DE102007062811A1 - Aus Biomasse hergestellter Werk- und/oder Brennstoff - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Werk- und/oder Brennstoff, der aus Biomasse hergestellt wird. Der Werk- und/oder Brennstoff kann nach einem Verfahren hergestellt werden, bei dem die Biomasse bei einer Temperatur von über 100°C und einem Druck von über 5 bar für eine Behandlungsdauer von mindestens einer Stunde behandelt wird.

Description

  • Erfindungsgebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Werk- und/oder Brennstoff, der aus Biomasse herstellbar ist. Der Werk- und/oder Brennstoff kann nach einem Verfahren hergestellt werden, bei dem die Biomasse bei hohen Temperaturen und unter Druck behandelt wird.
  • 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.
  • 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.
  • Biomasse umfasst im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen nachwachsende Rohstoffe, die als heimische Energieträger langfristig verfügbar sind, sowie alle flüssigen und festen or ganischen 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.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Werk- und/oder Brennstoff zur Verfügung zu stellen, der günstig herstellbar ist und im Vergleich zu den bekannten Werk- oder Brennstoffen verbesserte Eigenschaften aufweist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Werk- und/oder Brennstoff gelöst, der aus Biomasse hergestellt wurde und der einen im Vergleich zur Biomasse um 1 bis 300 Prozent höheren Kohlenstoffanteil aufweist. Der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff umfasst Brennstoffe von Torf, über Braunkohle bis zu Steinkohle-ähnliche Brennstoffe, Humus, Maillard- oder Maillard-ähnliche Reaktionsprodukte, sowie kohlenstoffhaltige Werkstoffe wie Dämmstoffe, Nanoschwämme, -kügelchen, -fasern, -kabel, Rein-, Reinst- und Ultrareinkohle-, bzw. Aktiv- oder Sorptionskohle-ähnliche Stoffe, Grillkohleersatzstoff, hochverdichtete Kohlenstoffprodukte und -Werkstoffe und insbesondere auch Ausgangs stoffe für Graphit und graphithaltige oder -artige Produkte sowie Kohlenstofffasern und Ausgangsstoffe für Verbund- oder Faserverbundwerkstoffe.
  • Der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff kann in vorteilhafter Weise einen im Vergleich zur Biomasse um 10 bis 300 Prozent, vorzugsweise 50 bis 300 Prozent, besonders bevorzugt 100 bis 300 Prozent, insbesondere 200 bis 300 Prozent erhöhten Kohlenstoffanteil aufweisen.
  • Alternativ kann der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff einen im Vergleich zur Biomasse um 5 bis 200 Prozent, vorzugsweise 10 bis 150 Prozent, besonders bevorzugt 10 bis 120 Prozent, insbesondere 50 bis 100 Prozent erhöhten Kohlenstoffanteil aufweisen.
  • Der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff weist einen Kohlenstoffanteil von 50 bis 90 Prozent, vorzugsweise von 55 bis 80 Prozent, besonders bevorzugt von über 98 Prozent, auf.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Wasserstoffanteil des Werk- und/oder Brennstoffs im Vergleich zur Biomasse um 1 bis 300 Prozent, bevorzugt 5 bis 200 Prozent, besonders bevorzugt 20 bis 100 Prozent vermindert.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Sauerstoffanteil des Werk- und/oder Brennstoffs im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis 300 Prozent, bevorzugt 5 bis 200 Prozent, besonders bevorzugt 15 bis 100 Prozent vermindert.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Stickstoffanteil des Werk- und/oder Brennstoffs im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis 300 Prozent, bevorzugt 5 bis 200 Prozent, besonders bevorzugt 15 bis 100 Prozent vermindert.
  • Der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff weist ferner insgesamt bis zu 65 Prozent des ursprünglichen Brennwertes der Biomasse, insbesondere der trockenen Biomasse, auf.
  • Der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff hat aufgrund seiner Zusammensetzung und Struktur im Vergleich zu Biomasse bzw. alternativen fossilen oder Biomasse- Brennstoffen deutlich günstigere Verbrennungseigenschaften aufgrund verminderter Ascheanteile, geringerem Chlor-, Nitrat-, Schwefel- und Schwermetallgehalt sowie geringerer Emissionen von Staub, Feinstaub und gasförmigen Schadstoffen einschließlich Stick- und Schwefeloxiden.
  • Der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff weist ferner im Vergleich zu Biomasse bzw. alternativen festen fossilen oder Biomasse-Brennstoffen eine höhere Reaktivität und eine niedrigere Selbstentzündungstemperatur auf.
  • Aufgrund seiner Porosität lässt sich der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff mit geringerem Energieaufwand zerkleinern als feste fossile Brennstoffe mit vergleichbarem Brennwert bzw. Kohlenstoffgehalt.
  • Besonders vorteilhaft sind die große Oberfläche und die geringe Partikelgröße des erfindungsgemäßen Werk- und/oder Brennstoffs, insbesondere ein Partikelgröße von etwa 2 Nanometer bis 50 Mikrometer, bevorzugt unter einem Mikrometer und besonders bevorzugt unter 200 Nanometer. Der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff lässt sich aufgrund der kleinen Partikelgröße und seiner großen Oberfläche gut trocknen.
  • Der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff enthält in besonders vorteilhafter Weise Maillard- oder Maillard-ähnliche Reaktionsprodukte.
  • In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff, aus Biomasse nach einem Verfahren hergestellt, das zumindest die folgenden Schritte umfasst:
    Behandlung der Biomasse bei einer Temperatur von über 100 Grad Celsius und einem Druck von über 5 bar für eine Behandlungsdauer von mindestens 1 Stunde sowie Bearbeitung der Biomasse und/oder Aufarbeitung der Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukte. Vorzugsweise wird dabei die Temperatur auf über 160 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen 160 und 300 Grad Celsius, besonders bevorzugt zwischen 185 und 225 Grad, eingestellt. Der Druck wird vorzugsweise auf mindestens 7 bar, vorzugsweise zwischen 10 und 34 bar, besonders bevorzugt zwischen 10 und 17 bar, 18 und 26 bar oder 27 und 34 bar, eingestellt. Die Behandlungsdauer liegt in vorteilhafter Ausgestaltung bei mindestens 2 Stunden, vorzugsweise 3 bis 60 Stunden, besonders bevorzugt 5 bis 30 Stunden oder 31 bis 60 Stunden, insbesondere 6 bis 12 Stunden oder 13 bis 24 Stunden. Nach der Behandlung der Biomasse werden die Reaktionsprodukte mit einem Trockner, vorzugsweise einem Konvektions- oder Kontakttrockner, besonders bevorzugt mit einem Strom- und/oder Band-, und/oder Wirbelschichttrockner, bis zu einem gewünschten Restfeuchtigkeitsgehalt von 6 bis 25 Prozent, bevorzugt 10 bis 20 Prozent, besonders bevorzugt 12 bis 15 Prozent, getrocknet.
  • Die Reaktions-, Zwischen-, Neben und Endprodukte des oben beschriebenen Verfahrens umfassen Brennstoffe von Torf, über Braunkohle bis zu Steinkohle-ähnliche Brennstoffe, Humus, Maillard- oder Maillard-ähnliche Reaktionsprodukte, sowie 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.
  • Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des erfindungsgemäß hergestellten Werk- und/oder Brennstoffs zur Erzeugung von Energie 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 Zerkleine rung 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 Endprodukte der Umsetzungsreaktion, mittels derer diese in die gewünschte oder erforderliche Form gebracht werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beschreibung beispielhafter und bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
  • Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert.
  • Da Biomasse eine komplexe Mischung variabler Zusammensetzung ist und die unterschiedlichen Reaktionszwischenprodukte durch die ständige Durchmischung miteinander reagieren, ist es schwierig, einzelne Reaktionen in ihrer zeitlichen Abfolge und innerhalb des Reaktionsnetzwerks präzise zu charakterisieren. Der Umsetzungsprozess lässt sich grob in vier Phasen unterteilen:
    • 1. Aufwärmehase: Die Biomasse wird auf Temperatur und Druck gebracht. Durch Zuführung von Energie wird die Depolymerisationsphase eingeleitet. Bereits während der Aufwärmehase kommt es initial insbesondere bei Biomassen mit hohem Kohlehydratanteil zu Quellungsreaktionen, Dabei wird Wasser zwischen Polysacchariden in der Zellwand eingelagert. Während des Quellungsprozesses kommt weiter vorübergehend zur Ausbildung von gallertartigen im weiteren Verlauf auch kolloidalen Strukturen, die sich im weiteren Verlauf der Depolymerisationsphase wieder auflösen.
    • 2. Depolymerisationsphase: Dabei werden die ursprünglichen Strukturproteine aufgelöst, die insbesondere im Fall von pflanzlicher Biomasse vor allem aus polymerisierten Strukturproteinen Cellulose, Hemicellulose und Lignin bestehen. Es entstehen mono- und oligomere Kohlenstoffverbindungen. Je höher der Anteil an widerstandsfähigen und vernetzten Strukturproteinen ist und je kleiner die Oberfläche der Ausgangsstoffe ist, desto mehr Zeit wird für die Depolymerisationsphase benötigt. Gleichzeitig kommt es zur Hydrolyse, das heißt es kommt zur Spaltung von chemischen Verbindungen durch Reaktion mit Wasser. Je höher der Anteil an Kohlehydraten, nicht-pflanzlichen und Nichtstruktur-Proteinen und Fetten, beziehungsweise je geringer der Anteil an lignocellulosehaltiger Biomasse desto schneller verläuft diese Phase. Gegen Ende dieser Phase steigt die Wärmeenergiefreisetzung an und es hat sich ein Rohöl-ähnlicher Stoff gebildet.
    • 3. Polymerisationsphase: Die monomerisierten und unvernetzten Kohlenstoffverbindungen werden neu strukturiert und vernetzt. Es bilden sich Agglomerate, die sich makroskopisch an die ursprünglichen Grobstrukturen der Ausgangsstoffe anlehnen, aber den inneren Zusammenhalt im Hinblick auf die übergeordnete Struktur verloren haben und damit auch ihre Fasrigkeit und Festigkeit. Die neu gebildeten Strukturen, die eine höhere Brüchigkeit und Porosität aufweisen, bestehen in Zwischen- aber auch in Endstadien aus kleinen Partikeln mit einem Durchmesser von einigen hundert Mikrometern bis zu 5 Nanometer und kleiner. Es bilden sich neue Kohlenstoff verbindungen, die Ähnlichkeiten mit denen in natürlicher Kohle aufweisen. Sie bestehen unter anderem aus verschiedenen Guajacyl-, Cumaryl-, Syringyl- und Fettsäuremethylestern sowie Terpenderivaten. Gleichzeitig nehmen die Konzentrationen verschiedener Chemolysatbestandteile ab, insbesondere die bestimmter Cumaryl- und Guajacylverbindungen. Zu den wichtigsten Unterscheidungsmerkmalen gegenüber fossilen Brennstoffen zählt vor allem das Vorliegen von Maillard-Reaktionsprodukten in der flüssigen und festen Phase der Reaktionsprodukte.
    • 4. Stabilisierungsphase: Während die Depolymerisations- und Polymerisationsphase exotherm ablaufen, nimmt in dieser Phase die Wärmeenergiefreisetzung deutlich ab und die Reaktion läuft in der Stabilisierungsphase aus und kommt schließlich zum Stillstand.
  • Die Eigenschaften des Reaktionsprodukts wie Reinheitsgrad, Form, Struktur, Dichte, Festigkeit, Partikelgröße, Oberflächenstruktur, Zusammensetzung, Verbrennungseigenschaften, Brennwert und Energiegehalt sind abhängig von den Verfahrens- beziehungsweise Reaktionsbedingungen, also von den Parametern, die für die Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das heißt für die Prozessführung, verantwortlich sind. Die Reaktions- beziehungsweise Verfahrensführung wird unter anderem durch folgende Faktoren beeinflusst:
    • 1. Zusammensetzung und Eigenschaften der Edukte einschließlich Dichte, Partikelgröße, Feuchtigkeitsgehalt, Reinheit, Kohlenstoff-, Mineralien- und Alkaligehalt etc.
    • 2. Verhältnis zwischen fester und flüssiger Phase beziehungsweise Trockenmasse und Prozesswasser.
    • 3. Temperatur, Druck, sowie die Schwankungsbreite dieser Parameter.
    • 4. Katalysatoren: Auswahl, Zusammensetzung, Konzentrationen, Partikelgröße, Mischungsverhältnis und Zuführungszeitpunkte. Die Reaktion kann beschleunigt und gelenkt werden durch die Zuführung von Katalysatoren beziehungsweise Katalysatorgemischen zu späteren Zeitpunkten im Reaktionsverlauf. Dadurch kann die Eigenschaften des Reaktionsprodukts beeinflusst werden. Eine wesentliche Rolle zur Formgebung und Struktur des Endprodukts spielt die Partikelgröße des metallischen Katalysators. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird wesentlich durch die Stärke der Säure (pKs-Wert) mitbestimmt.
    • 5. Wärmeaustauschsysteme und Geschwindigkeit von Temperaturanpassungen, pH-Wert, Konzentrationsverhältnisse, auch im Prozesswasser.
    • 6. Stoffliche Veränderung des Reaktionsgemischs: Unter anderem Zunahme der Dichte und Brüchigkeit während der Umsetzungsreaktion.
    • 7. Geschwindigkeit der Polymerisation, denn desto schneller der Verlauf der Polymerisation, desto reiner das Reaktionsprodukt.
    • 8. Art der Durchmischung und des Energieeintrags, Strömungsgeschwindigkeit und Scherkräfte sowie Mischungsintervalle und Zeitpunkte.
    • 9. Prozesswasser: Konzentration von Alkalisalzen, Säuren, Elementen wie Chlor, Schwefel und ihre Salze sowie Metalle und Mineralien einschließlich Phosphor- und Nitratverbindungen. Aufreinigungsverfahren des Prozesswassers während und außerhalb des laufenden Prozesses.
    • 10. Konzentration von Störstoffen wie zum Beispiel Sand oder Stoffe, die den Reaktionsverlauf behindern, verlangsamen, verzögern oder zu unerwünschten Nebenprodukten oder aus Ausfällungen führen.
    • 11. Art der Durchführung einschließlich der Intensität und Dauer der hier genannten Verfahrensschritte.
    • 12. Auswahl, Kombination, Zusammenwirken und Steuerung der Temperierungs- und Mischsysteme.
    • 13. Auswahl, Kombination, Leistungsfähigkeit und Effizienz der Prozesswasseraufbereitung und -führung einschließlich Berücksichtigung der erforderlichen Anpassung an variable Reaktionsvolumina durch die Prozesswasser- und Stoffzufuhr beziehungsweise -entnahme.
  • Bevorzugte Verfahrensschritte können beispielsweise sein:
    • 1. Bereitstellung von Ausgangsstoffen einschließlich Biomasse, Ausgangsstoffen, Katalysatoren und Wasser.
    • 2. Vorbehandlung
    • a. Entwässerung und/oder Trocknung der Ausgangsstoffe
    • b. Zerkleinerung der Ausgangsstoffe und gegebenenfalls der Katalysatoren
    • c. Metall- und Störstoffentfernung
    • 3. Inkubation mit Katalysator, insbesondere mit Säure
    • 4. Beimischung eines oder mehrerer weiterer Katalysatoren
    • 5. Vorwärmung der Biomasse
    • 6. Verdichtung, zum Beispiel bei Einführen in den Reaktor
    • 7. Einbringen in Druckbehälter oder Reaktionsraum
    • 8. Aufwärmen
    • 9. Prozesswasseraufbereitung und Luftreinigung
    • 10. Ausbringung des Reaktionsprodukts aus dem Reaktionsraum
    • 11. Abtrennung von Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukte aus dem Reaktionsgemisch
    • 12. Trocknen des gewünschten Reaktionsprodukts
    • 13. Zerkleinern des gewünschten Reaktionsprodukts
    • 14. Abkühlen des gewünschten Reaktionsprodukts
    • 15. Konditionierung
    • 16. Energiegewinnung, insbesondere durch thermische Verwertung.
  • In verschiedenen Schritten vor und nach dem chemischen Umsetzungsprozess werden die Ausgangsstoffe sowie die Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukte bearbeitet. Die Bearbeitungsschritte zielen auf eine Stoffumsetzung im industriellen oder Technikumsmaßstab ab. So ist unter Bearbeitung mehr als ein händisches Zerlegen oder eine manuelle Zerkleinerung mit einer Schere zu verstehen. Die Bearbeitung der Biomasse und/oder Aufarbeitung der Reaktionsprodukte und/oder der Nebenprodukte geht beim erfindungsgemäßen Verfahren 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, hinaus. Sie umfasst auch die unter Punkt 9 und 10 der für das semikontinuierliche oder kontinuierliche Verfahren genannten Kriterien zum Rühr- oder Mischsystem und/oder Temperierungssystem.
  • Vorzugsweise wird die Biomasse in der Regel bereits vor der Lagerung und besonders vor dem eigentlichen Umsetzungsprozess, insbesondere vor und/oder nach dem Einfüllen in den Reaktionsraum, zerkleinert. Die Zerkleinerung erfolgt insbesondere auf mechanischem Wege bevorzugt durch Häckseln und besonders bevorzugt mittels einer Vorrichtung zum Mahlen beispielsweise einer Schrotmühle. Je nach Ausgangsstoff und gewünschter Partikelgröße kommen unterschiedliche Häcksler- und/oder Mühlentypen zum Einsatz. Die Partikelgröße hat wesentlichen Einfluss auf den Reaktionsverlauf. Denn je kleiner die Partikelgröße desto größer ist die Oberfläche der Ausgangsstoffe. Je größer die Oberfläche der Reaktionspartner, desto schneller die chemische Umsetzung. Daher sollte die Partikelgröße der zerkleinerten Biomasse unter 10 cm, bevorzugt unter 1 cm und besonders bevorzugt unter 2 mm liegen. Der Energie-, Zeit-, und Materialaufwand beim Zerkleinerungsprozess ist dabei von der Prozessführung und insbesondere von der Beschaffenheit des Ausgangsstoffs, Partikelgröße und Verweildauer abhängig.
  • Teil der Vorbehandlung ist auch die Inkubation in einem sauren Milieu oder Medium bei einem pH-Wert, der unter 6, bevorzugt unter 5, besonders bevorzugt unter 4, insbesondere unter 3 und dabei vorzugsweise unter 2 liegt. Die erforderliche Zeitdauer dieses Schrittes nimmt mit zunehmender Zerkleinerung und mit sinkendem pH-Wert ab. Die Inkubation bei saurem pH-Wert kann beispielsweise nach dem Zerkleinern erfolgen.
  • Insbesondere metallische, anorganische oder sandähnliche Stoffe und andere Störstoffe werden von der Biomasse getrennt. Es werden Verfahren und Prozesse angewandt, wie sie im Rahmen der Behandlung von Biomasse und Biomüll zum Beispiel in Biogasanlagen etabliert sind.
  • Nach Vorinkubation im sauren Medium aber auch zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt kann ein Katalysator mit oder ohne Zugabe von Wasser und/oder in einer wässrigen Lösung dazu gegeben werden. Der Katalysator kann aus mindestens einer oder auch mehreren, verschiedenen Komponenten bestehen. Diese bilden dann gemeinsam ein Katalysatorgemisch. Eine Komponente des Katalysators kann beispielsweise aus einer Säure bestehen. Die Reaktionsführung wird entscheidend durch Auswahl, Zusammensetzung, Konzentrationen, Partikelgröße, Mischungsverhältnis, Zuführungszeitpunkte der Katalysatoren beeinflusst. Diese Katalysator-abhängigen Faktoren haben daher großen Einfluss auf die Formgebung, Gestalt und Eigenschaften des Endprodukts. Eine wesentliche Rolle zur Formgebung und Struktur des Endprodukts spielt die Partikelgröße des metallischen Katalysators. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird wesentlich durch die Stärke der Säure (pKs-Wert) bestimmt. Werden zum Beispiel Partikel kleiner zehn Mikrometer, bevorzugt 200 bis 1000 Nanometer und besonders bevorzugt 10 bis 199 Nanometer eingesetzt, erhöht sich die Wahrscheinlichkeit der Ausbildung gleichmäßiger faserähnlicher Nanostrukturen. Je kleiner die Partikelgröße desto klarer definiert sind die faserartigen Strukturen der neuen Kohlenstoffverbindungen. Allerdings spielt für die Lenkung des Reaktionsverlaufs zur Herstellung von definierten Nanostrukturen der Kohlehydratgehalt sowie die Partikelgröße und eine möglichst einheitliche Partikelgröße des Ausgangsstoffs eine ent scheidende Rolle. Die Reaktion kann beschleunigt und gelenkt werden durch den Zeitpunkt der Zuführung von Katalysatoren beziehungsweise Katalysatorgemischen. Auch eine Zuführung zu späteren Zeitpunkten im Reaktionsverlauf kann in Abhängigkeit vom erwünschten Endprodukt sinnvoll sein. Als Säuren kommen auch anorganische Säuren zum Einsatz, bevorzugt Mineralsäuren, besonders bevorzugt starke Säuren, das heißt Säuren mit einem möglichst niedrigem pKs. Die eingesetzten Säuren und ihre Reaktionsprodukte sollen nicht giftig sein und eine minimale korrosive Wirkung haben. Weiter sollen sie im Reaktionsprodukt möglichst nicht mehr nachweisbar sein und stoffliche Bestandteile möglichst leicht aufzureinigen sein. Schwefelsäure, die auch Lebensmittelzusatzstoff Verwendung findet, erfüllt die meisten Anforderungen und ist daher besonders geeignet. Es können auch verschiedene Säuren kombiniert werden. Alternativ oder zusätzlich werden Carbonsäuren und insbesondere Protonensäuren eingesetzt. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung einer Di- oder Tricarbonsäure, und vor allem von Weinsäure oder Zitronensäure herausgestellt. Sowohl Zitronensäure als auch Weinsäure sind kristallin und nicht toxisch. Beide kommen in der Natur in Früchten vor (Zitronensäure in Zitrusfrüchten wie zum Beispiel Zitronen, Weinsäure in Weintrauben). Die Säure, die als Katalysatorkomponente eingesetzt wird, kann gleichzeitig auch zur Herstellung des sauren Mediums für den Inkubationsschritt eingesetzt werden. Die Konzentration der Säure ist unter anderem abhängig vom pKs-Wert und beträgt etwa bezogen auf das Volumen 0,1 bis 3 Prozent 0,6 bis 2 Prozent und besonders bevorzugt 0,3 bis 1 Prozent. Eine Vorinkubation des Ausgangsstoffs mit Säure verkürzt die Reaktionszeit. Je länger die Vorinkubation, je stärker die Säure und je höher ihre Konzentration desto kürzer die Reaktionszeit. Der Katalysator oder das Katalysatorgemisch kann, insbesondere auch zusätzlich, ein oder mehrere Metalle umfassen. Es kommen vorzugsweise Übergangsmetalle wie Eisen, Nickel, Cobalt, Eisen, Kupfer, Chrom, Wolfram, Molybdän oder Titan zum Einsatz, wobei sich Eisen als besonders vorteilhaft herausgestellt hat. Die Zugabe des Katalysators kann vor Einbringung in den Reaktor aber auch zu anderen Zeiten während des Verfahrens erfolgen. Weiter können unterschiedliche Katalysatorgemische beziehungsweise -zusammensetzungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten dem Reaktionsgemisch zugeführt werden.
  • Die Biomasse wird gründlich mit dem Katalysator beziehungsweise Katalysatorgemisch vermischt. Der Katalysator bildet dann mit der Biomasse gemeinsam ein Reaktionsgemisch. Alternativ findet der Vermischungsvorgang innerhalb eines Reaktors statt. Die Verdichtung des Reaktionsgemischs kann in einem oder mehreren Schritten sowohl außer halb als auch innerhalb eines Reaktors erfolgen. Vorteilhaft ist eine möglichst hohe Verdichtung, die wiederum eine bessere Ausnutzung des Reaktionsraums bedeutet. Das Maß der Verdichtung ist abhängig von der Förderbarkeit in einen Reaktor, vom gewünschten Reaktionsprodukt und von der Prozessführung. Das Reaktionsgemisch kann nach der Vorbehandlung beispielsweise auch in einen Reaktor eingeführt werden.
  • Eine Vorwärmung kann beispielsweise vor der Einführung von Reaktionsbestandteilen in den Druckbehälterraum stattfinden. Es können sämtliche Reaktionspartner vorgewärmt werden. Unter den Ausgangsstoffen können alle aber insbesondere die Biomasse bis zu etwa 60–90 Grad Celsius erwärmt werden. Die Vorwärmung erfolgt zum Beispiel durch Zuführung von Wärmeenergie und insbesondere durch Zugabe von fast siedendem Prozesswasser, vorgewärmter Biomassesuspension oder anderem Wasser bei etwa einem bar Absolutdruck oder durch Zuführung von Wasser- oder Prozessdampf oder anderen Wärmeenergieträgern. Alternativ oder ergänzend kann dazu Wärmeenergie aus Wärmetauscherprozessen eingesetzt werden.
  • Die Reaktionszeit liegt je nach gewünschtem Reaktionsprodukt zwischen einer bis 60 Stunden, bevorzugt zwischen drei und 40 Stunden, besonders bevorzugt zwischen fünf und 18 Stunden. Die Reaktionszeit gilt als abgelaufen beziehungsweise die Reaktion als abgeschlossen, wenn keine nennenswerte Enthalpie mehr freigesetzt wird. Eine minimale Vorbehandlung und/oder die Auslassung einzelner Vorbehandlungsschritte kann die Reaktionszeit auf über 60 Stunden erhöhen. Die Reaktionszeit ist insbesondere abhängig von der Zusammensetzung und den Eigenschaften des jeweiligen Ausgangsstoffs. Je größer die Oberfläche, je kleiner die Partikelgröße, je geringer der Lignin- oder Celluloseanteil und je höher der Kohlenhydratanteil, desto schneller wird die Wärmeenergie in der Depolymerisationsphase freigesetzt und desto schneller wird die Stabilisierungsphase erreicht und die Reaktions- beziehungsweise Verweilzeit reduziert sich. Je kürzer die Umsetzungszeit des jeweiligen Ausgangsstoffs ist, desto später kann dieser zum Beispiel in eine bereits angelaufene Reaktion im Reaktor eingebracht werden. Eine kürzere Reaktionszeit wird auch bei relativ hohen Anteilen an Fett und nicht-pflanzlicher, nicht vernetzter zum Beispiel tierischer oder bakterieller Proteine erzielt. Das Auslaufen der Wärmeenergiefreisetzung während des Reaktionsprozesses ist ein Zeichen für den Abschluss des Umsetzungsprozesses.
  • Erfindungsgemäß können Temperaturen von bis zu 300 Grad Celsius erzeugt werden. Vorteilhaft sind jedoch Temperaturen zwischen 185 bis 205 Grad Celsius und insbesondere bis 215 Grad Celsius und besonders bevorzugt bis 225 Grad Celsius.
  • Erfindungsgemäß wird unter Luftabschluss ein Druck aufgebaut, der beispielsweise zwischen 7 und 90 bar liegt. Vorteilhaft ist ein Druck zwischen 11 und 18 bar, bevorzugt zwischen 19 und 26 bar, besonders bevorzug zwischen 27 und 34 bar.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann in jedem hierfür geeigneten Behälter bzw. Reaktor durchgeführt werden. In Abhängigkeit von der Prozessphase, der eingesetzten Menge Biomasse, vom Ausgangsstoff, oder vom gewünschten Reaktionsprodukt können unterschiedliche Reaktortypen eingesetzt werden. Zu den klassischen Reaktortypen, die für das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden können, zählt der Rohrreaktor, Kreislaufreaktor, Schlaufenreaktor, Membranreaktor, sowie der Rührkessel beziehungsweise Rührkesselreaktor. Der Reaktor sollte aufgrund des erforderlichen Drucks als Druckbehälter ausgelegt sein. Die Auslegung der Druckbehälterform ist von der Prozessführung und von der angewandten Mischtechnik abhängig.
  • 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 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.
  • 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 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.
  • 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.
  • Aus den Ausgangsstoffen werden im Verlauf der Prozessführung auch organische als auch anorganische Stoffe herausgelöst beziehungsweise leichter verfügbar und zugänglich gemacht. Dies geschieht zum Teil dadurch, dass die Stoffe in die wässrige Phase gehen, in der sie zum Teil in Lösung gehen. Dies hängt wiederum von den Reaktionsbedingungen ab. Zu den herausgelösten beziehungsweise leichter verfügbaren und zugänglichen Stoffen zählen neben den organisch gelösten und nicht-gelösten Stoffen auch anorganische Stoffe, wie Alkalien, Metalle, Salze und Säuren einschließlich huminsäureähnliche Stoffe, Calcium, Magnesium, Chlor, Eisen, Aluminium, Phosphor, Kalium, Natrium, Stickstoff und deren Verbindungen.
  • Die festen kohlenstoffhaltigen Bestandteile des Reaktionsprodukts, die nach der Umwandlungsreaktion als Werk- und/oder Brennstoffe vorliegen, weisen unter anderem folgende Eigenschaften auf:
    Die Zusammensetzung der Werk- und/oder Brennstoffe lässt sich durch die Reaktionsführung steuern. Die Konzentration einzelner Stoffe kann nicht ohne weiteres selektiv und unabhängig von anderen Stoffen variiert werden. Es lassen sich vielmehr verschiedene Stoffgruppen und Parameter gleichsinnig verändern. Beispielsweise wird bei einer Verminderung des Schwefelgehalt gleichzeitig auch der Chlor- und Aschegehalt vermindert.
  • Der Kohlenstoffanteil der Werk- und/oder Brennstoffe ist im Vergleich zur Biomasse um 10 bis 300 Prozent, vorzugsweise 50 bis 300 Prozent, besonders bevorzugt 100 bis 300 Prozent, insbesondere 200 bis 300 Prozent höher.
  • Der Kohlenstoffanteil der Werk- und/oder Brennstoffe ist im Vergleich zur Biomasse um 5 bis 200 Prozent, vorzugsweise 10 bis 150 Prozent, besonders bevorzugt 10 bis 120 Prozent, insbesondere 50 bis 100 Prozent höher.
  • Der Kohlenstoffanteil der erfindungsgemäße Werk- und/oder Brennstoff liegt in der Regel zwischen 40 bis 95 Prozent, bevorzugt 50 bis 90 Prozent und besonders bevorzugt bei 55 bis 80 Prozent. Der Kohlenstoffanteil kann in Abhängigkeit von der Reaktionsführung und vom Ausgangsstoff aber auch höhere Reinheitsgrade erreichen von über 98 Prozent.
  • Der Wasserstoffanteil des Werk- und/oder Brennstoffs ist im Vergleich zur Biomasse um 1 bis über 300 Prozent, bevorzugt 5 bis 200 Prozent, besonders bevorzugt 20 bis 100 Prozent vermindert.
  • Der Sauerstoffanteil des Werk- und/oder Brennstoffs ist im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis über 300 Prozent, bevorzugt 5 bis 200 Prozent, besonders bevorzugt 15 bis 100 Prozent vermindert.
  • Der Stickstoffanteil des Werk- und/oder Brennstoffs ist im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis über 300 Prozent, bevorzugt 5 bis 200 Prozent, besonders bevorzugt 15 bis 100 Prozent vermindert.
  • Der Schwefelanteil des Werk- und/oder Brennstoffs kann einen Bruchteils der Biomasse ausmachen und ist im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis 300 Prozent, bevorzugt 5 bis 200 Prozent oder um 200 bis 600 Prozent besonders bevorzugt 400 bis über 1800 Prozent vermindert.
  • Der Ascheanteil des Werk- und/oder Brennstoffs kann einen Bruchteils der Biomasse ausmachen und ist im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis 100 Prozent, bevorzugt 101 bis 1000 Prozent, besonders bevorzugt 1000 bis über 3000 Prozent vermindert.
  • Der Feinstaubanteil des Werk- und/oder Brennstoffs kann einen Bruchteils der Biomasse ausmachen und ist im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis 200 Prozent, bevorzugt 201 bis 1500 Prozent, besonders bevorzugt 1501 bis über 2000 Prozent vermindert.
  • Eine Verminderung der Mineralanteile sowie des Asche- und Feinstaubanteils bei der Verbrennung auf ein Mehrfaches zum Beispiel von deutlich über 300 Prozent ist nur durch einen hohen Anteil an Prozesswasser möglich. Durch Erhöhung des Prozesswasseranteils tritt eine Verdünnung der genannten Anteile aber auch zahlreicher anderer Stoffe ein, die ursprünglich im Ausgangsstoff enthalten waren und während der Umsetzungsreaktion herausgelöst werden und in Lösung gehen. Man könnte sagen, dass diese Stoffe herausgewaschen werden, so dass praktisch der Anteil der löslichen Stoffe proportional zum zugeführten Prozesswasser in der festen Phase gesenkt werden kann.
  • Selbst bei Auslassung eines Katalysatorbestandteils oder suboptimalen Reaktionsbedingungen kann immer noch ein höherer Kohlenstoffanteil erreicht werden, der um über 5 bis 10 Prozent über dem des Ausgangsstoffs liegt. Bei optimierter Behandlung der Biomasse und Prozessführung kann ein Kohlenstoffanteil von 55 bis 77 Prozent erreicht werden. Bei optimaler Prozessführung, günstigen Ausgangsstoffen einschließlich Abstimmung des Katalysatorgemischs lassen sich Kohlenstoffwerte von 78 Prozent und mehr erzielen und ist damit dem fossiler Brennstoffe vergleichbar.
  • Nach Abschluss der Umsetzungsreaktion ist der Kohlenstoffanteil des Werk- und/oder Brennstoffs zwar angestiegen, der Energiegehalt beziehungsweise der Brennwert ist aber um bis zu 36 Prozent gesunken. Denn es wird während der Reaktion Wärme freigesetzt, da es sich um eine exotherme Reaktion handelt. Im Umkehrschluss bleiben insgesamt bis zu 65 Prozent des ursprünglichen Brennwertes der trockenen Biomasse erhalten.
  • Wird als Ausgangsstoff kohlehydrathaltige Biomasse verwendet wie Korn, Mais oder Zucher beträgt der Brennwert des Werk- und/oder Brennstoffs etwa 65 bis 85 Prozent und bevorzugt 70 bis 80 Prozent im Vergleich zum Ausgangsstoff. Je weniger Kohlenhydrate der Ausgangsstoff enthält desto geringer die Energiefreisetzung während der Umsetzungsreaktion. Dies bedingt gleichzeitig auch einen höheren Brennwert des Reaktionsprodukts im Vergleich zum Ausgangsstoff.
  • in beispielhafter Weise können die Energiegehalte des Reaktionsprodukts in Abhängigkeit von der verwendeten Biomasse wie folgt beschrieben werden:
    Wird als Ausgangsstoff lignocellulosehaltige Biomasse verwendet wie Schnittgrün oder Ernteabfälle beträgt der Brennwert des Werk- und/oder Brennstoffs etwa 70 bis 90 Prozent und bevorzugt 75 bis 85 Prozent im Vergleich zum Ausgangsstoff.
    Wird als Ausgangsstoff lignocellulosehaltige Biomasse verwendet wie Schnittgrün oder Ernteabfälle beträgt der Brennwert des Werk- und/oder Brennstoffs etwa 70 bis 90 Prozent und bevorzugt 75 bis 85 Prozent im Vergleich zum Ausgangsstoff.
    Wird als Ausgangsstoff lignocellulosehaltige Biomasse verwendet wie Schnittgrün oder Ernteabfälle beträgt der Brennwert des Werk- und/oder Brennstoffs etwa 70 bis 90 Prozent und bevorzugt 75 bis 85 Prozent im Vergleich zum Ausgangsstoff.
    Wird als Ausgangsstoff Biomasse mit geringem Kohlehydrat-, Zellulose- oder Ligninanteil verwendet wie zum Beispiel Klärschlamm, beträgt der Brennwert des Werk- und/oder Brennstoffs etwa 80 bis 95 Prozent und bevorzugt 85 bis 90 Prozent im Vergleich zum Ausgangsstoff.
  • Rein-, Reinstkohle oder ultrareine Kohle kann vielseitig Anwendung finden, zum Beispiel als chemischer Grund- und Ausgangsstoff zur Weiterverarbeitung in der chemischen Industrie oder als Brennstoff für eine Kohlenstoff-Brennstoffzelle.
  • Während des Reaktionsverlauf sind zahlreiche Stoffe aus der festen Phase herausgelöst worden. Sie liegen nun zu in der wässrigen Phase vor und sind im Prozesswasser gelöst. Aus dem Prozesswasser können verschiedene Mineralien wie Phosphor, Schwefel aber auch Nitrat zurück gewonnen werden. Diese können dann als Dünger, Roh- oder Werkstoff für andere Prozesse verwendet werden. Im Sinne eines natürlichen Kreislaufs ist die Isolierung mineralischer Bestandteile insbesondere aus der flüssigen Phase von Interesse, denn diese können als Dünger wieder zum natürlichen Aufbau von Biomasse wieder auf Flächen ausgebracht werden. Dadurch kann ein annähernd geschlossener Kreislauf dargestellt werden, indem den Flächen, denen vorher Biomasse für den Produktionsprozess entnommen wurde, nun wieder die Nährstoffe, die in dieser Biomasse enthalten waren, zurückgeführt werden.
  • Durch Depolymerisations- und neue Polymerisationsprozesse bilden sich völlig neue chemische Kohlenstoffverbindungen und Strukturen, insbesondere bilden sich Agglomerate, die mit geringerem Energieaufwand zerkleinert werden können als die meisten bekannten Brennstoffe. Weiter kommt es in Abhängigkeit vom Ausgangsstoff es zu einer bräunlich-schwarzen Färbung, wahrscheinlich durch Bildung von Maillard-Reaktionsprodukten. Die Dichte vieler Ausgangsstoffe liegt vor Reaktionsbeginn unter der von Wasser. Während des Reaktionsverlaufs nimmt die Dichte kontinuierlich zu und erreicht in Abhängigkeit der Ausgangsstoffe und Reaktionsführung eine Dichte vergleichbar mit Steinkohle erreichen. Während die Dichte der meisten Ausgangsstoffe bei 200 bis 600 kg/m3 und gelegentlich bis 800 kg/m3 (Trockengewicht) liegt, kann die Dichte des Reaktionsprodukt über 900 bis 1200 kg/m3, gelegentlich sogar Werte von 1250 bis 1350 kg/m3 erreichen unter der Voraussetzung, dass die Luft zwischen den Partikeln des Reaktionsprodukts herausgepresst wird.
  • Durch die geringe Partikelgröße des Reaktionsprodukts weist es im Vergleich zum Ausgangsstoff eine größere Oberfläche auf. Dies erleichtert die Trocknung bei gleichem Feuchtigkeitsgehalt leichter möglich als bei natürlich vorkommenden Kohlenstoffverbindungen mit vergleichbarem Kohlenstoffgehalt. Gleichzeitig trägt die große Oberfläche zu einer niedrigen Zündtemperatur bei.
  • Zu den wichtigsten Unterscheidungsmerkmalen der Reaktionsprodukte zählt das Vorliegen von Maillard- oder Maillard-ähnlichen Reaktionsprodukten sowohl in der flüssigen als auch in der festen Phase. Die starke und intensive Geruchsbildung variiert mit den Ausgangsstoffen. Die Geruchsbildung hängt ursächlich mit der Bildung von Maillard-Reaktionsprodukten zusammen.
    • – Verbesserte elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu anderen natürlich vorkommenden Kohlenstoffverbindungen mit vergleichbarem Kohlenstoffgehalt.
    • – Torf bis Steinkohle-ähnlicher Brennstoff.
    • – Weniger flüchtige Bestandteile als gebräuchliche oder fossile Brennstoffe mit gleichem Kohlenstoffanteil.
    • – Geringere Aschebildung durch Verbrennung, niedrigerer Gehalt an Stickstoff, Schwefel, Nitrat, Schwermetalle und reaktiver, das heißt niedrigere Selbstentzündungstemperaturen als bei vergleichbaren fossilen Brennstoffen mit ähnlich hohem Kohlenstoffanteil.
    • – Vorteilhafte und weniger schädliche Zusammensetzung der Rauchgase durch Verbrennung als vergleichbarer fossiler Brennstoff mit ähnlich hohem Kohlenstoffanteil.
  • Insgesamt ergeben sich aus den oben aufgeführten Charakteristika des neuen Reaktionsprodukts zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Brennstoffen sowie umwelt- und klimafreundliche Eigenschaften. Gegenüber den gebräuchlichen Verfahren zur Energiegewinnung aus Biomasse ist das Behandlungsverfahren zum Zweck einer industriellen Herstellung von Werk- und/oder Brennstoffen aus Biomasse effizienter und wirtschaftlicher. Bei der stofflichen Umwandlung der Biomasse geht praktisch kein Kohlenstoff verloren. In der Regel geht über 95 Prozent des Kohlenstoffs, der im Ausgangsstoff enthalten ist, in die festen Bestandteile des Reaktionsprodukts über, der zur Energiegewinnung genutzt werden kann. In der flüssigen Phase findet sich der Rest der Kohlenstoffverbindun gen. Während der Umwandlungsreaktion im Reaktor werden praktisch kaum nennenswerte Mengen von Kohlendioxid oder andere klimaschädliche Gase freigesetzt.
  • In der flüssigen Phase findet sich etwa 1–4 Prozent des Kohlenstoffs der Ausgangsstoffe. Der Anteil hängt von der Prozessführung, insbesondere vom Kohlenstoffgehalt des Ausgangsstoffs und vom Flüssig-Fest-Verhältnis des Reaktionsgemischs ab.
  • Durch die Reaktionsführung und insbesondere durch die Auswahl und Zusammensetzung der Ausgangsstoffe und Katalysatoren werden kohlenstoffhaltige Nanowerkstoffe und -strukturen geformt. Diese Werkstoffe weisen zum Teil nützliche Material- und Oberflächeneigenschaften auf. Dazu gehören zum Beispiel Nanoschwämme, die als Wasserspeicher oder Dämmstoffe eingesetzt werden können.
  • Die so genannte Maillard-Reaktion findet bei Erhitzungsverfahren wie Backen, Braten, Rösten, Grillen und Frittieren von eiweißhaltigen und kohlenhydratreichen Lebensmitteln bei Temperaturen über 130°C statt. Im Verlauf der so genannten Maillard-Reaktion entstehen aus Kohlenhydraten und Aminosäuren neben einer Vielzahl von Aromastoffen rot- bis gelbbraune, manchmal fast schwarz gefärbte Polymere – die Melanoidine. Durch hohe Temperaturen, wie sie beim Backen und Rösten auftreten, aber auch durch höhere Drücke wird die Reaktion beschleunigt und besonders viele und dunkle Melanoidine gebildet. Sie stellen deshalb in Produkten wie Brot, Kaffee, Malz, Nüssen oder Cornflakes einen nicht unerheblichen Anteil am Lebensmittel dar – in Kaffee sind es beispielsweise bis zu 30 Prozent.
  • Die Ausgangsstoffe der Maillard-Reaktion bilden in einer ersten nicht-enzymatischen Reaktion eine Schiff'sche Base. Dieser Schritt vollzieht sich innerhalb von Minuten bis Stunden und ist reversibel, da die Schiff'sche Base eine sehr instabile Verbindung ist. Die Menge der Schiff'schen Base ist direkt von der Glucosekonzentration abhängig, da das Produkt innerhalb von Minuten zerfällt, wenn der Reaktion Glucose entzogen oder die Konzentration verringert wird. Im Weiteren lagert sich die instabile Schiff'sche Base zu dem weitaus stabileren Amadori-Produkt um. Dieser Prozess ist wesentlich langsamer, aber da er weniger reversibel ist, akkumulieren die Amadori-Produkte. Die primären Amadori-Produkte lagern sich um und reagieren weiter zu den Endprodukten der Maillard-Reaktion, den Advanced Glycation Endproducts (AGE). Durch Umlagerung und Polymeri sation 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.
  • Maillard- oder Maillard-ähnliche Reaktionsprodukte werden bei der Hydrothermalen Karbonisierung in hohen Konzentrationen gebildet. Sowohl in der festen (v. a. Feststoffe) als auch in der flüssigen Phase (z. B. Prozesswasser) finden sich relativ hohe Konzentrationen der Indikatorsubstanz CML, die in der Regel zwischen 0,3–2 mmol/mol Lysin liegen. In der flüssigen Phase, das heißt im Prozesswasser liegen in der Regel höhere Konzentrationen vor, als in der festen Phase des Reaktionsprodukts. Die Konzentrationen beziehungsweise Konzentrationsverhältnisse sind vom Fest-Flüssig-Verhältnis sowie von der Zusammensetzung der Ausgangsstoffe sowie der Prozessführung abhängig. CML werden antioxidative und chemopräventive Eigenschaften zugesprochen. Es ist daher davon auszugehen, dass vergleichbare oder ähnliche Eigenschaften auch bei anderen Zwischen-, Neben- oder Reaktionsprodukten der hydrothermalen Karbonisierung einschließlich der Maillard- oder Maillard-ähnliche Reaktionsprodukte zu finden sind.
  • Isolation und Aufreinigung der Maillard- oder Maillard-ähnlichen Reaktionsprodukte erfolgen unter anderem über Filtration, Ultrafiltration und/oder chromatographische Verfahren insbesondere über Säulenchromatographie.
  • Der Humus, der mittels hydrothermaler Karbonisierung im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, entsteht im Vergleich zu Reaktionsprodukten mit höherem Brennwert durch eine vergleichsweise kürzere Verweilzeit. Er weist in der Regel noch faserhaltiges Material (v. a. Lignin und Cellulose) der Ausgangsstoffe auf. Die Vernetzung der Biopolymere ist nicht vollständig aufgehoben. Der erfindungsgemäß hergestellte Humus besitzt einen Kohlenstoffanteil von mindestens 30 bis 45 Prozent und einen Heizwert von mindestens 15 bis 24 MJ/kg und ist gut brennbar.
  • Der erfindungsgemäß hergestellte Humus verfügt z. T. über ähnliche Eigenschaften wie natürlicher Humus und teilweise auch Torf:
    • – Er schützt den Boden vor Erosion durch Regen, weil das Wasser gleichmäßig und tief einsickern kann,
    • – reduziert die Erosion durch Wind,
    • – ernährt Regenwürmer und andere nützliche Bodenorganismen,
    • – senkt die Bodentemperatur im Sommer und erhöht sie im Winter,
    • – versorgt die Pflanzen mit Nährstoffen, wobei er sie so langsam abgibt, dass die Pflanzen sie bewältigen können,
    • – befähigt den Boden, das Wasser schwammartig zu speichern und begrenzt die Verdunstung auf ein Minimum,
    • – kontrolliert die chemischen Veränderungsprozesse im Boden bei Zugabe von Kalk und organischem Dünger,
    • – setzt organische Säuren frei, mit denen hoch alkalischer Boden neutralisiert wird, um Mineralien freizusetzen, und
    • – speichert Ammoniak und andere Stickstoffverbindungen in austauschbarer und verwertbarer Form.
  • Im Unterschied zu Humus oder Torf, der sich über lange Zeiträume natürlich gebildet hat, gibt es verschiedene positive Merkmale:
    • – Die Wasserbindungskapazität lässt sich durch die Prozessführung stark erhöhen und übersteigt die von natürlichem Humus oder Torf deutlich. Sie kann sogar ein Vielfaches betragen.
    • – Für die Verbrennungseigenschaften treffen die vorgenannten Eigenschaften zu den Reaktionsprodukten der hydrothermalen Karbonisierung zu.
  • Durch optimierte Prozessführung, insbesondere durch Konzentrationsgefälle zwischen fester und flüssiger Phase innerhalb des Reaktionsgemischs, können bestimmte Stoffe im Humus angereichert werden. Dies ist bei der Verwertung des Humus als CO2-Bindungsstoff beziehungsweise Dünger erwünscht. Im Gegensatz dazu wird bei der Verarbeitung oder Beimischung von erfindungsgemäß hergestelltem Humus zu Produkten, bei denen eine Anreicherung bestimmter Stoffe nicht erwünscht ist, durch die Prozessführung eine Anreicherung von mineralischen und für die Produktverwertung schädlichen Stoffen und Alkalien vermieden. Der erfindungsgemäß hergestellte Humus ist ein einheitlicher Humus und Brennstoff, dessen Eigenschaften sich über die Zusammensetzung der Ausgangsstoffe und der Katalysatoren sowie die Prozessführung berechnen und steuern lassen. Erfindungsgemäß hergestellter Humus kann innerhalb von Stunden hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit wesentlich schneller als andere be kannte Produktionsverfahren von Humus, die in der Regel Wochen und Monate in Anspruch nehmen.
  • Die erfindungsgemäß hergestellten Werk- und/oder Brennstoffe einschließlich Torf beziehungsweise Torf-ähnliche Stoffe haben folgende vorteilhafte Eigenschaften:
    • • Aus Biomasse entsteht durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Tort- bis Steinkohle-ähnlicher Brennstoff.
    • • Der Brennwert ist abhängig von der Prozessführung, insbesondere von der Reaktionsdauer. Der Brennwert steigt mit der Reaktionsdauer beziehungsweise Verweilzeit im Reaktor.
    • • Weniger flüchtige Bestandteile als gebräuchliche oder fossile Brennstoffe mit gleichem Kohlenstoffanteil.
    • • Die Energieausbeute bis zur Kohle ist 0,7–0,95. Je geringer der Kohlehydratanteil, desto höher der Energieerhalt.
    • • 90–95%: Lignine bzw. bakterielle Biomasse.
    • • Die Brennstoffe sind reaktiver und besitzen niedrigere Selbstentzündungstemperaturen als vergleichbarer fossiler Brennstoff mit ähnlich hohem Kohlenstoffanteil.
    • • Fossile Brennstoffe wie Braunkohle oder Steinkohle weisen im Vergleich zu Brennstoffen, die mittels hydrothermaler Karbonisierung im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden (Brennstoffe), zwar ähnliche Heizwerte auf, unterscheiden sich von Brennstoffen aber deutlich im Hinblick auf die Zusammensetzung und Eigenschaften.
    • • Die unterschiedlichen Arten und Sorten von fossiler Kohle haben je nach Herkunftsort und Abbaugebiet sehr unterschiedliche chemische Zusammensetzungen und Eigenschaften, so dass jede Kohlesorte einzigartige und unverwechselbare charakteristische Merkmale besitzt. Beispielsweise liegt der Heizwert von fossiler Lausitzer Rohbraunkohle bei 8.700 kJ/kg, der Wassergehalt bei ca. 56 Prozent, Schwefelgehalt bei ca. 0,7 Prozent und der Aschegehalt bei ca. 4,5 Prozent. Sowohl Wasser-, Schwefel- und Aschegehalt des Brennstoffs sind geringer während der Brennwert in der Regel deutlich 20.000 kJ/kg liegt. Unabhängig vom Wassergehalt kann aus 1 Kilogramm fossiler Lausitzer Rohbraunkohle in der Lausitz 1 Kilowattstunde Strom erzeugt werden kann. Dagegen kann aus der gleichen Menge Brennstoff mehr als das Doppelte an Strom erzeugt werden.
    • • Im Gegensatz zu fossiler Kohle finden sich im erfindungsgemäßen Werk- und/oder Brennstoff gut nachweisbare Konzentrationen an Maillard-Reaktionsprodukten. Als In dikator hat sich Nε-(carboxymethyl)Lysin (CML) etabliert. Sowohl in der flüssigen als auch in der festen Phase der Reaktionsprodukte wird diese Verbindung nachgewiesen. Es wurden Konzentrationen von 0,2 bis über 1,5 mmol/mol Lysin gemessen wobei in der flüssigen Phase höhere Anteile als in der festen gemessen wurden. Die Verteilung der Konzentrationen ist jedoch abhängig von den Ausgangsstoffen, den Reaktionsbedingungen und der Prozessführung.
    • • Fossile Kohle liegt nach dem Abbau in Klumpen beziehungsweise je nach Abbautiefe in relativ hochverdichteten Agglomeraten vor, die unter hohem Energieaufwand zerkleinert werden müssen. Weiter muss sie getrocknet und in Kohlemühlen zu feinem Braunkohlenstaub zermahlen werden. Im Gegensatz dazu liegen Werk- und/oder Brennstoffe nach Abschluss des Prozesses als kleine Partikel in der Regel unter 1 Millimeter bis unter 30 Nanometer Größe vor und sind aufgrund ihrer großen Oberfläche leichter zu trocknen. Damit ist der Energieaufwand zur Konditionierung und insbesondere Trocknung von Brennstoffen wesentlich geringer im Vergleich zu fester fossiler Kohle.
    • • Insbesondere sind die Verbrennungseigenschaften des Brennstoffs nicht nur gegenüber fossilen Kohlesorten sondern auch gegenüber den meisten bisher verfügbaren Brennstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen günstiger. Mindestens einer meist aber mehrere oder alle der folgenden Parameter fallen bei Brennstoffen insbesondere gegenüber den Ausgangsstoffen beziehungsweise alternativen fossilen oder Biomasse-Brennstoffen günstiger aus: verminderter Ascheanteile, weniger Chlor, Nitrat, Schwefel, Schwermetalle sowie geringere Emissionen von Staub, Feinstaub und gasförmigen Schadstoffen einschließlich Stick- und Schwefeloxide. Dies gilt auch für die gepressten Formen von Brennstoffen wie Briketts und Pellets.
    • • Die Qualität des Brennstoffs und die Verbrennungseigenschaften ist abhängig vom Ausgangsstoff beziehungsweise dem Gemisch der Ausgangsstoffe, von der Prozessführung, vom Katalysatorgemisch und von der Zusammensetzung des Prozesswassers,
    • • Ausgangsstoffe mit hohen Anteilen an Fett und Energiegehalt führen zu Brennstoffen mit höheren Heizwerten. Beispielsweise kann bei der Verarbeitung besonders geeigneter Klärschlämmen Heizwerte von 34–36 MJ/kg erzielt werden.
    • • Der Aschegehalt nach Verbrennung des Brennstoffs mit einem Brennwert von 30–33 MJ/kg ist im Vergleich zum Ausgangsstoff mit einem Brennwert von 17–20 MJ/kg um bis zu 75 Prozent und mehr vermindert.
    • • Der Schwefelgehalt nach Verbrennung des Brennstoffs mit einem Brennwert von 30–33 MJ/kg ist im Vergleich zum Ausgangsstoff mit einem Brennwert von 17–20 MJ/kg um bis zu 50 Prozent und mehr geringer.
    • • Die Feinstaub- und Gasemissionen sind im Vergleich zum Ausgangsstoff geringer.
    • • Das Verbrennungsergebnis wir durch die Einheit von Prozessführung, aufbereitungs-abhängiger Brennstoffqualität und Feuerungstechnik bestimmt.
    • • Der Brennstoff ist ein einheitlicher Brennstoff, dessen Eigenschaften sich über die Zusammensetzung der Ausgangsstoffe und der Katalysatoren sowie die Prozessführung berechnen und steuern lassen.
    • • Neben den bereits angeführten Unterschieden bei den Verbrennungseigenschaften sind dies zusätzliche Unterscheidungsmerkmale zu fossilen Brennstoffen wie Steinkohle, Braunkohle oder Torf.
  • 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 Mineralgehalt unter 0,1 Gewichtsprozent verfügen.
  • Herstellung von Briketts aus Partikeln und Staub aus Reaktionsprodukten des erfindungsgemäßen Verfahrens (Briketts, Staub):
    • • Neben hoher Festigkeit und Dichte von Briketts sind eine schnelle Zündung und ein gutes Abbrandverhalten die wichtigsten Kriterien für Briketts.
    • • Durch eine starke Kreuzprofilierung von etwas ein bis zwei Zentimeter Tiefe mit Neigungswinkeln zwischen 30 bis 70 Grad verbessert sich das Zündverhalten durch eine verbesserte Luftströmung im Feuerraum und bietet eine größere spezifische Oberfläche, was zu einem besseren Ausbrennen des Briketts führt.
    • • Entscheidend für Stabilität und Brennverhalten ist das Mischungsverhältnis von erfindungsgemäß erzeugtem Mahlstaub zu Cellulose- beziehungsweise Lignin-haltige Komponenten.
    • • Das optimale Verhältnis von Staub mit Heizwerten von 25–30 MJ/kg zu Holzspänen beziehungsweise Holzhackschnitzeln liegt bei 53: 47, bevorzugt bei 58:42 und besonders bevorzugt bei 64:36. Der Wassergehalt der Holzspäne beziehungsweise Holz hackschnitzel sollte dabei um die 10 Prozent liegen. Die Partikel sollten nicht größer als 2 mm, bevorzugt kleiner 1,5 mm und besonders bevorzugt kleiner 1 mm sein.
    • • Das optimale Verhältnis von Staub mit Heizwerten von 22–25 MJ/kg zu Stroh liegt bei 61:39, bevorzugt bei 66:44 und besonders bevorzugt bei 72:28. Der Wassergehalt der Holzspäne beziehungsweise Holzhackschnitzel sollte dabei um die 10 Prozent liegen. Die Partikel sollten nicht größer als 2 mm, bevorzugt kleiner 1,5 mm und besonders bevorzugt kleiner 1 mm sein.
    • • Den obigen Verhältnissen entsprechend wird Staub mit Torf mit äquivalentem Cellulose- und Lignin-Gehalt zu Briketts verarbeiten.
    • • Torf kann auch allein bei äquivalentem Cellulose- und Lignin-Gehalt zu Briketts verarbeitet werden.
    • • Der Staub und Cellulose- und Lignin-haltigen Zusatzstoffe beziehungsweise Torf werden gemeinsam oder allein intensiv vermischt zum Beispiel in einer Schlagnasenmühle mit 2 mm-Conidur-Austragssieb.
    • • Der Pressdruck liegt über 100 MPa, bevorzugt über 120 MPa und besonders bevorzugt über 140 MPa.
    • • Die Verpressungstemperatur beträgt bei etwa 80 Grad Celsius und sollte 90 Grad Celsius nicht übersteigen.
    • • Das bevorzugte Format liegt bei 250 × 60 × 50 mm.
    • • Die bevorzugte Rohdichte der Briketts liegt bei 0,95–1,15 g/cm3.
  • Herstellung von Pellets aus Reaktionsprodukten des erfindungsgemäßen Verfahrens (Pellets):
    • • Zur Herstellung von Pellets mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens (Pellets) wird das Verfahren der Feuchtpelletierung mit anschließender Agglomerattrocknung bevorzugt. Dieses Verfahren ist dazu geeignet, um aus Brennstoffen unterschiedlicher Heizwerte Pellets mit relativ geringem Aufwand herzustellen.
    • • Mit Pellets lassen sich gute Verbrennungsergebnisse in handelsüblichen automatischen Feuerungssystemen erzielen.
    • • Dabei werden die festgelegten Emissionsnormen für Kleinfeuerstätten erfüllt.
    • • Voraussetzung ist die Darbietung des Brennstoffs in einer kleinstückigen und möglichst gleichförmigen Form.
    • • Die Pellets besitzen einen Durchmesser von 3–7 mm und bevorzugt von 4–6 mm. Die Länge liegt zwischen 5 und 45 mm. Sie weisen eine hohe Festigkeit, Staubarmut und Wasserbeständigkeit auf und lassen sich gut dosieren.
    • • Die Pellets werden den vollautomatisierten Pelletöfen oder -kesseln kontinuierlich zugeführt und dort geregelt verbrannt.
    • • Durch eine gleichmäßige und möglichst vollständige Verbrennung unter optimierten Bedingungen lässt sich ein hoher thermischer Wirkungsgrad bei minimalen Schadstoffemissionen erzielen.
    • • Bei hohen Heizwerten über 25 MJ/kg und bevorzugt über 27 MJ/kg werden Bindestoffe und Verbrennungsbeschleuniger eingesetzt, insbesondere Tapetenleim, Wiesengras, Stroh und andere Lignocellulose-haltige Biomasse.
    • • Das optimale Verhältnis von Staub mit Heizwerten von 25–30 MJ/kg zu Holzspänen beziehungsweise Holzhackschnitzeln oder Lignocellulose-haltige Biomasse liegt bei 81:19, bevorzugt bei 85:15 und besonders bevorzugt bei 89:11.
    • • Das optimale Verhältnis von Staub mit Heizwerten von 22–25 MJ/kg zu Holzspänen beziehungsweise Holzhackschnitzeln oder Lignocellulose-haltige Biomasse liegt bei 87:13, bevorzugt bei 90:10 und besonders bevorzugt bei 93:7.
    • • Ein Anteil von etwa bis zu 30 Prozent an der Lignocellulose-haltigen-Biomasse kann zum Beispiel durch Tapetenleim ersetzt werden.
    • • Der Wassergehalt der Holzspäne beziehungsweise Holzhackschnitzel oder anderer Lignocellulose-haltige Biomasse sollte dabei um die 12–14 Prozent liegen.
    • • Die Partikel sollten nicht größer als 2 mm, bevorzugt kleiner 1,5 mm und besonders bevorzugt kleiner 1 mm sein.
    • • Den obigen Verhältnissen entsprechend wird Staub mit Torf mit äquivalentem Cellulose- und Lignin-Gehalt zu Pellets verarbeiten.
    • • Torf kann auch allein bei äquivalentem Cellulose- und Lignin-Gehalt zu Pellets verarbeitet werden.
    • • Der Staub und Cellulose- und Lignin-haltigen Zusatzstoffe beziehungsweise Torf werden gemeinsam oder allein intensiv vermischt zum Beispiel in einer Schlagnasenmühle mit 2 mm-Conidur-Austragssieb.
    • • Der Pressdruck liegt über 100 MPa, bevorzugt über 120 MPa und besonders bevorzugt über 140 MPa.
    • • Die Verpressungstemperatur beträgt bei etwa 80 Grad Celsius und sollte 90 Grad Celsius nicht übersteigen.
    • • Die wichtigsten Anpassungen an die Pellets insbesondere gegenüber Pellets aus fossilen Brennstoffen ergeben sich aus den verbesserten Verbrennungseigenschaften und liegen im Bereich des Sinterverhaltens der Kohlenasche, der Ascheabräumungsmethode (in der Regel geringerer Aschegehalt) und der Größe des Brenntellers.
  • Aus den mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Brennstoffen kann in besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung Energie erzeugt werden. Die Verbrennung der erfindungsgemäß hergestellten Brennstoffe erfolgt je nach Konditionierung in unterschiedlichen Vorrichtungen:
    • • In Pelletform wird der Brennstoff in der Regel in Pelletöfen, Pelletkesseln oder Anbaubrennern bevorzugt mit automatischer Brennstoffzufuhr verbrannt. In der Regel können handelsübliche Verbrennungsanlagen verwendet werden. Zur Verbesserung der Brenneigenschaften können erfindungsgemäße Verbrennungsanlagen in folgenden Bereichen an die veränderten Brenneigenschaften angepasst werden:
    • – Anpassung der Form und Größe des Brenntellers an den Aschegehalt. Da dieser geringer ist, können kleinere Brenntellerdurchmesser zu einer verbesserten Verbrennung führen.
    • – Zur Verhinderung von Anbackungen am Brennteller, ist eine automatische Vorrichtung zur Entfernung der Asche vom Brennteller zu empfehlen. In der Regel sind die Anbackungen geringer als bei Brennstoffpellets aus natürlich vorkommenden Kohlearten, insbesondere Braunkohle.
    • • Die Verbrennung des erfindungsgemäßen Staubs erfolgt in einem Kohlekraftwerk mit mindestens einer Dampfturbine. 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 sollen 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 bis 55 Prozent, realisiert wird.
    • • Für eine Nutzung des Kombiprozesses ist 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) geeignet.
    • • Der Verbrennungsprozess weist eine Gaseintrittstemperatur von > 1.000 Grad Celsius, bevorzugt > 1.200 Grad Celsius und besonders bevorzugt > 1.400 Grad Celsius, auf.
    • • Der 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.
    • • Durch den Rauchgasabscheider wird ein Partikelgehalt < 3 mg/m3 i. N. bei d < 3 Mikrometer, Alkaligehalt ≤ 0,01 mg/m3 i. N. realisiert.
    • • Ein weiterer Weg zur Erzeugung von Strom bzw. Energie aus Brennstoffen, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere von Staub, ist die Nutzung in einer Kohlenstoff-Brennstoffzelle.
    • • Synergien können mit anderen Energieträgern und/oder Energieerzeugungsverfahren hergestellt werden durch gemeinsame Nutzung von Vorrichtungen zur Energieerzeugung insbesondere von Turbinen, insbesondere eine Dampf- oder Gasturbine zur Energieerzeugung.
    • • Zu den erneuerbaren Energien bei denen sich eine gemeinsame Nutzung von Turbinen und insbesondere von Dampf- oder Gasturbinen anbietet ist 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.

Claims (20)

  1. Werk- und/oder Brennstoff, hergestellt aus Biomasse, der einen im Vergleich zur Biomasse um 1 bis 300 Prozent höheren Kohlenstoffanteil aufweist.
  2. Werk- und/oder Brennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sein Kohlenstoffanteil im Vergleich zur Biomasse um 10 bis 300 Prozent, vorzugsweise 50 bis 300 Prozent, besonders bevorzugt 100 bis 300 Prozent, insbesondere 200 bis 300 Prozent erhöht ist.
  3. Werk- und/oder Brennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sein Kohlenstoffanteil im Vergleich zur Biomasse um 5 bis 200 Prozent, vorzugsweise 10 bis 150 Prozent, besonders bevorzugt 10 bis 120 Prozent, insbesondere 50 bis 100 Prozent erhöht ist.
  4. Werk- und/oder Brennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser einen Kohlenstoffanteil von 50 bis 90 Prozent, vorzugsweise von 55 bis 80 Prozent, besonders bevorzugt von über 98 Prozent, aufweist.
  5. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffanteil im Vergleich zur Biomasse um 1 bis 300 Prozent, bevorzugt 5 bis 200 Prozent, besonders bevorzugt 20 bis 100 Prozent vermindert ist.
  6. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffanteil im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis 300 Prozent, bevorzugt 5 bis 200 Prozent, besonders bevorzugt 15 bis 100 Prozent vermindert ist.
  7. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stickstoffanteil im Vergleich zum Ausgangsstoff um 1 bis 300 Prozent, bevorzugt 5 bis 200 Prozent, besonders bevorzugt 15 bis 100 Prozent vermindert ist.
  8. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser insgesamt bis zu 65 Prozent des ursprünglichen Brennwertes der Biomasse, insbesondere der trockenen Biomasse, aufweist.
  9. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mindestens einen, vorzugsweise mindestens einer, bevorzugt mehrere und besonders bevorzugt alle der folgenden für die Verbrennungseigenschaften relevanten Parameter gegenüber der Biomasse bzw. alternativen fossilen oder Biomasse-Brennstoffen günstiger ausfallen: verminderter Ascheanteile, weniger Chlor, Nitrat, Schwefel, Schwermetalle sowie geringere Emissionen von Staub, Feinstaub und gasförmigen Schadstoffen einschließlich Stick- und Schwefeloxide.
  10. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser gegenüber der Biomasse bzw. alternativen festen fossilen oder Biomasse-Brennstoffen eine höhere Reaktivität besitzt und eine niedrigere Selbstentzündungstemperatur aufweist.
  11. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser sich aufgrund seiner Porosität mit geringerem Energieaufwand zerkleinern lässt als feste fossile Brennstoffe mit vergleichbarem Brennwert bzw. Kohlenstoffgehalt.
  12. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine große Oberfläche und eine geringe Partikelgröße, insbesondere eine Partikelgröße von 2 Nanometer bis 50 Mikrometer, bevorzugt unter einem Mikrometer und besonders bevorzugt unter 200 Nanometer, aufweist.
  13. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Maillard- oder Maillard-ähnliche Reaktionsprodukte enthält.
  14. Werk- und/oder Brennstoff, hergestellt aus Biomasse nach einem Verfahren, das zumindest die folgenden Schritte umfasst: a) Behandlung der Biomasse bei einer Temperatur von über 100 Grad Celsius und einem Druck von über 5 bar für eine Behandlungsdauer von mindestens 1 Stunde sowie b) Bearbeitung der Biomasse und/oder Aufarbeitung der Reaktions-, Zwischen-, Neben- und/oder Endprodukte.
  15. Werk- und/oder Brennstoff nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur auf über 160 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen 160 und 300 Grad Celsius, besonders bevorzugt zwischen 185 und 225 Grad, eingestellt wird.
  16. Werk- und/oder Brennstoff nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck auf mindestens 7 bar, vorzugsweise zwischen 10 und 34 bar, besonders bevorzugt zwischen 10 und 17 bar, 18 und 26 bar oder 27 und 34 bar, eingestellt wird.
  17. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsdauer mindestens 2 Stunden, vorzugsweise 3 bis 60 Stunden, besonders bevorzugt 5 bis 30 Stunden oder 31 bis 60 Stunden, insbesondere 6 bis 12 Stunden oder 13 bis 24 Stunden, beträgt.
  18. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsprodukte nach der Behandlung mit einem Trockner, vorzugsweise einem Konvektions- oder Kontakttrockner, besonders bevorzugt mit einem Strom- und/oder Band-, und/oder Wirbelschichttrockner, getrocknet werden.
  19. Werk- und/oder Brennstoff nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktions-, Zwischen-, Neben und Endprodukte Brennstoffe von Torf, über Braunkohle bis zu Steinkohle-ähnliche Brennstoffe, Humus, Maillard- oder Maillard-ähnliche Reaktionsprodukte, sowie kohlenstoffhaltige Werkstoffe wie Dämmstoffe, Nanoschwämme, -kügelchen, -fasern, -kabel, Rein-, Reinst- und Ultrareinkohle-, bzw. Aktiv- oder Sorptionskohle-ähnliche Stoffe, Grillkohleersatzstoff, hochverdichtete Kohlenstoffprodukte und -Werkstoffe und insbesondere auch Ausgangsstoffe für Graphit und graphithaltige oder -artige Produkte sowie Kohlenstofffasern und Ausgangsstoffe für Verbund- oder Faserverbundwerkstoffe. umfassen.
  20. Verwendung des Werk- und/oder Brennstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur Erzeugung von Energie aus Biomasse.
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