ein Sieb, einen Filter, einen Hydrozyklon, eine Zentrifuge oder ein kraftfeldunterstütztes Trenngerät umfasst. Dabei dient die Prozesswasseraufbereitung im Wesentlichen der Trennung von Feststoffen aus dem Reaktionsgemisch. Die Prozesswasseraufbereitungsanlage umfasst mindestens ein Prozesswasserreservoir und/oder mindestens ein Fest-Flüssig-Trenngerät. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Prozesswasseraufbereitung mindestens eine Sieb-, Filter-, Zentrifugen-, Hydrozykloneinheit, ein kraftfeldunterstütztes Trenngerät oder eine Kombination derselben umfasst. Die Prozesswasseraufbereitungsanlage kann dabei aus einer Kombination verschiedener oder gleicher Trennvorrichtungen bestehen.
Vorzugsweise umfasst die Prozesswasseraufbereitungsanlage mindestens eine Filteranlage, insbesondere einen Rotationsscheibenfilter, bevorzugt mit Keramikscheibe.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung eine biologische Abwasseraufbereitungsanlage ist, die vorzugsweise mindestens einen Bioreaktor, bevorzugt einen Biomembranreaktor, umfasst. Der Bioreaktor umfasst dabei vorzugsweise mindestens einen Schlaufenrektor.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schlaufenrektor mindestens eine Düse zur Vermischung der gasförmigen und flüssigen Phase umfasst.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schlaufenreaktor ein Rohr umfasst, in dem die Strömung von oben nach unten verläuft.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung eine Luftreinigungsvorrichtung ist, die vorzugsweise mindestens eine Vorrichtung zur Reinigung der Prozess- und/oder Abluft umfasst, insbesondere einen Luftfilter.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Herstellung von Brennstoffen, kohlenstoffhaltigen Werk- und Nutzstoffen, Humus und/oder Maillard- beziehungsweise Maillard-ähnlichen Reaktionsprodukten aus Biomasse.
Unter Behandlung der Biomasse im Sinne der Erfindung werden alle Einwirkungen auf die Biomasse verstanden, die der Umwandlung der Biomasse in die Reaktionsprodukte dienen, insbesondere die Zufuhr von Energie zur Ingangsetzung und Aufrechterhaltung der Umsetzungsreaktion, einschließlich der Behandlung der Biomasse bei einer Temperatur von über 100 Grad Celsius und einem Druck von über 5 bar.
Bearbeitung der Biomasse im Sinne der Erfindung ist die Bearbeitung der Ausgangsstoffe, Reaktions- und/oder Zwischenprodukte in verschiedenen Schritten vor und nach dem chemischen Umsetzungsprozess. Bearbeitung umfasst sämtliche Schritte, Vorgänge und Einwirkungen auf die Reaktionspartner einschließlich der Vorbehandlung und/oder Nachbehandlung.
Unter Vorbehandlung werden alle Einwirkungen verstanden, die bis zum Abschluss des Befüllungsvorgangs des Reaktionsraums und dem Beginn der Zufuhr von Energie zur Ingangsetzung der Umsetzungsreaktion auf die Biomasse einwirken, durch die diese sich von der in der unberührten Natur vorkommenden Biomasse unterscheidet. Insbesondere zählt zur Vorbehandlung auch eine Vorwärmung der Ausgangsstoffe sowie eine Zerkleinerung mit vorwiegender, d. h. mehr als zwei Drittel der Bestandteile des Reaktionsgemischs, Partikelgröße von unter 10 mm innerhalb oder außerhalb des Reaktionsraums.
Aufarbeitung und/oder Konditionierung der Reaktionsprodukte und/oder Nebenprodukte im Sinne der Erfindung umfasst alle Einwirkungen auf die Neben- und/oder Endpro dukte der Umsetzungsreaktion, mittels derer diese in die gewünschte oder erforderliche Form gebracht werden.
Unter Behälter wird ein nach oben offener oder geschlossener Gegenstand verstanden, der in seinem Inneren einen Hohlraum aufweist, der insbesondere dem Zweck dient, seinen Inhalt von seiner Umwelt zu trennen. Ein Behälter, in dem die Umsetzungsreaktion, d. h. die Behandlung der Biomasse, und/oder die Bearbeitung der Biomasse durchgeführt wird, beispielsweise ein Druckbehälter oder ein Reaktor, wird durch einen nach außen abgeschlossenen Reaktionsraum oder Druckbehälterraum gebildet. Reaktionsräume oder Druckbehälterräume werden definiert durch das Vorliegen von räumlichen Bereichen auch innerhalb nur eines Reaktions- oder Druckbehälterraums, in denen messbare voneinander abweichende Reaktionsbedingungen herrschen. Eine abweichende Reaktionsbedingung kommt dabei durch eine konstruktive, mechanische, strömungs- und/oder phasenbedingte, chemische, elektrische, oder elektrochemische oder anders geartete Einwirkung zustande. Die zu diesem Zweck verwendete Vorrichtung geht in der Regel über ein elektrisch betriebenes Rühr- oder Mischsystem mit einer einzigen Welle mit magnetischer Kupplung sowie über eine wandständige Wärmeübertragung einer druckbelasteten glatten Innenseite der äußeren Reaktorwand durch ein mit wenigen Handgriffen trennbares beheiztes Mantelgefäß, das elektrisch betrieben wird, eines Autoklaven für Laborzwecke hinaus. Das Gesamtvolumen der Behälter, in denen die Bearbeitung stattfindet und die gleichzeitig jeweils feste Bestandteile der Anlagen sind, beträgt mindestens 500 Liter wobei mindestens einer dieser Behälter, nicht allein händisch sondern nur mit zusätzlichen Hilfsmitteln zu bewegen ist.
Als Reaktor wird insbesondere ein Behälter bezeichnet, in dem entscheidende Reaktionsschritte stattfinden. Als entscheidende Reaktionsschritte sind insbesondere die Schritte zu verstehen, die zum großen Teil zum Beispiel in einem Temperatur- und Druckbereich ablaufen, der im Durchschnitt vorliegen muss, um mindestens 20 bis 40 Prozent in eins der genannten Reaktionsprodukte umwandeln zu können.
Fest-/Flüssiggemische im Sinne der Erfindung sind alle Suspensionen, Dispersionen und sonstigen dispersen Systeme, einschließlich flüssigkeitshaltiger Feststoffe, insbesondere Biomasse. Die erfindungsgemäße Vorrichtung findet insbesondere Anwendung für solche Fest-Flüssig-Gemische, die während des Reaktionsverlaufs auf physikalischem oder che mischem Wege zur Erhöhung des Gehalts der flüssigen Phase beziehungsweise an Lösungsmittel und/oder zur physikalischen oder chemischen Veränderung des Feststoffs führen, die eine verbesserte Fest-Flüssig-Trennung oder veränderte Verhältnisse mit höheren Feststoffanteilen ermöglichen.
Als Reaktionszyklus, Zyklus oder Reaktion wird die Dauer einer einzelnen Umsetzungsreaktion verstanden, die mit der Einbringung der Ausgangsprodukte in den Reaktionsraum und der Zufuhr von Energie beginnt, die der Ingangsetzung der Umsetzungsreaktion dient. Ein Zyklus dauert vom Start des Reaktionsprozesses bis zum Vorliegen des gewünschten Reaktionsprodukts im Reaktionsgemisch ohne Nachbehandlung oder Konditionierung beziehungsweise bis zur Beendigung des Reaktionsprozesses.
Zu Rühr- oder Mischsystemen zählen Vorrichtungen, die die Energie mechanisch oder mittels Ultraschall, strömungsbedingt, thermisch oder konstruktionsbedingt auf das Reaktionsgemisch übertragen und dadurch eine Bewegung des Reaktorinhalts durch Durch- oder Aufmischen bewirken. Dazu zählt auch die Bewegung des Reaktionsgemischs durch Vorrichtungen wie Pumpen, Flüssigkeitsstrahlmischer, Düsen sowie mechanische und thermische Mischer oder die Führung des Reaktionsgemischs entlang von Druckgradienten.
Eine Anlage besteht aus mindestens zwei Vorrichtungen oder Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mindestens zwei Behälter, davon mindestens ein Reaktor, können in einer Weise miteinander verbunden sein, dass ein Druckausgleich oder die Speicherung von komprimierten Medien realisiert werden kann. Ein fester Bestandteil der Anlage ist eine Vorrichtung beziehungsweise ein Behälter, dann wenn im Falle eines Ausfalls dieses Bestandteils, die Effizienz des Verfahrens insbesondere in wirtschaftlicher Hinsicht um mindestens zwei, bevorzugt um fünf und besonders bevorzugt um mindestens zehn Prozent eingeschränkt ist.
Ein zusammenhängender Prozess liegt vor, wenn Vorrichtungen oder Einrichtungen einer Anlage gemeinsam genutzt werden. In einer solchen Anlage können mehr als 200 Kilogramm Biomasse pro Woche bezogen auf die Trockensubstanz verarbeitet werden. Eine Anlage wird dann gemeinsam genutzt, wenn Vorrichtungen oder Einrichtungen miteinander oder durch Leitungsverbindungen oder räumlich durch Wege miteinander verbunden sind, die einen Austausch von Ausgangs-, Zwischen-, Neben- und Reaktionsprodukten sowie anderen Reaktionsteilnehmern beziehungsweise die gemeinsame Nutzung desselben innerhalb eines Radius von 50 km erlauben.
Der Beginn oder das Einsetzen der Reaktion oder des Reaktionsprozesses ist durch das Erreichen mindestens eines Zielparameters der Reaktionsführung einschließlich Druck oder Temperatur gekennzeichnet, bei denen die Umsetzungsreaktion der hydrothermalen Karbonisierung über einen Zeitraum von mindestens einer Stunde stattfinden kann. Das Ende des Reaktionsprozesses ist durch das kontinuierliche Verlassen mindestens eines der Zielparameter der Reaktionsführung vor der Entleerung des Reaktionsraums charakterisiert.
Reaktions-, Zwischen- oder Nebenprodukte oder -partner im Sinne der Erfindung sind alle festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe, die sich unabhängig von ihrer Aufenthaltsdauer im Reaktionsraum unter Betriebsbedingungen (Druck größer 5 bar, Temperatur größer 100 Grad) befinden oder befunden haben.
Suspensionen und Dispersionen sind beides heterogene Fest-Flüssig-Gemische. Unter Suspension wird ein heterogenes (nicht mischbar) Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und einem Feststoff verstanden. Eine Suspension besitzt mindestens eine feste Phase und mindestens eine flüssige Phase. Zu dispersen Systemen, d. h. binäre Mischungen aus kleinen Partikeln und einem kontinuierlichen Dispersionsmedium, zählen kolloidale Dispersionen, Mizellen, Vesikel, Emulsionen, Gele u. Aerosole wie beispielsweise Anstrichfarben, Emulsionen und Schäume.
Unter Maillard-ähnlichen Reaktionsprodukten werden im Sinne der Erfindung Verbindungen verstanden, die Zwischen-, Neben-, Endprodukte oder Reaktionspartner von Maillard-Reaktionsprodukten sind und über ähnliche chemische, physikalische oder biologische Eigenschaften verfügen können. Zu diesen Verbindungen zählen zum Beispiel die Advanced Glycation Endproducts (AGE) die durch Umlagerung der primären Amadori-Produkte entstehen und weiter zu den Endprodukten der Maillard-Reaktion, den Advanced Glycation Endproducts (AGE) reagieren. Durch Umlagerung und Polymerisation können die AGEs Quervernetzungen mit anderen Proteinen ausbilden. Aufgrund des Entstehungsweges gibt es sehr viele verschiedene und komplexe Formen von AGEs, wobei Nε- (carboxymethyl)Lysin (CML), Furosin und Pentosidin bisher am intensivsten untersucht wurden.
Unter Polytetrafluorethylen(PTFE)-ähnlichen Stoffen werden Stoffe und Verbindungen ähnlicher, verwandter oder nicht-verwandter Klassen verstanden, die mindestens eine oder mehrere Eigenschaften von Polytetrafluorethylen wie zum Beispiel Reaktionsträgheit, sehr geringen Reibungskoeffizienten, sehr niedrige Brechzahl, hohe Wärmebeständigkeit, geringe Haftbeständigkeit von Oberflächen-Verschmutzungen oder glatte Oberfläche besitzen.
Brennstoffe sind Stoffe, die zur Energieerzeugung dienen und beispielsweise mittels thermischer, chemischer, elektrischer oder anderer Verfahren in Energie umgesetzt werden.
Werkstoffe sind Stoffe, die durch Weiterverarbeitung, Behandlung oder Konditionierung in ein Produkt weiterverarbeitet werden oder als Arbeitsgegenstände in ein Endprodukt eingehen.
Beschreibung beispielhafter und bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Reaktor mit weiteren Komponenten einer erfindungsgemäßen Anlage.
2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wandbereich des erfindungsgemäßen Reaktors gemäß 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Reaktor, der in Abhängigkeit von den darin ablaufenden Prozessen, der eingesetzten Menge und Art der Feststoffe und/oder vom gewünschten Reaktionsprodukt unterschiedlich ausgestaltet sein kann. Mindestens einer der erfindungsgemäßen Reaktoren kann beispielsweise ein Kaskaden-, Rohr-, Kreislauf-, Schlaufen-, Membran-, Wirbelschicht- und/oder ein Rührkessel- beziehungsweise Rührkesselreaktor sein oder einzelne Eigenschaften oder eine Kombination verschiedener Eigenschaften dieser Reaktoren aufweisen. Die Wirbelschicht des Reaktors ist vorzugsweise eine zirkulierende. Der erfindungsgemäße Reaktor oder eine Kombination der verschiedenen Reaktoren können für unterschiedliche Behandlungszeitpunkte und Bearbeitungsschritte innerhalb einer Anlage verwendet werden. Weiter sollte der Reaktor aufgrund des erforderlichen Drucks als Druckbehälter ausgelegt sein. Die Auslegung der Druckbehälterform ist von der Prozessführung und von der angewandten Mischtechnik abhängig.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Reaktor als eine Art Multimembran-Wirbelschichtreaktor mit zirkulierender Wirbelschicht ausgebildet. Ein solcher reaktor vereinigt die vorteilhaften Eigenschaften verschiedener Membran- und Wirbelschichtreaktortypen. In diesem Zusammenhang versteht man unter Wirbelschicht eine Schüttung bzw. Ansammlung von Feststoffpartikeln, welche durch eine aufwärtsgerichtete Strömung eines Fluids in einen fluidisierten Zustand versetzt wird. Der Begriff "fluidisiert" weist in diesem Zusammenhang darauf hin, dass die (ehemalige) Schüttung nun Fluidähnliche Eigenschaften aufweist (z. B. die von Wasser). Im Innenraum des erfindungsgemäßen Reaktors befindet sich ein Fest-Flüssig-Gemisch. Die feinkörnige Schüttung des Feststoffs wird aufgewirbelt, wenn sie vom Gas oder von der Flüssigkeit – dem so genannten fluiden Medium – von unten nach oben durchströmt wird. Damit die Feststoffteilchen aufgewirbelt werden, muss das fluide Medium mit einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit hindurchströmen, die von den jeweiligen Reaktionsbedingungen abhängig. Aufgrund der Verwirbelung kann der Feststoff relativ leicht – zum Teil auch kontinuierlich – aus dem Reaktionsraum entfernt werden, wenn die Reaktion abgeschlossen ist. Entsprechend kann auch frischer Feststoff nachgeführt werden. Die Geschwindigkeit des Fluidstroms wird so eingestellt, dass der Feststoff mindestens so aufgewirbelt wird, dass sich eine stationäre Wirbelschicht bildet. Die Fluidgeschwindigkeit in diesem Zustand ist jedoch geringer als die Einzelkorn-Sinkgeschwindigkeit der Partikel. Durch Zusammenlagerung einzelner benachbarter Partikel ist deren Strömungswiderstand höher als der Strömungswiderstand eines einzelnen Partikels. Dies kann zur Ausbildung einer Suspensionsschicht mit definierter Oberfläche führen. Durch das Anlegen höherer Drücke an den Membranteilen kann die Geschwindigkeit des Fluidstroms erhöht werden. Durch den höheren Fluidstrom werden relativ viele Partikel aus der Bodenzone ausgetragen und die obere Schichtgrenze löst sich auf. Ein gewisser Anteil des Feststoffes fällt jedoch noch in der Wirbelschicht wieder in die Bodenzone zurück. Im sogenannten Freiraum oberhalb der dichten Zone bildet sich eine Strömung aus, bei der im relativ breiten Kern der Feststoff als dünne Suspension aufsteigt, während sich direkt am Rand des Reaktors der Feststoff in Clustern mit hoher Geschwindigkeit nach unten bewegt. Durch eine Positionierung der von mindestens vier Flüssigkeitsstrahlmischern, die möglichst gleichmäßig auf den Durchmesser und in möglichst gleichmäßigen vertikalen Abständen verteilt sind, und zusätzliche Mischer, die auch die Flächen unmittelbar oberhalb der Bodenbleche mit erfassen, wird die Ausbildung von Agglomeraten und Schichtgrenzen unterdrückt, so dass eine relativ homogene Aufwirbelung der Partikel erfolgt.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Reaktors, insbesondere bei der Verwendung von Membranteilen, sind u. a.:

1. Die durch die beschleunigten Treib- und Fluidstrahlen erzeugten Turbulenzen führen zu hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen den kontinuierlichen Fluiden und der dispersen festen Phase
2. häufiger Partikel-Partikel-Stoß und auch Partikel-Wand-Stoß
3. intensive Vermischung der Partikel
4. beschleunigter Wärmeaustausch des Reaktionsgemisch mit dem Fluid
5. Minimierung von Ablagerung
6. kontrollierte Dosierung zum Beispiel von Wasser und Reaktanden während des Reaktionsprozesses.

Der erfindungsgemäße Reaktor weist vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften auf.
Der Reaktor besteht aus mindestens einem Druckbehälter und mindestens einer Vorrichtung zur Fest-Flüssig-Trennung und wird daher auch als Membranreaktor bezeichnet. Der Reaktor verfügt über mindestens eine Grob- und/oder eine Feinfiltration oder eine Kombination aus beiden Vorrichtungen, die auch in einer Filtrationsvorrichtung kombiniert werden kann. Mindestens einer der Druckbehälter verfügt über ein Rühr- und/oder Mischsystem, der dadurch als Rührkesselreaktor bezeichnet werden kann. Die Summe aller Reaktionsräume der Druckbehälter oder Reaktoren verfügt über ein Volumen von 0,5 bis 10.000 Kubikmeter, bevorzugt 5 bis 2.000 Kubikmeter und besonders bevorzugt von 50 bis 500 Kubikmeter. Die Summe aller Behältnisse einer Anlage einschließlich der Reakti onsräume der Druckbehälter oder Reaktoren, Silos und Lagerräume verfügt über ein Volumen von 0,5 bis 1.000.000 Kubikmeter, bevorzugt 10.000 bis 700.000 Kubikmeter und besonders bevorzugt von 50.000 bis 500.000 Kubikmeter. Je nach Ausgangsstoff und Biomasse kann der Wasseranteil der Biomasse bis zu 95 Prozent oder mehr des Gesamtgewichts betragen. Aus diesem Grund kann die Integration eines Entwässerungsprozesses, der der Umsetzungsreaktion vorgeschaltet ist, sinnvoll sein. Aufgrund des hohen Feuchtigkeitsgehalt und des geringen Schüttgewichts vieler Biomassen ist die Förderbarkeit begrenzt, so dass der initiale Feststoffanteil im Reaktionsraum etwa zwischen 5 und 30 Prozent liegt. Daher kann der Ertrag des Reaktionsprodukts im einstelligen Prozentbereich bezogen auf das gesamte Reaktionsraumvolumen liegen. Weiter ist der Einsatz relativ großer Reaktionsraumvolumina erforderlich. Dies kann durch eine Zusammenschaltung mehrerer Druckbehälter erfolgen. Durch eine Zusammenschaltung mehrerer Druckbehälter bzw. Reaktoren, zum Beispiel im Sinne einer Kaskade, und/oder die Kombination verschiedener Reaktortypen kann eine günstigere Verweilzeitverteilung und somit höhere Umsätze durch eine verbesserte Steuerung des Prozessablaufs realisiert werden. Gleichzeitig kann den unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Reaktionsphasen und Teilschritte Rechnung getragen werden. Beispielsweise kann in einem Rohrreaktor ein günstigerer Wärmeaustausch stattfinden, in einem Rührkessel beziehungsweise Rührreaktor eine bessere Durchmischung und Rückvermischung. Durch die Aufteilung des Gesamtvolumens des Reaktors auf mehrere Druckbehälter wird die Transportfähigkeit einzelner Anlagenbestandteile einschließlich des Druckbehälters verbessert. Gleichzeitig wird durch die Zusammenschaltung mehrerer Druckbehälter bzw. Reaktoren die Realisierung eines kontinuierlichen oder semikontinuierlichen Prozesses erleichtert. Mindestens ein Druckbehälter zur Aufnahme des in den Reaktoren gebildeten oder enthaltenen komprimierten Prozessgases soll eingesetzt und in die Anlage integriert werden.
Durch die kontinuierliche Abtrennung bzw. den Abzug einzelner Reaktanden wie zum Beispiel Wasser während des Prozessverlaufs kann der Feststoffanteil während des Verfahrens erhöht werden. Der Feststoffgehalt kann von ursprünglich zum Beispiel 15 Prozent auf 20 bis 30 Prozent, bevorzugt auf 31 bis 45 oder und besonders bevorzugt von 46 bis 70 Prozent in Abhängigkeit von der Reaktionsführung ansteigen. Gleichzeitig kann das Volumen pro Reaktor im Reaktionsverlauf abnehmen, schneller umsetzbare Ausgangsstoffe zugeführt werden oder ein höherer Durchsatz bezogen auf des Reaktorvolumen erzielt werden. Weiter ermöglicht eine Schaltung mehrerer Reaktoren in Serie, die vonein ander zum Beispiel durch Ventile getrennt sind, eine gezieltes Befüllen beziehungsweise Nachfüllen einzelner Druckbehälter mit frischen Ausgangstoffen, Reaktanden oder Katalysatoren zwecks Erhöhung der Durchsatzraten. Die Überführung des Reaktionsgemischs von einem in den anderen Druckbehälter findet im Wesentlichen bei Betriebsbedingungen statt. Reaktor sowie alle mit den Reaktanden in Berührung stehenden Oberflächen und Bestandteile der Vorrichtung einschließlich der Armaturen und Rohrleitungen bestehen aus hitzebeständigen und korrosionsfesten Materialien und zwar bevorzugt aus Edelmetall vergleichbar mit den Qualität wie sie für die Membranteile unten beschrieben wurden. Die Wanddicke des Reaktors ist ausgelegt für Drücke zwischen 7 bis 20 bar, bevorzugt für Drücke zwischen 21 bis 30 bar und besonders bevorzugt für Drücke von 30 bis 40 bar sowie für Temperaturen zwischen 160 und 230 Grad Celsius bevorzugt bis 260 Grad Celsius und besonders bevorzugt bis 300 Grad Celsius. Die Temperatur, insbesondere in mindestens einem Druckbehälter, Reaktor oder Anlagenbestandteil, liegt über mindestens zwei Reaktionszyklen hinweg kontinuierlich oberhalb von 40 bis 90 Grad Celsius, bevorzugt von 60 bis 70 Grad Celsius und/oder oberhalb der Siedetemperaturen des Prozesswassers bei einem bar Absolutdruck, so dass ein längerer unmittelbarer und folgenloser händischer Kontakt mit der direkt mit dem Reaktionsgemisch in Berührung stehenden Behälterwand von über einer Minute nur mit Hilfsmitteln, isolierenden Stoffen oder zusätzlichen Vorrichtungen möglich ist
Der erfindungsgemäße Reaktor kann einen senkrecht stehenden zylindrischen Grundkörper umfassen. Der obere Boden ist bevorzugt als Klöpperboden ausgebildet. Es kann im oberen Teil bevorzugt der oberen Hälfte und besonders bevorzugt in den oberen zwei Dritteln eine leicht kegelförmige Form aufweisen mit leicht wachsendem Durchmesser nach unten hin. Der kegelförmige Boden kann einen Winkel zur Reaktorachse von maximal 45 Grad, bevorzugt kleiner 40 Grad und besonders bevorzugt kleiner 35 Grad aufweisen. Die Übergänge zum Beispiel vom Wand- zum Bodenbereich können abgerundet sein, um Störungen des Strömungsflusses zu minimieren. Die Platzierung des Stutzens für die Zufuhr des Reaktionsgemischs kann variabel sein und befindet sich beispielsweise in der oberen Hälfte, bevorzugt im oberen Drittel des Druckbehälters. Besonders bevorzugt kann die Zufuhr über ein Ventil über gemeinsam über den Auslassstutzen stattfinden, der sich etwa im Zentrum des Bodens beziehungsweise Kegelbodens befindet. Die wesentlichen Bauteile und Stutzen des Reaktors werden durch Schweißen miteinander verbunden. Der Deckel wird vorzugsweise angeflanscht. Bei einem vorrangigen Einsatz von Flüssigkeitsstrahlmi scher und Vollstrahldüsen liegt das Verhältnis von Durchmesser zur Höhe etwa bei eins zu zwei bis eins zu drei, bevorzugt bei eins zu vier bis ein zu fünf und besonders bevorzugt bei eins zu fünf bis eins zu sechs.
Ein Membranreaktor ist eine Vorrichtung, die die Kombination mit mindestens einer chemischen Reaktion mit einem Membranverfahren oder einer Fest-Flüssig-Trennung erlaubt. Dabei sind beide Prozesse integral miteinander gekoppelt, so dass Synergien entstehen können. Gleichzeitig können beide Prozesse in einem einzigen Gehäuse oder einer Anlage untergebracht sein. Bei der chemischen Reaktion wird mindestens eine Komponente des Reaktionsgemisches umgesetzt. Durch den Einsatz eines Membranreaktors können Reaktions-, Zwischen-, Neben- und Endprodukten selektiv aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden, Edukte kontrolliert zugegeben oder der Kontakt der Edukte intensiviert werden. Reaktions-, Zwischen-, Neben und Endprodukten und insbesondere Wasser wird durch eine Fest-Flüssig-Trennung kontinuierlich oder in Intervallen aus dem Reaktionsgemisch entfernt. Dadurch lässt sich eine deutliche Umsatzerhöhung erzielen. Auch die Entfernung von gasförmigen Stoffen und insbesondere von gelöstem Sauerstoff kann sowohl für den Reaktionsverlauf als auch für die Verminderung von Korrosionen vorteilhaft sein. Durch die chemische Veränderung der Zusammensetzung und Eigenschaften einschließlich der Dichte insbesondere während der Polymerisationsphase wird die Fest-Flüssig-Trennung erleichtert. Dadurch kann eine höhere Feststoffkonzentration im Reaktionsgemisch erreicht werden. In Abhängigkeit vom Feststoffgehalt und vom Stadium des Umwandlungsprozesses wird das Reaktionsgemisch in einen Schlaufenreaktor überführt. Dabei wird das Reaktionsgemisch durch einen radial innen liegenden Zylinderabschnitt axial in eine erste Richtung und in einem radial außen liegenden Abschnitt axial in eine zweite entgegen gesetzte Richtung strömt. Bei Verwendung eines Schlaufenreaktors kann das innen liegende Rohr zum Beispiel mit Wärmetauscherelementen versehen werden, um den Wärmeaustausch zu beschleunigen und umso größere Reaktordurchmesser zu ermöglichen. Das innen liegende Rohr wird auch als Einsteck- oder Führungsrohr bezeichnet. Der Durchmesser des Führungsrohrs beeinflusst die Reibungs- und Umlenkdruckverluste der Schlaufenströmung. Diese steigt bei abnehmenden Durchmessern und gleicher Länge an. Wird ein zu großer Durchmesser gewählt, kann die Schlaufenströmung zusammenbrechen. Daher sollte der Durchmesser des Einsteckrohrs etwa ein Viertel bis ein Drittel, maximal aber die Hälfte des Durchmessers des Reaktors betragen. Das Führungs rohr soll etwa im Abstand von einem Drittel, bevorzugt von einem Viertel, des Reaktordurchmessers vom Reaktorboden positioniert sein.
Es herrschen reduktive Verhältnisse im Reaktionsgemisch. Aufgrund des sauren Milieus, der Gegenwart korrosiver Stoffe wie Chlor, hoher Temperaturen und Drücke sind die Flächen, die zu Betriebskonditionen mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommen, korrosionsgefährdet. Dadurch können sich insbesondere im langfristigen Betrieb Verschleißerscheinungen insbesondere durch Lochfraßkorrisionen bemerkbar machen. Zur Minimierung von Korrosionen werden in Abhängigkeit vom Durchmesser des Behälters entweder fest installierte Membranteile oder eine fluiddurchlässige Kartusche eingesetzt.
Membranteile bestehen aus durchlöcherten Elementen, vorzugsweise Blechen, die den Transport insbesondere von Gasen und Flüssigkeiten durch das Element ermöglichen. Ebenso besteht die fluid- und gasdurchlässige Kartusche aus durchlöcherten zumeist metallischen Bauteilen, durch die aufgereinigtes Lösungsmittel oder Wasser in den Reaktorraum fließen kann. Ob jeweils ein Membranteil oder eine fluiddurchlässige Kartusche eingesetzt wird, hängt primär vom Durchmesser des jeweiligen Reaktionsgefäßes und den Toleranzen bei der Verarbeitung aber auch von der Form und der Korrosionsbelastung ab. Als mögliche Werkstoffe oder Beschichtungsstoffe beziehungsweise Trägermaterialien kommen Kunststoffe, Metalle, insbesondere Hartmetalle, keramische Werkstoffe und Polytetrafluorethylen und bevorzugt Edelmetalle und besonders bevorzugt, die für die Membranteile genannten Edelmetalle in Frage. Die Beschichtung geht in der Regel über eine herausnehmbare Kartusche aus Polytetrafluorethylen wie sie zum Beispiel bei Autoklaven im Labormaßstab verwendet werden, hinaus. Zum Aufbringen der Beschichtung werden chemische, mechanische, thermische und thermomechanische Verfahren angewandt. Dabei liegen das aufzubringende Material, das Trägermaterial und/oder der Haftvermittler in gasförmiger, flüssiger, gelöster oder fester Form vor. Bevorzugt kommen galvanische oder Flammspritzverfahren wie zum Beispiel das High-velocity oxy-fuel (HVOF)-Verfahren zum Einsatz. Eine Technik zur Aufbringung der Beschichtung ist die Plattierung.
Alternativ oder zusätzlich zur Plattierung kann der Innenraum eines oder mehrer Behälter der Anlage mit einer Kartusche ausgestattet sein. Insbesondere kann die Innenwand des Reaktors mit Membranteilen ausgekleidet werden. Die Kartusche hat zumeist eine zylind rische Form und kann einem Grid, das heißt einer netzähnlichen Struktur, oder Metallstegen aufliegen.
Alternativ wird entweder auf die äußeren oder inneren Edelstahlschichten des Reaktors oder der Kartusche ein Edelstahlmantel, vergleichbar einem Wärmeaustauschplatten-System, mittels Laserschweißung aufgebracht. Der Edelstahlmantel wird durch Innendruck aufgeweitet, wodurch gleichmäßige Hohlräume entstehen. Durch diese Hohlräume wird können dann verschiedene Medien geleitet werden. Diese Medien können auch als Wärmeträger dienen, zu denen hinreichend aufbereitetes Prozesswasser, Frischwasser oder Wasserdampf oder Thermoöl zählen kann.
Um die Druckbelastung des Edelstahlmantels, der dem Reaktorraum zugewandt ist, zu minimieren, werden Vorrichtungen eingesetzt, durch die eine möglichst geringe Druckdifferenz zwischen dem Hohlraum und dem Reaktorraum zustande kommt. Mögliche Druckdifferenzen im Hohlraum können durch Löcher, die mittels Laser in den Edelstahlmantel gebohrt werden verhindert oder minimiert werden. Der Durchmesser und die Form der Löcher entsprechen denen in den Membranteilen oder in der Kartusche. Die Abstände der Löcher sollen so weit wie möglich auseinander liegen, damit möglichst wenig Medium in den Reaktionsraum gelangt.
Die Bohrungen sowohl im Mantel als auch in der Kartusche befinden sich im Abstand von mindestens 10 bis 20 cm, bevorzugt mindestens 60 cm und besonders bevorzugt mindestens 150 cm. Durch den anliegenden Überdruck, der auf dem Mantelkreislauf anliegt, gelangt das Medium durch die Bohrungen in den Reaktorinnenraum oder in den Hohlraum zwischen der Reaktorwand und der Kartusche. Es kann eine Zwangsführung durch die Verbindung einzelner Schweißkreise durch eine Lasernaht erzeugt werden, so dass eine gleichmäßige Verteilung des Temperierungsmediums im Mantel gewährleistet wird. Der Druck, der diesem Temperierungssystem anliegt übersteigt den des Reaktorinnendrucks um bis zu 6 bar. Der Außenmantel der Kartusche liegt direkt der Innenseite des Druckbehälters auf. Alternativ kann sie einem durchlöcherten Grid oder Stegen aufliegen. Die Kartusche weist regelmäßige Bohrungen mit einem Durchmesser von etwa 20 bis 70 Mikrometer auf.
Bei Verwendung von plattierten Blechen kann zusätzlich zur ein- und/oder beidseitigen Plattierung und/oder nach Auftreten von Verschleißerscheinungen ein Innenmantel aufgebracht werden, der mittels eines Schweißverfahrens und bevorzugt mittels Laserschweißung verbunden wird. Zur gleichzeitigen Verwendung des Innenmantels als Temperierungssystem werden Hohlräume wie oben beim Außenmantel der Kartusche erzeugt. Der Innenmantel hat eine Dicke von 1 bis 1,5 mm bevorzugt 1,5 bis 2 mm und besonders bevorzugt von 2 bis 2,5 mm. Druckverluste sind minimal und werden über Anzahl und Größe der Ein- und Austrittsstutzen zusätzlich minimiert.
Die Kartusche oder die Membranteile aus Stahl und vor allem Edelstahl und besonders austenitischen Stählen und besonders bevorzugt aus Stählen zunehmender Chrom- und Molybdängehalte der Gruppen 6, 7 und 8 oder auch Duplexstählen (DIN-Bezeichnungen u. a. 1.4571 (1.4404), 1.4435, 1.4539, 1.4439, 1.4462, 1.4529, 1.4501). Werden beanspruchendere Reaktionsbedingungen gewählt, sind zum Beispiel Kupfer-Nickellegierungen, hoch-molybdänhaltige Nickellegierungen, wie z. B. 2.4610, sowie Titan einzusetzen. Die Wanddicke der Kartusche ist so ausgelegt, dass die Kartusche einem Differenzdruck von 2, bevorzugt 4 und besonders bevorzugt von 6 bar ausgesetzt werden kann.
Besonders im Boden- beziehungsweise Wandbereich kommt es durch Sedimentation und die Wirkung der Schwerkraft zur Ansammlung fester Bestandteile mit der Gefahr von Anbackungen und Verstopfungen. Diese verhindern einen reibungslosen Wärmeaustausch und erschweren den Kontakt der Edukte innerhalb des Reaktionsgemischs, was die Steuerung der Reaktion erschwert. Daher wurden die an diesen Stellen eingesetzten Membranteile speziell bearbeitet, insbesondere im Boden- beziehungsweise Wandbereich mindestens aber im Konusbereich und bevorzugt im unteren Drittel besonders in den Bereichen, in denen es zu Ablagerungen oder Anbackungen kommen kann. Die Bearbeitung dieser Bleche erfolgt beispielsweise durch das Bohren von Löchern in regelmäßigen Abständen, bevorzugt in Abständen von unter 10 mm, bevorzugt von unter 6 mm und besonders bevorzugt unter 4 mm.
Die Löcher in den Membranteilen oder in der Kartusche werden mittels Laser in das Element bzw. Bauteil gebohrt und besitzen Durchmesser zwischen 200 bis 10 Mikrometer, bevorzugt zwischen 100 und 20 Mikrometer und besonders bevorzugt zwischen 50 und 25 Mikrometer. Die Löcher sind vorzugsweise trichterförmig ausgebildet, so dass der Durch messer der Löcher am Austritt mindestens doppelt so groß ist wie am Eintritt. Dadurch wird eine gefächerte Strömung erzielt, die einen optimierten Wärmeübergang ermöglicht. Die Achse der Löcher verläuft fast parallel zur Reaktorachse und/oder senkrecht zur Oberfläche zu den durchlöcherten Membranteilen. Durch die Löcher wird erhitztes oder gekühltes und hinreichend aufbereitetes Prozesswasser, Frischwasser oder Wasserdampf durch einen Überdruck vom Hohlraum in den Druckbehälterinnenraum geleitet. Die Löcher können dabei als Düsen fungieren. Die vorgenannten Flüssigkeiten dienen gleichzeitig als Temperierungs- und Treibmedium. Prozesswasser oder Frischwasser muss zur Durchleitung durch die Löcher beziehungsweise das Wärmeaustauschsystem hinreichend aufbereitet sein. Es werden die Standards bei der Konditionierung angestrebt, die auch für Speisewasser und/oder Kesselwasser gelten.
Zwischen der Reaktorwand und den Membranteilen wird ein zum Reaktorinnenraum abgedichteter Hohlraum belassen, der zur Durchleitung von Lösungsmittel, Wasser oder Wasserdampf dient. Der Überdruck des aus den Bohrungen austretenden Prozesswassers ist stets so hoch, dass ein Eindringen von Reaktionsgemisch verhindert wird. Die Stärke der Membranteile oder Kartuschenwand ist so ausgelegt, dass die Wandstärke den Anforderungen der Druckdifferenzen zwischen der Innen- und Außenseite gerecht wird. Die Membranteile beziehungsweise die Hohlräume, die sie mit der Druckbehälterwand bilden, können in Zonen, die beispielsweise im Konus- oder Bodenbereich eine konzentrische Fläche aufweisen, eingeteilt werden. Diese sind durch unterschiedliche Druckstufen gekennzeichnet. Die unterschiedlichen Druckstufen kommen zum Beispiel durch Ventile oder getrennte Pumpsysteme zustande. Dadurch kann Ablagerungen und Anbackungen durch schwerkraftbedingten Sedimentationen entgegengewirkt werden. Vergleichbare Effekte können bei einheitlichem Druck werden durch angepasste Durchmesser der Löcher erzielt. Beispielsweise können die Durchmesser in den Bereichen mit schweren Sedimentationen größer sein.
Alternativ zur Beschichtung oder Verwendung zusätzlicher Stoffe zur Vorbeugung von Korrosionen kann der Innenraum, insbesondere der Boden beziehungsweise der Konus des Druckbehälters sowie Armaturen und andere mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommenden Teile oberflächenbehandelt sein. Insbesondere wird dies durch eine Verringerung der Oberflächenrauheit erreicht. Alternativ oder zusätzlich werden zur Oberflächenbehandlung nach üblicher Vorbehandlung abtragende Fertigungsverfahren angewandt, bevorzugt elektrochemische Abtragverfahren und besonders bevorzugt wird in einem speziell auf das Material abgestimmten Elektrolyten Metall anodisch abgetragen.
Während der chemischen Umwandlungsreaktion werden etwa 5 bis 34 Prozent der Energie, die im Ausgangsstoff enthalten ist, als Wärme freigesetzt. Diese Energie wird durch Vorrichtungen zum Wärmetausch für andere Prozesse mit Wärmebedarf innerhalb oder außerhalb des Prozesses oder Anlage genutzt. Innerhalb des Prozesses oder Anlage kann die Wärme beispielsweise zur Vorwärmung der Biomasse oder von Reaktionsräumen genutzt werden. Außerhalb des Prozesses oder Anlage kann die Energie zur Beheizung von Räumen, Maschinen oder als Prozesswärme für andere Prozesse eingesetzt werden. Mit Hilfe des Temperierungssystems soll nicht nur die erforderliche Wärmeenergie zur Initiierung des chemischen Umwandlungsprozesses zugeführt werden können, sondern auch die bei der exothermen Reaktion freiwerdende Wärmeenergie abgeführt werden. Dadurch soll der Entwicklung unkontrollierter Hot-Spots und damit auch einem Durchgehen des Reaktors entgegengewirkt werden. Es wird mindestens ein und bevorzugt mehrere oder eine Kombination verschiedener Temperierungssysteme eingesetzt, die mechanisch, elektrisch oder chemisch betrieben werden. Zusätzlich oder alternativ zu den unten genannten Prozesswassersystemen besteht das Temperierungssystem des Reaktors beispielsweise aus einer Doppelwandkonstruktion, einem Einschraubheizkörper, in den Reaktor eingebrachte Heiz- und Kühlschlangen beziehungsweise -rippen oder an der Außenwand aufgeschweißten Halbrohrschlangen. Alternativ oder ergänzend kommt je nach Konstruktionsweise und gewähltem Material zum Beispiel ein Wärmeaustauschplatten-System in Frage. Als Wärmeenergieträger beziehungsweise Temperierungsmedium für durchflossene und zum Reaktorinnenraum geschlossene Temperierungssysteme werden vorzugsweise Prozesswasser und/oder ein Thermoöl verwendet.
Die Kombination, Positionierung, Auslegung und Steuerung des jeweiligen Temperierungssystems ergibt sich aus der Prozessführung und sind insbesondere von der Zusammensetzung der Ausgangsstoffe abhängig. Sämtliche Prozesswassersysteme außerhalb und innerhalb des Reaktors können für den Temperierungsprozess eingesetzt werden. Dies kann zum einen durch externe, das heißt außerhalb des Reaktors gelegene Wärmetauschprozesse und zum anderen durch die Einbringung von temperiertem Prozesswasser als Verdünnungs-, Temperierungs-, Ansaugmedium oder Treibmittel für Mischer, Pumpen und/oder Düsen und/oder als angesaugtes Medium für die Flüssigkeitsstrahl pumpen geschehen. Eine Vermischung von Prozess- und Frischwasser kann ebenfalls einer optimierten Reaktortemperierung dienen. Zusätzlich kann dadurch auch die Prozessführung optimiert werden, indem zum Beispiel die Konzentrationen bestimmter anorganischer Stoffe und Störstoffe gesenkt wird. Vorteilhaft ist die Zuführung eines Temperierungsmediums, insbesondere durch Eindüsen von temperiertem Wasser oder recyceltem Prozesswasser an temperaturkritischen Punkten. Ergänzend wird die Temperierung über die Prozessführung gesteuert. Neben der Kombination von Ausgangsstoffen, pH-Wert, Probenvorbereiten und Katalysatoren ist die zeitversetzte Einbringung von Ausgangsstoffen in Abhängigkeit von ihren Umsetzungseigenschaften ein wesentliches Element der Temperatursteuerung.
Während des Verfahrensverlaufs ändern sich die Viskosität, Dichte und Größe und andere Eigenschaften der Ausgangsstoffe beziehungsweise, des Reaktionsgemischs. Diese Veränderungen sind auf chemische Reaktionen und Strukturveränderungen der kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe, die auch auf die Depolymerisation und später auf die Polymerisation der Ausgangsstoffe zurückzuführen sind. Daraus ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an den Mischvorgang in Abhängigkeit vom Prozessverlauf. Eine möglichst gleichmäßige und homogene Vermischung und/oder Strömungsverteilung ist vom Stadium des Prozesses, von den Ausgangsstoffen, Feststoffkonzentrationen und Anforderungen, die an das Reaktionsprodukt gestellt werden, abhängig. Ein Aufwirbeln beziehungsweise Suspendieren erfolgt kontinuierlich oder intermittierend zwecks Wärmeaustauschs, Intensivierung des Eduktkontakts und zwecks besseren Aufschlusses noch vernetzter zum Beispiel lignocellulosehaltiger Schichten, gleichmäßiger Verteilung der Reaktanden und vor allem des Katalysatorgemischs und Entlüftung des Reaktionsgemischs. Gleichzeitig werden Sedimentationen gelöst, aufgelockert und einer Tromben- sowie Agglomeratbildung wird entgegengewirkt. Insgesamt wird dadurch der Reaktionsverlauf positiv beeinflusst. Das heißt je gründlicher und gleichmäßiger der Mischvorgang, desto schneller der Reaktionsverlauf und desto homogener das Reaktionsprodukt. Es kann beziehungsweise können mindestens ein oder mehrere und insbesondere eine Kombination verschiedener Mischsysteme mit und/ohne bewegliche Teile im Reaktionsraum eingesetzt werden. Als Mischer mit bewegten Teilen im Reaktionsraum können ein oder mehrere oder eine Kombination verschiedener Rührer eingesetzt werden. Der Rührer ist mit mindesten einer und vorzugsweise mit zwei oder mehr Wellen ausgestattet, so dass weitere Rührer über den gleichen Motor und Reaktorzugang angetrieben werden. Ein Vorteil solcher Rührsysteme ist der relativ geringe Energiebedarf im Verhältnis zum Energieeintrag beziehungsweise zur Mischzeit. Der entscheidende Nachteil neben den hohen Kosten liegt in der Störanfälligkeit und dem höheren Wartungsbedarf gegenüber Mischsystemen ohne bewegte Teile im Reaktionsraum.
Unter Flüssigkeitsstrahlsystemen werden Flüssigkeitsstrahlmischer, -pumpen und Düsen verstanden. Sie besitzen in der Regel keine bewegten Teile und sind daher wartungsärmer. Flüssigkeitsstrahlsysteme können als Mischsysteme dienen, denn sie sind dazu geeignet, kinetische Energie über ein Treibmittel, das auch als Wärme- beziehungsweise Kühlmittel dienen kann, in den Reaktor einzubringen, um den Reaktorinhalt zu suspendieren und zu homogenisieren. Weitere Vorteile von Flüssigkeitsstrahlsystemen zählen sind ihre geringe Baugröße, minimale Störung der Strömungs- und Flußverhältnisse und Vermeidung von Dichtungssystemen. Strombrecher, wie sie für herkömmliche Rührsysteme nicht selten eingesetzt werden müssen, sind überflüssig, Daher gibt es bei der Verwendung solcher Systeme auch keine strombrecherbedingten Strömungstotzonen. Gleichzeitig wird ein Floating (Aufschwimmen von Feststoffen) vermindert, wodurch sich die Gefahr des Lufteinsogs minimiert. Die Flüssigkeitsstrahlsysteme können von einem gemeinsamen oder mehreren Prozesswasserreservoirs gespeist werden. Sie können unabhängig voneinander angesteuert werden und von unterschiedlichen Mengen Treib- und/oder Temperierungsmittel durchflossen werden. Treib- und/oder Temperierungsmittel wird bevorzugt fast kontinuierlich und/oder in Intervallen zum Suspendieren und Homogenisieren zugeführt. Die Positionierung der Flüssigkeitsstrahlsysteme und insbesondere von Flüssigkeitsstrahlmischern wird so gewählt, dass es zur Ausbildung eines Flüssigkeitsstroms zum Beispiel in Form einer vertikalen Schlaufenströmung kommt. Bei Reaktoren ab einem Durchmesser-Höhen-Verhältnis von 1:2 kann auch eine Schlaufenströmung zum Beispiel in Form einer Acht ausgebildet werden oder bei entsprechenden Höhen weiterer Schlaufen, die quer zur Senkrechte verlaufen. Flüssigkeitsstrahlmischer werden insbesondere in der oberen Hälfte positioniert, insbesondere im oberen Drittel, wobei der Treibstrahl nach unten fast parallel zur Reaktorachse gerichtet ist. Bei größeren beziehungsweise höheren Reaktoren insbesondere ab einem Durchmesser-Höhen-Verhältnis von 1:3 werden mehrere Flüssigkeitsstrahlmischer in Reihe geschaltet, das heißt auf verschiedenen Höhen hintereinander geschaltet, so dass ein jeweils nachgeschalteter Mischer den Treibstrom beschleunigt. Bei größeren Durchmessern, insbesondere über einem Meter werden mehrere Flüssigkeitsstrahlmischer auf einer Längsachse so positioniert, dass der Treibstrahl wirk sam in eine Richtung verstärkt wird. Werden mehr als zwei Flüssigkeitsstrahlmischer beziehungsweise -pumpen auf einer Höhe eingesetzt, ist die Zahl der Flüssigkeitsstrahlmischer, deren Treibstrahl nach unten zur Reaktorboden gerichtet ist, jeweils gleich. Ein oder mehrere Flüssigkeitsstrahlmischer werden knapp oberhalb des Bodenbereichs beziehungsweise Konus positioniert, so dass die Strömung tangential über die Wand des Bodens beziehungsweise des Konus gelenkt wird. Ein oder mehrere Flüssigkeitsstrahlmischer werden unmittelbar neben dem Ausflussstutzen im Zentrum des Bodenbereichs beziehungsweise Konus positioniert, so dass die Strömung tangential über die Wand des Bodens beziehungsweise Konus nach oben gelenkt wird.
Durch die Turbulenzwirbel und Scherbelastung der Flüssigkeitsstrahlsysteme desagglomerieren die Feststoffe. Durch den zusätzlichen Einsatz von Zerkleinerungsvorrichtungen in Bereichen maximaler Turbulenz und Scherbelastung, insbesondere der Saugschlitze beziehungsweise Ansaug- und Austrittsöffnungen, wird der Bildung von Klumpen und Agglomeraten gezielt entgegengewirkt. An Positionen, an denen die Saugschlitze beziehungsweise Ansaugöffnungen zu Verstopfungen neigen, können diese mit einer eigenen Prozesswasserzufuhr versorgt werden, wobei das Prozesswasser zu diesem Zweck nur grob gereinigt wird. Zur Grobreinigung werden zum Beispiel Siebe, Filter und Membrane eingesetzt. Die Grobreinigung verläuft schneller und praktisch unmittelbar ohne beziehungsweise mit wesentlich geringeren Reservevolumina im Gegensatz zur Prozesswasserreinigung zwecks Aufbereitung von Treib- und Temperierungsmittel. Alternativ werden verstopfungs- und ablagerungsgefährdete Saugschlitze beziehungsweise Ansaugöffnungen der Mischer mit Vollstrahldüsen mit eigenem Treibstromkreislauf freigehalten und/oder mit einem Mechanismus zur kurzzeitigen Flußumkehr ausgestattet. Zur Steuerung dieser Düsen dienen Durchflußmesser, Manometer und Ventile, die auf Verstopfungen zum Beispiel durch Druckveränderungen im Ansaugbereich reagieren. Auch eine gemischte Reaktionsgemischzufuhr für die verstopfungs- und ablagerungsgefährdete Saugschlitze beziehungsweise Ansaugöffnungen der Mischer kann realisiert werden durch eine geteilte Treibstromzufuhr: ein Anteil wird direkt aus dem Reaktor angesaugt, ein anderer Anteil wird grob gefiltert aus dem oberen Reaktorteil angesaugt. Die Treibstromzufuhr wird über Ventile geregelt und geschaltet, so dass zum Beispiel bei Betriebsproblemen oder bei zu geringem Flüssigkeitsstand, Treibmittel eingespart wird.
Düsen können an gezielten Stellen im Behälterinnenraum eingesetzt werden. Dazu zählen insbesondere Totraumbereiche oder Zonen, in denen Ablagerungen und Anbackungen unterbunden werden sollen. In sämtlichen Flüssigkeitsstrahlsystemen herrscht ein kontinuierlicher Differenzdruck gegenüber dem Reaktorinnendruck, um einen Rückfluss des Reaktionsgemischs in die Mischer, Pumpen und Düsen zu verhindern. Eine Verlangsamung oder ein Stillstand der Strömung beschleunigt den Absetzungs- und Sedimentationsprozess der festen Reaktionsprodukte, die sich dadurch zunehmend im unteren Reaktorteil ansammeln.
Während der chemischen Umwandlungsprozesse kann es zu Ablagerungen und Anbackungen an den Wänden des Reaktors sowie den Armaturen und Teilen, die mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommen. Ohne die Betriebstemperatur wesentlich zu senken, kann nach dem Überführen des Reaktorinhalts in einen anderen Druckbehälter oder Reaktor ein Reinigungsvorgang durchgeführt werden. Als Reinigungsvorrichtung kann beispielsweise eine bewegliche und steuerbare Hochdruckdüse eingesetzt werden. Durch eine kompakte Bauweise kann die Vorrichtung durch ein Handloch, eine Schleuse oder ein Ventil in den Innenraum eingebracht werden. Der Reinigungsvorgang wird unter direkter Sichtkontrolle oder mittels einer oder mehrerer Kameras durchgeführt. Die Reinigungsvorrichtung lässt sich von außen fernsteuern. Druck und Temperatur des Treibmediums werden so eingestellt, dass das bestmögliche Reinigungsergebnis erzielt wird, ohne die auskleidenden Materialien oder Beschichtungen zu beschädigen. Insbesondere sind Trockeneis-Strahler zur Oberflächenreinigung der Strahlmedien geeignet: Trockeneispellets als Strahlmittel werden mit Druckluft auf 300 m/s beschleunigt und treffen mit hoher kinetischer Energie auf die Schmutzschicht auf. Dabei kühlen sie diese auf minus 80°C ab; die Schmutzschicht schrumpft und wird spröde. Gleichzeitig verdampfen die Trockeneispellets und dehnen sich schlagartig auf das bis zu 700-fache aus, was die die Schmutzschicht von der Oberfläche absprengt. Durch den Einsatz eines Trockeneis-Strahlers zur Reinigung entfällt die aufwendige Aufarbeitung oder Entsorgung eines Reinigungsmediums. Umweltbelastende organische Lösungsmittel und halogenierte Kohlenwasserstoffe werden überflüssig. Dadurch, dass sich die Trockeneispellets förmlich in Luft auflösen, entsteht noch ein weiterer entscheidender Vorteil: Eine Zerlegung und externe Reinigung von Anlagekomponenten wird sehr häufig überflüssig. Ein Trockeneis-Strahler wird bevorzugt als Tauchschnorchelsystem eingesetzt. Es wird durch ein Handloch an zentraler Position in den Reaktor eingeführt und an Haltesystem, das vorher positioniert wurde, angedockt. Mit Hilfe einer rotierenden Sprüheinrichtung werden die Trockeneispellets auf die zu reinigenden Stellen gerichtet.
Als Treibmittel für die Flüssigkeitsstrahlmischer, -pumpen und Düsen kann ein flüssiges oder gasförmiges Medium wie zum Beispiel Wasser, aufbereitetes Prozesswasser oder ein Gas wie zum Beispiel Wasserdampf dienen. Das Prozesswasser wird beim beziehungsweise unmittelbar nach dem Austritt aus dem Reaktor gesiebt, gefiltert und von Störstoffen befreit, so dass die Mischer, Pumpen und Düsen nicht verstopfen und der Verschleiß an Reaktor-, Rohr-, Pumpenbestandteilen und anderen Armaturen minimiert wird. Mit Hilfe eines Wärmetauschers wird die Temperatur des Treibmittels so eingestellt, dass dessen Einbringung zur Steuerung der Prozesstemperatur dient. Das Treib-/Temperierungsmittel wird außerhalb des beziehungsweise der Reaktoren bei ähnlichen Drücken geführt wie innerhalb des beziehungsweise der Reaktoren. Wird auf die Temperierungsfunktion des Prozesswassers verzichtet, wird es außerhalb der Reaktionsräume bei ähnlichen Temperaturen geführt wie innerhalb derselben. Alternativ zu Prozesswasser kann Frischwasser, Wasserdampf oder Wasser aus anderen Prozessen als Treib-, Wärme- beziehungsweise Kühlmittel eingesetzt werden.
Die im Prozesswasser enthaltenen Stoffe sind abhängig von der Mischung der Ausgangsstoffe und der Prozessführung einschließlich der Katalysatoren. Durch die verfahrensbedingte Desintegration gehen vorher in der Biomasse gebundene Stoffe in Lösung. Zahlreiche Elemente einschließlich Chlor, Schwefel, Nitrat und Ihre Salze sowie Metalle insbesondere Schwermetalle und Mineralien sowie Alkalien wie zum Beispiel Kalium oder Natrium und ihre Salze gehen zu einem bestimmten Anteil während des chemischen Umsetzungsprozesses in die wässrige Phase über. Ein Anteil wird wieder in der Festphase gebunden. Der restliche Anteil verbleibt in der flüssigen Phase. Die Anteile der Stoffe, die in der flüssigen Phase übergehen, sind auch abhängig vom Konzentrationsgefälle, das heißt der bereits in der flüssigen Phase vorhandenen Konzentration. Bei steigenden Konzentrationen tritt eine Sättigung bis hin zum Ausfallen bestimmter Stoffe ein. So können anorganische Stoffe und Verbindungen zum Beispiel Sulfate und Chloride als Salze ausfallen und dadurch die Prozessführung und Reaktorbestandteile nachteilig beeinflussen. Der Anteil organischer Kohlenstoffverbindungen in der flüssigen Phase kann über 50 g pro Liter liegen. Der CSB-Wert des Prozesswassers liegt bereits ohne Wiederverwertung im höheren fünfstelligen Bereich (mg O₂/I) und überschreitet damit die gesetzlichen Einleitungsgrenz werte deutlich. Unter dem chemischen Sauerstoffbedarf CSB versteht man im umfassenden Sinne die Menge an Sauerstoff, die erforderlich ist, alle organischen Inhaltsstoffe einer definierten Stoffmenge chemisch zu oxidieren.
In Abhängigkeit vom Feuchtigkeitsgehalt der Ausgangsstoffe und der Prozessführung einschließlich der Fest-Flüssig-Verhältnisse wird ein Prozesswasseranteil von 10 bis 35 Prozent, bevorzugt von 35 bis 60 Prozent und besonders bevorzugt von 60 bis 85 Prozent wiederverwertet. Eine nahezu vollständige Rückführung des Prozesswassers, das heißt eine Kreislaufschließung oder -einengung des Prozesswasserkreislaufs, mit dem Ziel, Frischwasser einzusparen und das Abwasservolumen zu senken, ist nur begrenzt möglich. Denn es kommt neben einer Akkumulation organischer Kohlenstoffverbindungen zu einer Anreicherung anorganischer Stoffe wie Sulfat, Nitrat, Calcium Chlor, Phosphor oder ihrer Verbindungen. Anorganische Störstoffkonzentrationen beschleunigen die Korrosion. Kalkablagerungen stören den Strömungsfluss im Reaktor und schädigen ebenfalls Armaturen wie Pumpen, Ventile und Düsen. Damit steigen die Anforderungen an die Auslegung des Reaktors. Sulfate können ausfallen. Die Geschwindigkeit der Akkumulation beziehungsweise Aufsättigung ist abhängig von der stofflichen Zusammensetzung der Ausgangsstoffe und der Prozessführung.
Der chemische Umwandlungsprozess dauert in der Regel mehrere Stunden. In dieser Zeit gehen komplexe chemische Vorgänge verbunden mit stofflichen Veränderungen einher, die zur Optimierung der Prozessführung zu berücksichtigen sind. Unterschiedliche Arten von Biomasse werden in den ersten zwei bis drei Prozessphasen in Intervallen zugeführt. Je nach gewünschtem Reaktionsprodukt werden zum Beispiel gegen Ende der letzten beiden Prozessphasen Reaktionsprodukte abgezogen. Treib- oder Temperierungsmittel wie zum Beispiel ein Gas, Wasser, insbesondere Prozesswasser und/oder Prozess-/Synthesegas sowie Katalysatoren werden während des laufenden Prozesses abgezogen oder zugeführt. Reaktanden und insbesondere Nebenprodukte werden entfernt, die sowohl den Ablauf der chemischen Reaktion, die Durchmischung als auch die Strömung stören.
Zur Abscheidung der festen Stoffe und insbesondere der Reaktionsprodukte im Reaktionsgemisch können verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen. Die Fest-Flüssig-Trennung dient zur Abtrennung der flüssigen Phase, wodurch eine Aufkonzentration der Feststoffanteile erreicht wird. Zur Abtrennung der Feststoffe können verschiedene Siebungsvorgänge (Grobsiebung, Feinsiebung), Filtrationsprozesse und/oder die Fliehkraftabscheidung mittels Zyklon miteinander verknüpft werden. Um den Aufwand einer Filtration oder Siebung während des Prozesses zu verringern, werden im Rahmen der Vorbehandlung bereits eine oder mehrere Filtrations- oder Siebungsvorgänge durchgeführt.
Es kann mindestens eine Grob- oder eine Feinfiltration oder eine Kombination aus diesen beiden Verfahren erfolgen. Durch Filtrationsverfahren, insbesondere Mikro- und/oder Ultrafiltrationsverfahren oder eine Kombination der beiden, kann ein Drittel bis zwei Drittel der gesamten organischen Kohlenstoffverbindungen aus dem Prozesswasser entfernt werden. Die Fest-Flüssig-Trennung wird vorzugsweise bei Betriebsbedingungen betrieben und geht in der Regel über die Nutzung einfacher Papierfilter wie sie beispielsweise im Labormaßstab verwendet werden hinaus. Die Auswahl der verwendeten Methoden ist unter anderem abhängig von der chemischen Zusammensetzung, Partikelgrößenverteilung, Dichte, Partikelform, Festigkeit sowie Löslichkeit und schließt die Ausnutzung elektrischer Ströme und Ladungen, unterschiedliche Dichten und Fliehkräfte sowie verschiedene Partikelgrößen ein.
Zu den eingesetzten Vorrichtungen zur Fest-Flüssig-Trennung zählen die dynamische, statische, Vakuum-, Druck und Sterilfiltration, darunter insbesondere die Cross-Flow-Filtration einschließlich verfügbarer Mikro-, Ultra-, Nanofiltration- und Umkehrosmoseverfahren. Es werden bevorzugt Vorrichtungen verwendet, bei denen das zugrunde liegende Verfahrens- oder Funktionsprinzip von Hydrozyklonen, Zentrifugen, kraftfeldunterstützten Trenngeräten und/oder Filtrationsverfahren angewandt wird. Zu den bevorzugten Filtrationsverfahren zählen insbesondere diejenigen, die sich auch bei den Reaktionsbedingungen der hydrothermalen Karbonisierung einsetzen lassen. Bevorzugt werden für die Fest-Flüssig-Trennungen insbesondere bei Betriebsbedingungen Rotationsscheibenfilter oder Zentrifugalmembranfilter eingesetzt. Das bevorzugte Material, das für die Ausbildung der Poren verantwortlich ist, besteht aus Metall und besonders aus Keramik. Die Form des porenbildenden Materials ist bevorzugt scheibenförmig. Je nach angewendetem Filtrationsverfahren und dabei eingesetzten Materialien liegt nicht immer ein proportionales Verhältnis von Porengröße des Filters und der Feststoffmenge im Filtrat vor. Dies trifft insbesondere auf den Einsatz keramischer Werkstoffe für die Filterelemente zu. Die wässrige Phase wird einem Prozesswasserreservoir oder gefiltert oder ungefiltert der Prozesswas seraufbereitung zugeführt. Die Eigenschaften der abzutrennenden Feststoffe und damit die Wahl der zur Abtrennung gewählten Verfahren hängen von der Prozessführung und von den Eigenschaften des gewünschten Reaktionsprodukts ab. Je weiter fortgeschritten der Prozess und je höher die Dichte des Reaktionsprodukts ist, desto einfacher lässt es sich abtrennen. Bevorzugt erfolgt die Abtrennung nah an den Betriebsbedingungen. Die Feststoffmenge im Filtrat sinkt in der Regel proportional zur Porengröße und kann durch den Einsatz eines Ultrafiltrationsverfahrens deutlich ansteigen und über zwei Drittel bis vier Fünftel betragen. In den Prozess sind ein oder mehrere Vorrichtungen zur Fest-Flüssig-Trennung integriert zur Elimination von Sand und anderen Störstoffen mit hoher Dichte oder hohem Gewicht, die im Laufe der Behandlung der Biomasse abtrennbar werden. Insbesondere zur Aufreinigung des Prozesswassers, das als Treibstrahlmittel verwendet wird, ist die Anwendung des Prinzips der Fliehkraftabscheidung von Feststoffen vorteilhaft, um Pumpen, Mischer und Düsen zu schonen.
Während des Prozesses wird an ein oder mehreren Stellen aus der oberen Hälfte, bevorzugt aus dem oberen Drittel, besonders bevorzugt aus dem oberen Viertel, des Reaktors Prozesswasser zur Aufbereitung abgezogen. Aufbereitetes Prozesswasser wird in den Wasserkreislauf der Anlage zur Wiederverwertung zurückgeführt. Mindestens ein und bevorzugt mehrere Prozesswasserreservoirs können für jeden einzelnen Reaktor oder für mehrere zusammengeschaltete Reaktoren und für andere Vorrichtungen der Anlage genutzt werden. Den einzelnen Prozesswasserreservoirs sind verschiedene Reinigungsschritte vorgeschaltet. Das Volumen einzelner oder eines gemeinsamen Prozesswasserreservoirs beträgt in ihrer Summe etwa 35 bis 85 Prozent des Gesamtvolumens aller Reaktoren. Das Prozesswasserreservoir ist für die Temperatur- und Druckbelastung der Reaktoren ausgelegt, so dass Druckminderungs- und Wärmeaustauschvorrichtungen nicht zwingend erforderlich sind. Eine Prozesswasserreinigung ist in den Wasserkreislauf der beschriebenen Anlage integriert. In Abhängigkeit von der Verwendung des aufbereiteten Prozesswassers sind unterschiedliche Reinigungs- beziehungsweise Aufbereitungsverfahren notwendig. Dazu kommen verschiedene mechanische, chemische und biologische Verfahren und Vorrichtungen einzeln oder in Kombination zum Einsatz: Aerobe und anaerobe Hochleistungsbioreaktoren, Biomembranreaktoren, Anaerob- und Belebtschlammverfahren. In den Prozesswasserkreislauf integrierte oder angeschlossene oben genannte Verfahren und Vorrichtungen sollen den Gehalt an organischen Verbindungen im Kreislaufwasser zwar erheblich senken; das Maß der Rückführung des Prozesswassers muss jedoch von den Konzentrationen von nicht ausreichend abgebaute organische Substanzen und hohen Alkalimetall- beziehungsweise Mineralstoffkonzentrationen wie zum Beispiel Calcium abhängig gemacht werden. Um einen möglichst hohen Anteil des Prozesswassers zurückführen zu können, soll eine besonders leistungsfähige Kombination unterschiedlicher Verfahren und Vorrichtungen zum Einsatz kommen.
Die Vorrichtung zur mechanischen Abwasserreinigung ist ein Filter, bevorzugt ein Mikrofilter und besonders bevorzugt ein Ultrafiter, und kann mit den oben beschriebenen Verfahren zur Fest-Flüssig-Trennung deckungsgleich sein. Die Vorrichtung zur Fest-Flüssig-Trennung, in dem der oder die Filter eingebaut sind, ist bevorzugt ein Rotationsscheibenfilter und besonders bevorzugt ein Zentrifugalmembranfilter. Zur biologischen Reinigung des Prozess- beziehungsweise Abwassers kommt eine Vorrichtung zum Einsatz, die den komplexen Anforderungen zur Reinigung am ehesten gerecht wird. Zum Beispiel soll bevorzugt eine Vorrichtung in Stahlbauweise verwendet werden, zum Beispiel ein Hochleistungsbioreaktor im Biomembranverfahren, bevorzugt eine aerobe Prozesswasserbehandlung, besonders bevorzugt ein Schlaufenreaktor. Der Schlaufenreaktor soll in seiner Auslegung über eine leistungsfähige Düse zur Vermischung der festen und flüssigen Phase verfügen. Alternativ oder zusätzlich zum aeroben Verfahren kann ein Reaktor zur anaeroben Prozesswasserbehandlung oder auch reverse Elektrodialyse (Electrodialysis Reversal) insbesondere zur Nitratrückgewinnung, Destillations-Verdampfungs- und/oder Ionenaustauscherverfahren sowie Aktivkohle eingesetzt werden.
Die Geruchsbelastung stellt sowohl Anforderungen an die Lagerung und den Transport des Feststoffs als auch an die Auslegung der Anlage, Gebäude und Förderanlage. Die Intensität der Geruchsbelastung nimmt mit der Dauer der Lagerzeit ab. Das Gebäude beziehungsweise die Lager- und Transporträume, insbesondere für die Brennstoffe, sollen luftbeziehungsweise geruchsdicht ausgelegt sein, so dass die belastete Luft nicht entweichen kann. Zugänge zum Gebäude werden über Schleusen abgedichtet. Es wird/werden eine oder mehrere chemische und/oder biologische Luftreinigungsanlagen installiert, so dass die Geruchsbelastung für Mitarbeiter, Lieferanten und Anwohner auf ein Minimum reduziert wird.
Die Abkühlung des Reaktionsprodukts insbesondere unterhalb der Siedetemperatur bei einem bar Absolutdruck erfolgt in der Regel außerhalb des Reaktionsraums bevorzugt in einer Vorrichtung zur Entspannung. Die dabei freigesetzte Wärmeenergie kann über Wärmetauscherprozesse für andere Prozesse verfügbar gemacht werden.
Vor, während oder nach diesem Prozess finden ein oder mehrere Zerkleinerungsschritte statt. Dazu werden bevorzugt Mühlen oder Pressverfahren eingesetzt.
Die Abtrennung der festen Phase aus dem Reaktionsgemisch erfolgt im ersten Schritt in der Regel in mechanischen und im zweiten Schritt in thermischen Trennvorrichtungen. Ein statischer Eindicker wird zur Verminderung des Wassergehalts unter Einwirkung der Schwerkraft mit oder ohne mechanische, sich drehende Vorrichtung beziehungsweise Krählwerk, zum Beispiel ein Standeindicker oder Durchlaufeindicker verwendet. Die Regelung der Zulaufmenge kann von einem Dosierapparat übernommen werden. Bei entsprechend großen Volumina ermöglicht der Apparat das eingedickte Gemisch, dosiert und auf mehrere Maschinen, gleichmäßig abzugeben. Der Eindicker kann auch direkt in die Trocknungsvorrichtung integriert werden. Eine vorteilhafte Auslegung der Konus-Konstruktion ermöglicht, dass die Trocknungsvorrichtung direkt mit dem Gemisch beschickt wird. Bei entsprechender Anpassung der Prozessgrößen kann somit auf externe Installationen verzichtet werden. Alternativ kann das einzudickende Gemisch wird unter Druck auf eine gewölbte Siebfläche beziehungsweise auf ein Bogensieb aufgegeben werden. Die entstehende Zentrifugalkraft drückt einen Teil der Flüssigkeit durch die Siebschlitze. Das eingedickte Gemisch wird am Ende der Siebbahn zusammengefasst und der Trocknungsvorrichtung zugeführt. Ein weiteres vorteilhaftes mechanisches Trennverfahren bietet ein Hydrozyklon, in dem Feststoff und Flüssigkeit durch Zentrifugalbeschleunigung getrennt werden. Das eingedickte Gemisch im Unterlauf wird der Trocknungsvorrichtung zugeführt und die prozessierte beziehungsweise geklärte Flüssigkeit verlässt im Überlauf den Hydrozyklon. Durch vorgeschaltete und abgestimmte Eindickapparate und zwischengeschaltete Dosiervorrichtungen kann ein kontinuierlicher und optimierter Zulauf zur Trocknungsvorrichtung gewährleistet werden. Dies ist insbesondere bei Verwendung einer Schubzentrifuge zur Trocknung von Bedeutung. Schubzentrifugen verfügen über eine hohe eine Betriebssicherheit und sind zum Entfeuchten und Waschen körniger Feststoffe geeignet.
Neben mechanischen Vorrichtungen, die der Trocknung zumeist aus energetischen Gründen vorzuschalten sind, werden thermische Trennverfahren zur Trocknung bevorzugt ein gesetzt. Die der Trocknung zugeführten Mengen liegen über einem Kilogramm Gewicht. Einem Chargenbetrieb ist ein kontinuierlicher Betrieb vorzuziehen. Die Trocknung erfolgt durch mindestens einen oder mehrere Trockner oder durch eine Kombination verschiedener Vorrichtungen zur Trennung und/oder Trocknung. Zur Trocknung der Reaktions- und/oder Nebenprodukte wird zum Beispiel ein Konvektionstrockner verwendet. Dabei kommt das Trockengut mit heißem Trocknungsgas in Kontakt. Nachteilig ist dabei, dass das verwendete Gas abzuführen ist und in der Regel mit Staubabscheidern gereinigt werden muss. Gegebenenfalls wird das Gas nach Kondensieren der Feuchtigkeit zurückgeführt. Als Konvektionstrockner kann beispielsweise ein Wirbelschichttrockner eingesetzt werden. Ebenso können Sprüh-, Düsenturm- oder Stromtrockner in Abhängigkeit von der vorliegenden beziehungsweise erwünschten Partikelgröße verwendet werden. Vorteilhaft ist ein kontinuierlicher Prozess, bei dem ein oder mehrere Horden-, Trommel- oder Tunneltrockner eingesetzt werden.
Bei der Verwendung eines Kontakttrockners steht im Wesentlichen nur die Kontaktfläche für den Wärmeübergang zur Verfügung. Es wird ein Band-, Vakuumband-, Trommel-, Schnecken-, Zylinder-, Walzen- oder Bandtrockner und bevorzugt ein Vakuumtrommelfilter oder -trockner eingesetzt. Zur Erzielung geringerer Feuchtigkeitsgehalte kann je nach Durchsatzrate alternativ oder zusätzlich zum Beispiel auch ein Tellertrockner verwendet werden. Die Trocknung kann mittels eines heißen gasförmigen Mediums wie zum Beispiel Luft bei Temperaturen zwischen 61 und 95 Grad Celsius, bevorzugt zwischen 65 und 90 Grad Celsius und weiter bevorzugt zwischen 70 und 85 Grad Celsius, erfolgen. Alternativ wird vor allem in den thermischen Trocknungsvorrichtungen als Gas neben Luft bevorzugt überhitzter Wasserdampf und besonders bevorzugt Wasserdampf mit einer Temperatur von 130 bis 180 Grad Celsius eingesetzt.
Bevorzugt wird ein kombiniertes mechanisch-thermisches Verfahren zur Trennung beziehungsweise Trocknung angewendet. Der Vorteil eines mechanisch-thermischen Prozesses im Vergleich zu den konventionellen Verfahren liegt in einer deutlich geringeren Restfeuchte des Produkts, wodurch gerade bei feinen Partikel- oder Nanosystemen eine verbesserte Förderfähigkeit des Produkts erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass gleichzeitig eine teilweise Auswaschung von Verunreinigungen aus dem Reaktionsprodukt durch den kondensierenden Dampf erfolgt. Der Einsatz von Dampf als weiteres treibendes Entfeuchtungspotential bringt eine Steigerung der Leistung für filtrierend arbeitende Zentrifu gen mit sich. Der Mechanismus der ebenen mechanischen Verdrängung durch eine Kondensationsfront wirkt zusammen mit der Massenkraft und führt auch bei kleinsten Reaktionsprodukten bis hin zum Nanobereich praktisch zu einer vollständigen Entleerung des Grobkapillarsystems. Zu den Verfahren, die diesen Mechanismus ausnutzen zählt beispielsweise die Dampf-Druckfiltration. Sie wendet anstelle von Druckluft gesättigten oder überhitzten Dampf für eine Gasdifferenzdruckentfeuchtung an. Besonders bevorzugt wird eine Dampf-Drucküberlagerte Zentrifugalentfeuchtung angewendet. Der Prozess der kombinierten Dampfdruck- und Zentrifugalentfeuchtung überführt den feindispersen Feststoff des Reaktionsprodukts von der Suspension direkt in einem Verfahrensraum in ein trockenes, reines, rieselfähiges erfindungsgemäßes Endprodukt.
Bevorzugt wird ein kombiniertes mechanisch-thermisches Verfahren zur Trennung beziehungsweise Trocknung angewendet. Der Vorteil eines mechanisch-thermischen Prozesses im Vergleich zu den konventionellen Verfahren liegt in einer deutlich geringeren Restfeuchte des Produkts, wodurch gerade bei feinen Partikel- oder Nanosystemen eine verbesserte Forderfähigkeit des Produkts erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass gleichzeitig eine teilweise Auswaschung von Verunreinigungen aus dem Reaktionsprodukt durch den kondensierenden Dampf erfolgt. Der Einsatz von Dampf als weiteres treibendes Entfeuchtungspotential bringt eine Steigerung der Leistung für filtrierend arbeitende Zentrifugen mit sich. Der Mechanismus der ebenen mechanischen Verdrängung durch eine Kondensationsfront wirkt zusammen mit der Massenkraft und führt auch bei kleinsten Reaktionsprodukten bis hin zum Nanobereich praktisch zu einer vollständigen Entleerung des Grobkapillarsystems. Zu den Verfahren, die diesen Mechanismus ausnutzen zählt beispielsweise die Dampf-Druckfiltration. Sie wendet anstelle von Druckluft gesättigten oder überhitzten Dampf für eine Gasdifferenzdruckentfeuchtung an. Besonders bevorzugt wird eine Dampf-Drucküberlagerte Zentrifugalentfeuchtung angewendet. Der Prozess der kombinierten Dampfdruck- und Zentrifugalentfeuchtung überführt den feindispersen Feststoff des Reaktionsprodukts von der Suspension direkt in einem Verfahrensraum in ein trockenes, reines, rieselfähiges erfindungsgemäßes Endprodukt.
Der Restfeuchtigkeitsgehalt der erfindungsgemäßen Reaktionsprodukte liegt in vorteilhafter Weise bei ungefähr 6 bis 25 Prozent, bevorzugt 10 bis 20 Prozent, besonders bevorzugt 12 bis 15 Prozent.
Nach der Umwandlungsreaktion liegt das Reaktionsgemisch als Suspension vor. In Abhängigkeit von den Ausgangsstoffen und der Prozessführung entstehen aus Biomasse unter anderem folgende Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukte: Brennstoffe von Torf, über Braunkohle bis zu Steinkohle-ähnlichen Brennstoffe, Humus, Maillard- oder Maillard-ähnlichen Reaktionsprodukte, kohlenstoffhaltige Werkstoffe wie Dämmstoffe, Nanoschwämme, -kügelchen, -fasern, -kabel, Aktiv- oder Sorptionskohle, Grillkohleersatzstoff, hochverdichtete Kohlenstoffprodukte und Werkstoffe und insbesondere auch Ausgangsstoffe für Graphit und graphithaltige oder -artige Produkte sowie Kohlenstofffasern und Ausgangsstoffe für Verbund- oder Faserverbundwerkstoffe.
Auch Rein-, Reinst- und Ultrareinkohle-ähnliche Stoffe gehören zu den erfindungsgemäßen Produkten. Sie verfügen über vorteilhafte Eigenschaften, die vor allem auf der Verminderung mineralischer Stoffe gegenüber den Ausgangsstoffen zurückzuführen ist. Unter Reinkohle wird vor allem der brennbare Anteil der Kohle und unter Reinstkohle wird auch Aktivkohle verstanden. Bei Ultrareinkohle liegt beispielsweise der Minderalgehalt unter 0,1 Gewichtsprozent verfügen.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einem Reaktor 2. Der Reaktor 2 besteht aus einem zylindrischen Grundkörper 3, der einen Reaktionsraum 4 einschließt. Der Reaktionsraum 4 dient der Aufnahme eines Fest-/Flüssiggemisches, beispielsweise Biomasse. Der Reaktor 2 weist einen Einfüllstutzen 5 für das Fest-/Flüssiggemisch und eine Auslassstutzen 6 auf, durch den Zwischen-, Neben- oder Endprodukte aus dem Reaktionsraum 4 entnommen werden können. Der Reaktor weist ferner eine Einrichtung zur Durchmischung des Fest-/Flüssiggemisches auf. Die Einrichtung ist in der hier dargestellten Ausführungsform eine Rührvorrichtung 7, mit der das Fest-/Flüssiggemisch während der Behandlung und/oder Bearbeitung gemischt werden kann. Der Reaktor 2 weist ferner ein zylinderförmiges Führungs- bzw. Einsteckrohr 8 auf, das die Strömung des Fest-/Flüssiggemisches im Reaktionsraum 4 lenkt bzw. kontrolliert. Zusätzlich weist der Reaktor 2 eine nicht-mechanische Mischvorrichtung in Form eines Flüssigkeitsstrahlmischers 9 auf. Ferner ist der Reaktor 2 mit einer Filtervorrichtung 10 ausgestattet, mittels derer feste Bestandteile im Reaktionsraum 4 zurückgehalten werden. Über die Filtervorrichtung 10 und die Leitung 11 kann Prozess- bzw. Brauchwasser aus dem Reaktionsraum 4 abgezogen und einem Reservoir 12 zugeführt werden. Das Brauchwasser kann entweder über die Leitung 13 dem Flüssigkeitsstrahlmischer 9 und damit wieder dem Fest-/Flüssiggemisch im Reaktionsraum 4 zugeführt oder über einen Feinfilter 14 als Reinwasser in ein weiteres Reservoir 15 geleitet werden. Aus dem weiteren Reservoir 15 kann das Reinwasser über die Leitung 16 entweder in den Reaktor 2 zurückgeführt oder über die Leitung 17 dem Abwasser zugeführt werden.
2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Wandbereich des Reaktors 2 gemäß 1. Die Reaktorwand 20 ist doppelwandig ausgebildet, wobei die Reaktorwand 20 aus einer äußeren Wandschicht 21 und einer inneren Wandschicht 22 besteht. Die innere Wandschicht 22 ist am Rand des Reaktionsraums 4 mit einem Membranteil 23 versehen, bei dem es sich beispielsweise um ein gelochtes Blech bzw. ein Membranblech, aber auch um eine Wärmeaustauschplatte handeln kann. Das Membranteil 23 kann entweder in den Reaktor eingehängt oder an der innerern Wandschicht 22 befestigt, beispielsweise angeschweißt, sein. Die äußere Wandschicht 21 und die innere Wandschicht 22 sind voneinander beabstandet, so dass zwischen diesen beiden Wandschichten ein Hohlraum 24 liegt. In dem Hohlraum 24 kann sich beispielsweise ein Thermoöl befinden, wie es beispielsweise zur Übertragung von Wärmeenergie in Wärmeübertragungsanlagen verwendet wird. Das Thermoöl wird erhitzt und in den Hohlraum 24 geleitet, um den Innenraum des Reaktors aufzuheizen. Dies geschieht in einem geschlossenen Kreislauf. Der Vorteil von Thermoöl gegenüber Wasser liegt dabei in seinem wesentlich höheren Siedepunkt, so dass eine Temperatur von bis zu 300°C erreicht werden kann. Ein weiterer Hohlraum 25 befindet sich zwischen dem Membranteil 23 und der inneren Wandschicht 22. Dieser weitere Hohlraum 25 dient der Aufnahme von Reinwasser und kann beispielsweise auch als Temperierungssystem genutzt werden. Ist das Membranteil 23 ein Membranblech oder eine gelochte Wärmeaustauschplatte, so muss in diesem Fall der Druck im Hohlraum 25 zumindest leicht über dem Druck im Reaktionsraum 4 liegen, damit kein Bestandteile des Reaktionsgemischs in den Hohlraum 25 gelangen kann. Aufgrund der extremen Reaktionsbedingungen im Reaktionsraum 4 besteht die innere Wandschicht 22 vor allem aber das Membranteil 23 aus einem korrosionsbeständigen Material oder sind zumindest mit einem solchen Material beschichtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19723510 C1 [0005]
- US 4700445 A [0014, 0015]

Claims

Vorrichtung zur Behandlung von Fest-/Flüssiggemischen, insbesondere von Biomasse, mit mindestens einem Reaktor zur Aufnahme des Fest-/Flüssiggemisches, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einrichtung zur Bearbeitung des Fest-/Flüssiggemisches vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor aus einem zylindrischen Grundkörper besteht und/oder druckfest ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor einen kegelförmigen Boden aufweist, der mit der Reaktorachse einen Winkel von maximal 45 Grad, bevorzugt kleiner 40 Grad, besonders bevorzugt kleiner 35 Grad, bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Reaktors, insbesondere im Boden- bzw. Wandbereich, sowie Armaturen und andere mit dem Reaktionsgemisch in Berührung kommenden Teile ganz oder teilweise oberflächenbehandelt und/oder mit einem Beschichtungsstoff beschichtet sind, der Anbackungen oder Ablagerungen von Bestandteilen des Reaktionsgemischs verhindert oder verringert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsstoff korrosionsfeste, verschleißarme und/oder wasserabweisende Materialien, insbesondere metallische oder keramischen Werkstoffe und Legierungen, bevorzugt aus Chrom, Nickel, Molybdän, Titan, Aluminium, Niobium sowie aus den Stoffen Silicium, Eisen, Cobalt, Wolfram, Bor und Kohlenstoff und besonders bevorzugt aus Titan-Aluminium-Verbindungen, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsstoff mittels eines Beschichtungsverfahrens, bevorzugt durch Plattierung, besonders bevorzugt durch ein Flammspritzverfahren wie zum Beispiel das High-velocity oxy-fuel (HVOF)-Verfahren, aufgebracht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Reaktors mindestens ein, bevorzugt mehrere, Membranteile angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranteil in Abständen von weniger als 10 mm, vorzugsweise weniger als 6 mm, besonders bevorzugt weniger als 4 mm, gelocht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Löcher in dem Membranteil geringer als 400 μm, vorzugsweise geringer als 100 μm, besonders bevorzugt geringer als 35 μm, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher im Membranteil trichterförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Membranteil und der Reaktorwand mindestens ein Hohlraum vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Membranteil mit der Reaktorwand derart verbunden ist, dass der Hohlraum in voneinander getrennte Bereiche unterteilt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bereich des Hohlraums mit einer Eintrittsöffnung und mindestens ein anderer Bereich des Hohlraums mit einer Austrittsöffnung versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorwand doppelwandig ausgeführt ist, wobei zwischen einer inneren Wandschicht und einer äußeren Wandschicht mindestens ein Hohlraum angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wandschichten derart miteinander verbunden sind, dass der Hohlraum in voneinander getrennte Bereiche unterteilt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bereich des Hohlraums mit einer Eintrittsöffnung und mindestens ein anderer Bereich des Hohlraums mit einer Austrittsöffnung versehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor ein Rohrreaktor, Kreislaufreaktor, Schlaufenreaktor und/oder Rührreaktor, und/oder vorzugsweise ein Membran- und/oder Wirbelschichtreaktor ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor mit einem Temperierungssystem versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungssystem an mindestens eine Steuereinheit angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungssystem mindestens einen Einschraubheizkörper, mindestens eine Heiz- und Kühlschlange, mindestens eine auf die Reaktorwand aufgeschweißte Halbrohrschlange, mindestens eine Wärmeaustauschplatte und/oder mindestens ein Membranteil umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Temperierungssystem eine doppelwangige Konstruktion der Reaktorwand umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine im Wesentlichen nicht-mechanische Anordnung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Mischvorrichtung zum Durchmischen, Rühren und/oder Aufwirbeln des Reaktorinhalts ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung mindestens einen Flüssigkeitsstrahlmischer, mindestens eine Flüssigkeitspumpe oder mindestens eine Düse oder eine Kombination derselben umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung, insbesondere die Vorrichtungen im Ansaugbereich, derart gestaltet ist, dass die in diesem Bereich auftretenden Turbulenzwirbel und Scherbelastungen die Feststoffe zerkleinern und desagglomerieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Zerkleinerungsvorrichtung ist, insbesondere zur Zerkleinerung der festen Inhaltsstoffe im Reaktor, die vorzugsweise mindestens eine Mühle und/oder mindestens einen Häcksler umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Trocknungsvorrichtung ist, die vorzugsweise mindestens einen Konvektions- oder Kontakttrockner, bevorzugt einen Strom- und/oder Bandtrockner, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Prozesswasseraufbereitungsanlage ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswasseraufbereitungsanlage mindestens ein Prozesswasserreservoir und/oder mindestens ein Fest-Flüssig-Trenngerät umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Fest-Flüssig-Trenngerät vorzugsweise mindestens ein Sieb, einen Filter, einen Hydrozyklon, eine Zentrifuge oder ein kraftfeldunterstütztes Trenngerät umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswasseraufbereitungsanlage aus einer Kombination verschiedener oder gleicher Trennvorrichtungen besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesswasseraufbereitungsanlage mindestens eine Filteranlage, insbesondere einen Rotationsscheibenfilter, bevorzugt mit Keramikscheibe, umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine biologische Abwasseraufbereitungsanlage ist, die vorzugsweise mindestens einen Bioreaktor, bevorzugt einen Biomembranreaktor, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Bioreaktor mindestens einen Schlaufenrektor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlaufenrektor mindestens eine Düse zur Vermischung der gasförmigen und flüssigen Phase umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlaufenreaktor ein Rohr umfasst, in dem die Strömung von oben nach unten verläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine chemische und/oder biologische Luftreinigungsvorrichtung ist, die vorzugsweise mindestens einen Luftfilter umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Reaktoren mindestens eine Einrichtung zur Erzeugung einer zirkulierenden Wirbelschicht umfasst.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 38 zur Herstellung von Brennstoffen, kohlenstoffhaltigen Werk- und Nutzstoffen, Humus und/oder Maillard-beziehungsweise Maillard-ähnlichen Reaktionsprodukten aus Biomasse.