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Erfindungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Energie aus von
Biomasse, mit mindestens einer Vorrichtung zur Behandlung der Biomasse.
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Hintergrund
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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.
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Die
Nutzung von feuchter Biomasse zur Energiegewinnung durch Herstellung
eines möglichst einheitlichen
Brennstoffs wird seit längerem
angestrebt, ist bisher aber durch mangelnde Effizienz der energetischen
Nutzbarkeit und geringe Wirtschaftlichkeit in ihrer Anwendung begrenzt.
Kohlendioxid-Emissionen durch die Verbrennung fossiler Energieträger werden
im Wesentlichen für
den Klimawandel verantwortlich gemacht. Bei der energetischen Verwertung
von Biomasse wird nur so viel Kohlendioxid in die Atmosphäre freigesetzt,
wie die lebenden Pflanzen zuvor zum Wachstum benötigen. Die Nutzung von Brennstoffen
aus Biomasse ist daher Kohlendioxid-neutral und damit klimaverträglich. Weiter kann
die Herstellung von Humus, der zum Beispiel auf landwirtschaftlichen
Nutzflächen
ausgebracht wird, als CO2-Senke dienen.
Ohne solche Maßnahmen
und ohne den verstärkten
energetischen Einsatz nicht-fossiler Brennstoffe aus Biomasse sind
Klimaschutzziele wie sie zum Beispiel im Kyoto-Protokoll festgelegt
wurden, nur schwer zu erreichen.
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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 Um wandlungsprodukte, 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.
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Beschreibung der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anlage zu schaffen,
die eine effiziente Erzeugung von Energie aus Biomasse im industriellen Maßstab ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Anlage der eingangs genannten Art gelöst, die mindestens eine Anordnung
zur Energieerzeugung umfasst.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die
Anordnung zur Energieerzeugung eine Verbrennungsanlage umfasst,
in der die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Behandlung der Biomasse hergestellten Brennstoffe direkt verbrannt
und zur Erzeugung von Verbrennungsgasen und Wasserdampf genutzt
werden können. Die
Verbrennungsanlage ist vorzugsweise mit einer Turbine und einem
Generator gekoppelt, so dass aus den in der Verbrennungsanlage erzeugten
Gasen und dem Wasserdampf elektrischer Strom erzeugt werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung
kann in vorteilhafter Weise ein kombinierter Gas-Dampfturbinenprozess
zur Stromerzeugung mit höchstmöglichen
Effizienzgraden höher
als 43 Prozent, bevorzugt höher
als 46 Prozent, besonders bevorzugt 49 Prozent–55 Prozent, realisiert werden. Um
die Abluft der Verbrennungsanlage umweltgerecht zu reinigen, ist
ferner vorgesehen, dass an die Verbrennungsanlage eine Rauchgasreinigungsanlage
angeschlossen ist.
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Die
Anordnung zur Energieerzeugung umfasst vorzugsweise einen Pelletofen
oder ein Kraftwerk mit Kohlenstaubfeuerung, bevorzugt mit einer druckaufgeladenen
stationären
Wirbelschichtfeuerung (DKSW), besonders bevorzugt mit Druckkohlenstaubfeuerung
(DKSF).
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Vorzugsweise
umfasst die Anordnung zur Energieerzeugung eine Kohlenstoff-Brennstoffzelle.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Vorrichtung zur Behandlung der Biomasse mindestens einen
Reaktor zur Aufnahme der Biomasse und mindestens eine Einrichtung
zur Bearbeitung der Biomasse und/oder Aufarbeitung der Reaktionsprodukte
und/oder der Nebenprodukte aufweist.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Reaktor ein Rohrreaktor, Kreislaufreaktor und besonders
vorteilhaft ein Schlaufenreaktor oder Rührreaktor, und/oder vorzugsweise
ein Membran- und/oder Wirbelschichtreaktor. Vorzugsweise umfasst
mindestens ein Reaktor mindestens ein Membranteil und/oder mindestens eine
Einrichtung zur Erzeugung einer zirkulierenden Wirbelschicht.
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Um
die Kapazität
der erfindungsgemäßen Anlage
zu erhöhen,
sind vorzugsweise mehrere Reaktoren zur Aufnahme und Behandlung
der Biomasse vorgesehen. Diese sollten dann in Serie geschaltet
sein.
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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 und/oder
mindestens ein Wärmeaustauschrohr
oder eine -platte umfassen. Das Temperierungssystem kann auch eine
Doppelwand beziehungsweise Doppelrohr-Konstruktion des Reaktors
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.
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.
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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.
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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 mit Keramikscheiben und bevorzugt
ein Rotationsscheibenfilter und besonders ein Zentrifugalmembranfilter.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Einrichtung eine biologische, physikalische oder Wasseraufbereitungsanlage
oder eine Kombination derselben ist, die vorzugsweise mindestens
eine Fest-Flüssigtrennung,
einen Bioreaktor, bevorzugt einen Biomembranreaktor, eine Umkehrosmose,
Mikrofiltration, Ultrafiltration und/oder eine Naßoxidation
umfasst. Der Bioreaktor umfasst dabei vorzugsweise mindestens einen
Schlaufenrektor.
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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.
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Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Anlage zur Erzeugung von
Energie, insbesondere elektrischem Strom.
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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.
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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.
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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.
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Aufarbeitung
und/oder Konditionierung der Reaktionsprodukte und/oder Nebenprodukte
im Sinne der Erfindung umfasst alle Einwirkungen auf die Neben-
und/oder Endprodukte der Umsetzungsreaktion, mittels derer diese
in die gewünschte
oder erforderliche Form gebracht werden.
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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 diese 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.
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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.
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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 chemischem 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.
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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.
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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.
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Eine
Anlage besteht aus mindestens zwei Vorrichtungen oder Einrichtungen
zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ein fester Bestandteil der Anlage ist dann eine Vorrichtung beziehungsweise
ein Behälter,
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Brennstoffe
sind Stoffe, die zur Energieerzeugung dienen und beispielsweise
mittels thermischer, chemischer, elektrischer oder anderer Verfahren
in Energie umgesetzt werden.
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Werkstoffe
sind Stoffe, die durch Weiterverarbeitung, Behandlung oder Konditionierung
in ein Produkt weiterverarbeitet werden oder als Arbeitsgegenstände in ein
Endprodukt eingehen.
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Beschreibung beispielhafter
und bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung
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Im
Folgenden wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert.
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1 zeigt
beispielhaft eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anlage.
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Die
erfindungsgemäße Anlageumfasst
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. Der erfindungsgemäße Reaktor kann beispielsweise
ein Rohrreaktor, Kaskadenreaktor, Kreislaufreaktor, Schlaufenreaktor,
Membranreaktor, oder ein Rührkessel-
beziehungsweise Rührkesselreaktor
sein. Der erfindungsgemäße Reaktor
sollte aufgrund des erforderlichen Drucks als Druckbehälter ausgelegt sein.
Die Auslegung der Druckbehälterform
ist von der Prozessführung
und von der angewandten Mischtechnik abhängig.
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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 Wirbel schichtreaktortypen.
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 Fluid-ähnliche 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 so genannten 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.
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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.
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Der
erfindungsgemäße Reaktor
weist vorzugsweise eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften
auf.
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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 Reaktionsräume
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 vorgeschaltetet 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 Druckbehäl ter 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. Durch die kontinuierliche Abtrennung von
Wasser während
des Prozessverlaufs kann das Volumen pro Reaktor im Reaktionsverlauf
abnehmen oder alternativ schneller umsetzbare Ausgangsstoffe zugeführt werden.
Weiter ermöglicht
eine Schaltung mehrerer Reaktoren in Serie, die voneinander zum
Beispiel durch Ventile getrennt sind, eine gezieltes Befüllen beziehungsweise
Nachfüllen
einzelner Druckbehälter
mit frischen Ausgangstoffen 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
Membranbleche 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.
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Mindestens
ein Druckbehälter
zur Aufnahme der in den Reaktoren enthaltenen Druckluft soll eingesetzt
und in die Anlage integriert werden. Denn in dieser Druckluft ist
Energie gespeichert, die in den Prozess zurückgeführt werden kann. Ein Ablassen dieser
Druckluft findet pro Zyklus mindestens einmal in dem Reaktor statt,
in den jeweils frische Ausgangsstoffe vorgelegt werden. Dazu wird
der Druck soweit reduziert, dass ein Befüllen des Reaktors unter geringst
möglichem
Verschleiß der
dabei verwendeten Fördereinrichtungen
einschließlich
Pumpen möglich ist.
Dies kann auch bedeuten, dass der ursprüngliche Druck bis zum Umgebungsdruck
gesenkt wird. Nach dem Befüllungsvorgang
kann die gespeicherte Druckluft wieder in den frisch befüllten Reaktor
zurückgeführt werden.
Eine weitere Verwendungsmöglichkeit
für die
Druckluft sind Trocknungsprozesse wie sie an anderer Stelle näher ausgeführt werden. Weiter
kann durch die Integration eines Wärmeaustauschprozesses die Druckluft
auch für
Prozesse im Temperaturbereich bis etwa 40 Grad Celsius verfügbar gemacht
werden. Beispielsweise kann Druckluft für pneumatische Förderanwendungen
von Schüttgütern angewendet
werden.
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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 Flüssigkeitsstrahlmischer
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.
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Ein
Membranreaktor ist eine Vorrichtung, die die Kombination chemischer
Reaktionen 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. 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.
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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 Membranbleche oder eine fluiddurchlässige Kartusche
eingesetzt.
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Membranbleche
bestehen aus durchlöcherten
Blechen, die den Transport insbesondere von Gasen und Flüssigkeiten
durch das Blech 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 Membranblech 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 Membranbleche
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 zum Einsatz.
Eine Technik zur Aufbringung der Beschichtung ist die Plattierung.
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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 Membranblechen ausgekleidet werden. Die Kartusche
hat zumeist eine zylindrische Form und kann einem Grid, das heißt einer
netzähnlichen
Struktur, oder Metallstegen aufliegen.
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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.
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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 ge bohrt werden verhindert
oder minimiert werden. Der Durchmesser und die Form der Löcher entsprechen
denen in den Membranblechen oder in der Kartusche. Die Abstände der
Löcher
sollen so weit wie möglich
auseinander liegen, damit möglichst
wenig Medium in den Reaktionsraum gelangt.
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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.
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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.
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Die
Kartusche oder die Membranbleche 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.
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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 Membranbleche 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.
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Die
Löcher
in den Membranblechen oder in der Kartusche werden mittels Laser
in das Blech 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 Durchmesser 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
Boden- beziehungsweise Wandteilen. 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.
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Zwischen
der Reaktorwand und den Membranblechen wird ein zum Reaktorinnenraum
abgedichteter Hohlraum belassen, der zur Durchleitung von Lösungsmittel,
Wasser oder Wasserdampf dient. Der Überdruck des aus den Bohrungen
austretenden Prozesswas sers ist stets so hoch, dass ein Eindringen
von Reaktionsgemisch verhindert wird. Die Stärke der Membranbleche oder
Kartuschenwand ist so ausgelegt, dass die Wandstärke den Anforderungen der Druckdifferenzen
zwischen der Innen- und Außenseite
gerecht wird. Die Membranbleche 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.
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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.
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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 bevor zugt 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.
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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 Flüssigkeitsstrahlpumpen
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.
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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 Polymerisa tion 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.
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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.
Gleichzei tig 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 wirksam 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.
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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 bezie hungsweise 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.
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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.
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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.
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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.
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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
Einleitungsgrenzwerte 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
-
Fest-Flüssig-Trennung
-
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 Prozesswasseraufbereitung 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.
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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.
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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 Hochleis tungsbioreaktor 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.
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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.
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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.
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Vor,
während
oder nach diesem Prozess finden ein oder mehrere Zerkleinerungsschritte
statt. Dazu werden bevorzugt Mühlen
oder Pressverfahren eingesetzt.
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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.
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Neben
mechanischen Vorrichtungen, die der Trocknung zumeist aus energetischen
Gründen
vorzuschalten sind, werden thermische Trennverfahren zur Trocknung
bevorzugt eingesetzt. 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.
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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.
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Bevorzugt
wird ein kombiniertes mechanischthermisches 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 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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Verbrennung der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugten Brennstoffe
bzw. Reaktionsprodukte kann in Abhängigkeit von der Art der Brennstoffe
beispielsweise in Pelletöfen,
Pelletkesseln oder Anbaubrennern, vorzugsweise mit automatischer
Brennstoffzufuhr, erfolgen.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
zur Energieerzeugung kann beispielsweise eine Verbrennungsanlage
aufweisen, deren Form und Größe des Brenntellers
an den Aschegehalt angepasst sind. Da der Aschegehalt bei der Verwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
geringer ist, reichen kleinere Brenntellerdurchmesser. Zur Verhinderung
von Anbackungen am Brennteller ist die erfindungsgemäße Verbrennungsanlage
mit einer automatischen Vorrichtung zur Entfernung der Asche vom
Brennteller ausgestattet.
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Bei
der Energieerzeugung aus staubförmigen
Brennstoffen umfasst die erfindungsgemäße Anlage zur Verbrennung des
Staubs ein Kohlekraftwerk beziehungsweise Kohlenstaubfeueurng mit
mindestens einer Dampfturbine oder ein super- oder überkritisches
Kohlekraftwerk (supercritical coal-fired power plant). Zur Erzielung
hoher Wirkungsgrade findet der Verbrennungsprozess bei möglichst
hohen Temperaturen von über
600 Grad Celsius, bevorzugt über
650 Grad Celsius und besonders bevorzugt über 700 Grad Celsius statt.
Weitere Effizienzsteigerung im Hochtemperaturbereich können beispielsweise durch
den Einsatz moderner Kraftwerkstechnologien genutzt werden, so dass
eine kombinierter Gas-Dampfturbinenprozess
mit höchstmöglichen
Effizienzgraden zur Stromerzeugung höher als 43 Prozent, bevorzugt
höher als
46 Prozent, besonders bevorzugt 49 Prozent–55 Prozent, realisiert werden kann.
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Für eine Nutzung
des Kombiprozesses können
das IGCC-Konzept mit integrierter Kohlevergasung, bevorzugt auch
Wirbelschichtfeuerungen, vor allem die druckaufgeladene stationäre Wirbelschichtfeuerung
(DWSF) mit Kombiprozess und besonders bevorzugt Kombikraftwerke
mit Druckkohlenstaubfeuerung (DKSF), eingesetzt werden.
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Der
Verbrennungsprozess sollte eine Gaseintrittstemperatur von > 1.000 Grad Celsius,
bevorzugt > 1.200
Grad Celsius und besonders bevorzugt > 1.400 Grad Celsius, aufweisen. Die Hochtemperaturgasreinigung
ist so geartet, dass der Partikelgehalt und der Gehalt an korrosiv
wirkenden Inhaltsstoffen, insbesondere Natrium- und Kaliumverbindungen,
als auch Schadgasen so weit verringert wird, dass das Rauchgas unmittelbar
einer Gasturbine zugeleitet werden kann, bevorzugt unter Ausnutzung
der Niedertemperaturplasma-Eigenschaften
des Rauchgases.
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Durch
das Vorsehen eines Rauchgasabscheiders innerhalb der erfindungsgemäßen Anlage kann
ein Partikelgehalt < 3
mg/m3 i. N. bei d < 3 Mikrometer, Alkaligehalt ≤ 0,01 mg/m3 i. N. realisiert werden.
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Ein
weiterer Weg zur Erzeugung von Strom bzw. Energie aus staubförmigen Brennstoffen
ist die Nutzung in einer Kohlenstoff-Brennstoffzelle. Eine Kohlenstoff-Brennstoffzelle
besitzt gegenüber
der Wasserstoff-Brennstoffzelle zwei entscheidende Vorteile: Zum
einen ist der Ladungszustand von Kohlenstoff doppelt so groß wie der
eines Wasserstoffmoleküls.
Die Gasvolumina vor und nach der Reaktion sind im Fall der Kohlenstoff-Brennstoffzelle gleich groß, dagegen
verschieden im Fall der Wasserstoff-Brennstoffzelle. Das bedeutet,
dass sich die Entropie im ersten Fall fast nicht verändert, der
gesamte Heizwert kann daher vollständig in elektrische Energie
gewandelt werden. Daher ist der Nutzungsgrad der Kohlenstoff-Brennstoffzelle
theoretisch bis zu 60 Prozent höher
als bei der Wasserstoff-Brennstoffzelle. Das Problem besteht darin,
die erforderlichen Teilchendich ten für den Kohlenstoff zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Anlage
bietet die Möglichkeit,
einen kohleähnlichen
Brennstoff mit einer Partikelgröße im Nanobereich
für die
Kohlenstoff-Brennstoffzelle herzustellen.
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Synergien
mit anderen Energieerzeugungsverfahren können durch gemeinsame Nutzung
von Vorrichtungen zur Energieerzeugung, insbesondere von Turbinen,
vorzugsweise Dampf- oder Gasturbinen, geschaffen werden. Zu den
erneuerbaren Energien bei denen sich eine gemeinsame Nutzung von Turbinen
und insbesondere von Dampf- oder Gasturbinen anbietet zählt das
Dispatchable Wind Power System (DWPS). Dabei wird komprimierte Luft
in einem Luftspeicher dekomprimiert. Diese Druckluft wird dann zusätzlich in
eine ohnehin laufende Turbine eingeleitet. Der Wirkungsgrad erhöht sich
durch Einleitung der Druckluft in eine ohnehin laufende Turbine
um mehr als 20 bis 200 Prozent, bevorzugt 40 bis 170 Prozent und
besonders bevorzugt um 60 bis 150 Prozent.
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Mindestens
ein Teil der Energie, die durch die Verwertung der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
hergestellten Brennstoffe erzeugt wird, insbesondere in Form von
Wärme- und/oder elektrischer
Energie, kann erfindungsgemäß durch
eine der folgenden Einrichtungen verwertet werden:
- • Fern-
und Nahwärmenetze;
- • Verarbeitungs-
und Behandlungsprozessen von Ausgangsstoffen, Wasser einschließlich Prozesswasser,
Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukten, insbesondere
von Brennstoffen, kohlenstoffhaltigen Werkstoffen, Humus und/oder Maillard-
bzw. Maillard-ähnlichen
Reaktionsprodukten aus Biomasse einschließlich Zerkleinerung, Trocknung,
Entwässerung,
Konditionierung, Aufreinigung und/oder Trocknung, Prozessen zur Metall-
und Störstoffentfernung,
insbesondere metallische Stoffe, zum Beispiel mittels Zyklonabscheider,
Inkubatoren, Rühr-
und Mischsysteme, Pumpen, Erwärmung,
Zuführung
von Wasserdampf, Wärmetauscherprozesse,
Verdichtung, Transport- und Förderprozesse,
Prozesswasser-, Wasser und Abwasseraufbereitung und Luftreinigung,
Fest-Flüssigtrennprozesse,
Kühlung
sowie Konditionierung zur Weiterverarbeitung und Energiegewinnung;
- • Industrielle
Betriebe zur Produktion, Verarbeitung und Bearbeitung von Metallen
und insbesondere von Aluminium, Ferrosilikon, Nahrungsmitteln insbesondere
Milchverarbeitung, Bierherstellung, Gartenbaubetriebe mit und ohne
Gewächshäuser und
Fleischverarbeitung;
- • Betriebe
zur Herstellung und Verarbeitung von Dünger und Düngemittel, Reifenrecylinganlagen;
- • Betriebe
und Produktionsstätten
der chemischen Industrie insbesondere für die Erzeugung und Verarbeitung
von Produkten aus Luftbestandteilen und anderen Stoffen in gasförmiger und flüssiger Form
einschließlich,
Sauerstoff, Stickstoff und Argon;
- • Wasserreinigungs-
und Entsalzungsanlagen, insbesondere unter Nutzung der Umkehrosmose; oder
- • Ölmühlen, Raffinerien,
Anlagen zur Ethanolherstellung.
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Zwecks
Wärme-
und Energieaustausch und zur Ausnutzung von Synergiepotenzialen
kann die Verwertung der mit der erfindungsgemäßen Anlage erzeugten Brennstoffe
und/oder Reaktionsprodukte gemeinsam mit verschiedenen Kraftwerks-
und Energieerzeugungsprozessen betrieben werden. Dazu sind insbesondere
geeignet:
- – Kohlekraftwerke,
darunter insbesondere das IGCC-Konzept mit integrierter Kohlevergasung,
bevorzugt auch Kohlestaub-Kraftwerke, insbesondere Wirbelschichtfeuerungen,
vor allem die druckaufgeladene stationäre Wirbelschichffeuerung (DWSF)
mit Kombiprozess und besonders bevorzugt Kombikraftwerke mit Druckkohlenstaubfeuerung
(DKSF);
- – Gaskraftwerke;
- – Brennstoffzellen
mit unterschiedlichen Brennstoffen einschließlich Methanol, Kohle, Öl und Gas;
- – Biomassekraftwerke;
oder
- – Solarkraftwerke.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Anlage zur
Erzeugung von Energie mit einer Vorrichtung 1 zur Behandlung
der Biomasse und einer Anordnung 2 zur Energieerzeugung.
Die Vorrichtung 1 umfasst zwei in Serie geschaltete Reaktoren 3, 4,
die jeweils einen zylindrischen Grundkörper aufweisen, der einen Reaktionsraum 5 einschließt und eine
Art Druckbehälter
darstellt. Der Reaktionsraum 5 dient der Aufnahme der Ausgangsstoffe
einschließlich
der Biomasse. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner Zerkleinerungsvorrichtungen
in Form eines Häckslers 6 und
einer Mühle 7.
Die Biomasse wird zunächst
zur groben Zerkleinerung dem Häcksler 6 zugeführt (Pfeil 8)
und von dort aus zur weiteren Zerkleinerung in die Mühle 7 geführt. Die
derart vorbereitete Biomasse wird dann in einer Mischvorrich tung 9 intensiv
gemischt, wobei auch Hilfsstoffe, wie beispielsweise Katalysatoren, zugesetzt
werden können
(Pfeil 10). Die Biomasse wird anschließend mittels der Pumpvorrichtung 11 über die
Leitung 12 den Reaktoren 3, 4 zugeführt und in
deren Reaktionsräumen 5 unter
Druck, beispielsweise 7 bar, und bei hoher Temperatur, beispielsweise
mindestens 160°C,
weiter behandelt. Das Einstellen der erforderlichen Temperatur in
den Reaktionsräumen 5 wird
dabei durch das Temperierungssystem 13 sichergestellt.
Das Temperierungssystem 13 kann beispielsweise eine Einrichtung
zum Erhitzen eines Fluids umfassen, das mittels der Pumpe 14 Wärmetauschern
in bzw. an den Reaktoren 3, 4 zugeführt wird.
Die Einspeisung der Biomasse in die hintereinander angeordneten
Reaktoren 3, 4 wird über die Ventileinrichtungen 15, 16 gesteuert.
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Nach
der Behandlung der Biomasse werden die Reaktionsprodukte aus den
Reaktoren 3, 4 abgezogen und einer Trennvorrichtung 20 zugeführt, welche
die festen Reaktionsprodukte von den flüssigen Bestandteilen trennt.
Die flüssigen
Bestandteile werden einer Abwasseraufbereitungsanlage 21 zugeführt und
dort umweltgerecht gereinigt. Die noch feuchten, festen Reaktionsprodukte
werden über
die Entspannungseinrichtung 22 in eine Trocknungsvorrichtung 23 eingebracht
und dort bis zum gewünschten
Restfeuchtgehalt getrocknet. Bei den getrockneten Reaktionsprodukten
handelt es sich in der Regel um Kohlestaub oder ähnliche Brennstoffe. Die Brennstoffe
werden in einem zwischen der Vorrichtung 1 und der Anordnung 2 angeordneten
Brennstofflager 24 zwischengelagert.
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Die
Anordnung 2 zur Energieerzeugung umfasst eine Verbrennungsanlage 30,
welche der Verbrennung der mittels der Vorrichtung 1 hergestellten Brennstoffe
dient. Die Wärmeenergie
der Verbrennung wird in der Verbrennungsanlage 30 genutzt,
um Wasser bzw. Wasserdampf in dem Rohr 31 zu erhitzen und
mit dem so erzeugten Wasserdampf die Turbine 32 anzutreiben.
Die Rotationsenergie der Turbine 32 wird dem Generator 33 zugeführt und
durch diesen in elektrische Energie umgewandelt, die beispielsweise
in ein Stromnetz eingespeist werden kann (Pfeil 34). Das
bei der Verbrennung in der Verbrennungsanlage 30 entstehende
Rauchgas wird in einem Reinigungsverfahren 35, das beispielsweise eine
Rauchgasentschwefelung und eine Rauchgasentstickung umfasst behandelt,
bevor es über
einen Schornstein 36 ins Freie abgeführt wird.