DE102008002875A1

DE102008002875A1 - Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen

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Publication number: DE102008002875A1
Application number: DE102008002875A
Authority: DE
Inventors: Simon Albert Breitbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2008-06-03
Publication date: 2009-12-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen, bei dem diese in einem geschlossenen Druckbehälter (10) unter Ausschluss von Sauerstoff unter Eigendruck erhitzt werden, wobei zum Aufschluss der Ausgangssubstanzen zu Beginn des Verfahrens ein Katalysator zugegeben wird, wobei eine Erwärmung der Substanzen im Druckbehälter erfolgt, bis ein vorgegebener Druck im Innenraum des Druckbehälters erreicht ist und man dann eine Druckentlastung durch Öffnen eines Ventils vornimmt und Gase über ein Gasrohr (19) aus dem Behälter strömen lässt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass man zwecks einer besseren Nutzung der in den ausströmenden Gasen enthaltenen Energie die Gase einer Reinigung unterzieht und dann eine Stromerzeugung durch Verbrennung in beispielsweise einem Gasmotor erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen, bei dem diese in einem geschlossenen Druckbehälter unter Ausschluss von Sauerstoff unter Eigendruck erhitzt werden, wobei zum Aufschluss der Ausgangssubstanzen zu Beginn des Verfahrens ein Katalysator zugegeben wird, wobei eine Erwärmung der Substanzen im Druckbehälter erfolgt, bis ein vorgegebener Druck im Innenraum des Druckbehälters erreicht ist und man dann eine Druckentlastung durch Öffnen eines Ventils vornimmt und Gase aus dem Behälter strömen lässt.
Aufgrund der in einiger Zeit zu erwartenden Erschöpfung der natürlichen Erdöl- und Erdgasressourcen ist man auf der Suche nach neuen Energieträgern, die sich dauerhaft nutzen lassen. Interessant sind dabei insbesondere Energieträger, die ein geringeres Gefahrenpotential aufweisen als die Kernkraft und die sich ohne Klimaschädigung nutzen lassen. Eine der bekannten Möglichkeiten, die Nutzung von Wasserstoff, hat den Nachteil, dass es sich um ein an der Luft hochexplosives Gas handelt, dessen Handhabung schwierig ist, so dass diese Technologie ein hohes Gefahrenpotential birgt. Andere bekannte Methoden zur Nutzung alternativer Energieträger in Form der so genannten nachwachsenden Rohstoffe, zum Beispiel die Gewinnung von Rapsölmethylester aus dem Rapsanbau, haben den Nachteil eines vergleichsweise niedrigen Ertrags pro Hektar Anbaufläche und sind daher zum vollständigen Ersatz fossiler Brennstoffe wenig geeignet.
In jüngerer Zeit wurde daher ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung pflanzlicher Biomasse vorgeschlagen. (siehe Artikel im Internet, „Markus Antonietti kocht Kohle aus organischem Abfall", publiziert unter www.3sat.de/nano/cstuecke/99532/index/html). Bei diesem Verfahren werden pflanzliche Produkte in einem geschlossenen Druckgefäß mit Wasser versetzt und in Gegenwart eines Katalysators unter Druck und Luftabschluss für eine Zeitdauer von ca. 12 Stunden auf eine Temperatur von ca. 180°C erhitzt. Als Produkt wird eine wässrige schwarze Brühe mit feinst verteilten kugelförmigen Kohlepartikeln (Kolloiden) erhalten. Der gesamte in dem pflanzlichen Ausgangsmaterial gebundene Kohlenstoff soll dabei in Form kleiner poröser Braunkohlekügelchen gewonnen werden. Es wird weiter berichtet, dass sich bei diesem Verfahren als Vorstufen des vorgenannten Produkts eine humusartige Substanz gewinnen lässt, die sich zur Bodenverbesserung eignet. Bei entsprechend kürzerer Verfahrensdauer sollen sich flüssige Zwischenprodukte gewinnen lassen, bei denen es sich um Vorstufen von Erdöl handelt. Diese Erkenntnisse aus dem Stand der Technik verdeutlichen, dass es sich bei der hydrothermalen Karbonisierung von organischen Substanzen um einen sehr komplexen Vorgang handelt. Die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen sind noch nicht vollständig erforscht. In jedem Fall hat insbesondere die Verfahrensführung einen wesentlichen Einfluss auf die erhaltenen Endprodukte.
Bei dem aus dem vorgenannten Stand der Technik bekannten Verfahren wurde mit vergleichsweise kleinen Volumina im Labormaßstab gearbeitet. Die Verhältnisse sind auf einen industriellen Maßstab nicht ohne weiteres übertragbar. Zudem wurden vergleichsweise niedrige Temperaturen angewandt und es wird in wässriger Lösung gearbeitet. Folglich wird zunächst als Produkt eine Kohle dispergiert in wässrigem Medium erhalten. Das Druckgefäß bleibt während der Reaktion geschlossen, so dass Wasserdampf nicht entweichen kann. Ein Anliegen des bekannten Verfahrens scheint es zudem zu sein, jeglichen Verlust an Kohlenstoff, der in dem Ausgangsmaterial in gebundener Form enthalten ist, zu vermeiden, um eine optimale Energiebilanz zu erzielen (100%ige Kohlenstoffeffizienz). Andererseits wird berichtet, dass nach dem bekannten Verfahren eine sehr hochwertige Kohle erhalten wird, die sich beispielsweise für katalytische Prozesse eignet (Aktivkohle oder dergleichen), so dass es eigentlich unter ökonomischen Gesichtspunkten nicht optimal ist, diese Kohle einfach zu verbrennen.
In der älteren nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2008 006 772.5 des Anmelders vom 30. Januar 2008 wurde daher ein verbessertes Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen der eingangs genannten Gattung vorgeschlagen, welches eine wirtschaftliche Anwendung in industriellem Maßstab zulässt. Auf die Ausführungen in der älteren Anmeldung wird hiermit in vollem Umfang Bezug genommen.
Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, dass die Wärmezufuhr erfolgt, bis im Innenraum des Druckbehälters eine Temperatur von mindestens etwa 250°C erreicht ist und dass man bei Erreichen eines vorgegebenen Drucks im Innenraum des Druckbehälters eine Druckentlastung durch Öffnen eines Ventils vornimmt und Gase aus dem Behälter strömen lässt. Dieses Verfahren arbeitet also bei einer höheren Temperatur, wobei zudem der gesamte Prozess nicht bei geschlossenem Behälter durchgeführt wird, sondern man über das Ventil eine Druckentlastung durchführt, so dass Gase aus dem Innenraum entweichen können. Durch diese Maßnahme entweicht zum einen der Wasserdampf, hauptsächlich in einer frühen Phase der Karbonisierung. In der Folgezeit entweichen dann auch andere Gase, die brennbar sind, wobei in dem Gasgemisch auch kohlenstoffhaltige Gase wie zum Beispiel Methanol oder andere Alkohole, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid enthalten sein können, so dass das Produkt der Karbonisierung folglich nicht den vollständigen Kohlenstoffgehalt der Ausgangssubstanzen enthält. Dennoch sind eine gute Ausbeute und eine erheblich größere Effektivität erzielbar, als bei den herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Holzkohle. Zum einen beträgt bei den früher üblichen Verfahren die Verfahrensdauer in der Regel Tage oder Wochen. Das neue Verfahren ist hingegen viel kürzer (Zeitdauer in der Regel einige Stunden) und es bietet die Möglichkeit, Gase, die nach der Druckentlastung aus dem Behälterinnenraum entweichen, unmittelbar zu verbrennen oder diese aufzufangen und somit die in diesen enthaltene Energie ebenfalls zu nutzen. In der oben genannten älteren Anmeldung werden bereits Möglichkeiten angesprochen, die durch Verbrennung der aus dem Behälter austretenden Gase entstehende Wärme zur Beheizung des Behälters in der Aufheizphase zu nutzen. Alternativ kann man beispielsweise auch das Gas der Brennkammer einer Gasturbine zuführen und mittels dieser wiederum einen Generator betreiben, um Strom zu erzeugen. Weitere Möglichkeiten sind beispielsweise die Beheizung von zu der Anlage separaten Ofen.
Nach Beendigung der ersten Phase der Zufuhr von Fremdenergie zur Beheizung des Druckbehälters verläuft das Karbonisierungsverfahren exotherm. Man kann die dabei entstehende Abwärme ebenfalls nutzen, zum Beispiel durch Verwendung eines Wärmetauschers, welcher mit dem Druckbehälter in Verbindung steht.
Bei diesem neuartigen Verfahren zur Karbonisierung stand zunächst weniger die Erzielung einer 100%igen Kohlenstoffeffizienz im Vordergrund, da es möglich ist, als organische Ausgangssubstanzen solche einzusetzen, die bisher dort wo sie anfallen mit herkömmlichen zeitaufwändigen und wenig effektiven Methoden zu Holzkohle verarbeitet werden. Dies ist beispielsweise bei tropischen Plantagenhölzern oder in Russland der Fall, wo große Mengen an Holzkohle für metallurgische Zwecke benötigt werden. Oder aber es werden geringwertige organische Substanzen verarbeitet, die gemeinhin als Abfallstoffe angesehen werden, wie zum Beispiel Nussschalen von Kokosnüssen, Palmschnitzel oder dergleichen. Eine Verarbeitung vor Ort ist hier erstrebenswert, da der Aufwand von Transportkosten bei diesen geringwertigen Materialien, die in großen Mengen anfallen, nicht gerechtfertigt ist.
Bei dem in der älteren Anmeldung beschriebenen Verfahren wurden sehr gute Ergebnisse hinsichtlich der Qualität der so gewonnenen Holzkohle erzielt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine unmittelbare Verbrennung der aus dem Behälter austretenden Gase in einem Gasmotor zu technischen Problemen führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das eingangs genannte Verfahren im Hinblick auf eine bessere Nutzung der in den aus dem Behälter austretenden Gasen enthaltenen Energie weiter zu entwickeln und zu optimieren.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
Die vorliegende Erfindung schlägt zur Lösung der vorgenannten Aufgabe im Prinzip zwei mögliche Alternativen vor. Gemäß der ersten in Anspruch 1 genannten Variante ist vorgesehen, dass man die aus dem Behälter strömenden Gase zunächst einer Reinigung unterzieht, bevor eine Stromerzeugung durch Verbrennung erfolgt. Nach einer Reinigung ist die Verbrennung in beispielsweise einem Gasmotor technisch möglich.
Gemäß einer zweiten möglichen Lösungsvariante, die Gegenstand des Anspruchs 6 ist, ist vorgesehen, dass man zunächst die in den aus dem Behälter ausströmenden Gasen enthaltene mechanische Energie nutzt, um ein Aggregat anzutreiben und anschließend den Gasstrom in verschiedene mindestens teilweise zur weiteren Energiegewinnung geeignete Bestandteile auftrennt. Das Antreiben eines Aggregats, welches die in den unter Druck entweichenden Gasen enthaltene Strömungsenergie mechanisch nutzt, ist auch ohne vorherige Reinigung technisch möglich. Auf diese Weise wird bereits ein Teil der in dem Gasstrom enthaltenen Energie gewonnen. Danach trennt man den Gasstrom auf in diverse Fraktionen, wobei insbesondere auch das darin enthaltene Wasser abgetrennt werden kann. Dabei werden Stoffe oder Stoffgemische gewonnen, die ebenfalls Energieträger sind, wie zum Beispiel Dieselöle oder Alkohole, so dass nach der Trennung diese Energieträger in vielfältiger Weise auch außerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass man die aus dem Behälter strömenden Gase zunächst einer Gaswäsche unterzieht, insbesondere zur Abtrennung teerartiger Bestandteile und die Gase dann in einem Gasmotor verbrennt. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass man mittels des Gasmotors die Welle eines Generators antreibt.
Eine besonders vorteilhafte Variante zur Optimierung der Energiebilanz sieht vor, dass man die Abwärme des Gasmotors und/oder die Abgaswärme des Gasmotors jeweils über Wärmetauscher rückgewinnt.
Bei der zweiten Variante des Verfahrens beaufschlagt man beispielsweise mit den aus dem Behälter austretenden Gasen eine Turbine, um die darin enthaltene Strömungsenergie mechanisch zu nutzen. Die Turbine kann beispielsweise mit der Welle eines Generators in Verbindung stehen, so dass hier Strom bereits mit dem Rohgasgemisch gewonnen wird. Wenn man dann anschließend eine Fraktionierung beispielsweise durch Kondensation/fraktionierte Destillation vornimmt, lassen sich aus dem Rohgas Stoffe oder Stoffgemische gewinnen, die selbst Energieträger sind wie zum Beispiel Dieselöle oder Alkohole, so dass diese dann separat eingesetzt werden können, zum Beispiel als Kraftstoff für Antriebsaggregate oder als Brennstoff zu Heizzwecken. Bei dieser Fraktionierung wird in der Regel auch das in dem Gasgemisch in Form von Wasserdampf enthaltene Wasser abgetrennt.
Grundsätzlich kann man als Ausgangsmaterial in dem erfindungsgemäßen Verfahren organische Substanz beliebigen Ursprungs einsetzen, bevorzugt verwendet man aber solche Substanzen, die preiswert verfügbar sind oder als Abfallstoffe anfallen. Dies sind beispielsweise Holz, Stammholz oder Astholz, welches in vorteilhafter Weise vorzerkleinert in den Druckbehälter gegeben wird, oder zum Beispiel organische Abfälle wie Nussschalen, Palmschnitzel oder dergleichen, die insbesondere in tropischen und subtropischen Ländern in großen Mengen anfallen. Eine Vortrocknung des Ausgangsmaterials ist nicht notwendig, kann aber vorteilhaft sein, um den Karbonisierungsprozess zu beschleunigen. Als Katalysator kann man in an sich bekannter Weise beispielsweise Zitronensäure oder eine Eisenverbindung einsetzen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art, welche einen mit wenigstens einem regelbaren Druckventil ausgestatteten Druckbehälter aufweist, der mit einer Heizvorrichtung versehen ist, die geeignet ist, den Behälter von außen zu erwärmen und der weiterhin wenigstens ein Gasauslassrohr aufweist, wobei sich das Druckventil im Bereich des Gasauslassrohrs befindet, wobei bei der Vorrichtung erfindungsgemäß stromabwärts in der sich an das Gasauslassrohr anschließenden Gasleitung wenigstens eine Turbine angeordnet ist, die mit den aus dem Behälter ausströmenden Gasen beaufschlagt wird.
Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens der vorgenannten Art, welche einen mit wenigstens einem regelbaren Druckventil ausgestatteten Druckbehälter aufweist, der mit einer Heizvorrichtung versehen ist, die geeignet ist, den Behälter von außen zu erwärmen und der weiterhin wenigstens ein Gasauslassrohr aufweist, wobei sich das Druckventil im Bereich des Gasauslassrohrs befindet, wobei erfindungsgemäß stromabwärts in der sich an das Gasauslassrohr anschließenden Gasleitung eine Einrichtung für eine Gaswäsche angeordnet ist, insbesondere zur Abtrennung teerartiger Bestandteile des Gasgemischs und stromabwärts dieser Einrichtung wenigstens ein Gasmotor angeordnet ist, dem die aus dem Behälter ausströmenden Gasen zugeführt werden.
Vorzugsweise ist stromabwärts der Turbine eine Anlage zur Auftrennung der Bestandteile des Gasgemischs angeordnet, insbesondere eine Anlage zur fraktionierten Destillation.
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Anlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten möglichen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer Anlage für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten möglichen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung.
Es wird zunächst auf die 1 Bezug genommen und anhand dieser wird das erfindungsgemäße Verfahren in einer möglichen Ausführungsform sowie eine für das Verfahren verwendbare Anlage beispielhaft erläutert. Die Karbonisierung erfolgt beispielsweise in einem Druckbehälter aus Stahl oder einer geeigneten Eisenlegierung, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Behälter 10 hat beispielsweise ein Fassungsvermögen von mehreren Kubikmetern und weist einen druckfest verschließbaren Deckel auf. Der Behälter 10 wird in der Regel von oben her befüllt, beispielsweise über einen Trichter 11 der oberhalb einer verschließbaren Einfüllöffnung angeordnet ist. Die Entleerung des Behälters 10 kann beispielsweise erfolgen, indem der Behälter um 180° gewendet wird. Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Behälter bereits im noch heißen Zustand von der Heizvorrichtung getrennt und entnommen wird, wobei die Entleerung des Inhalts mit der Holzkohle erst zu einem späteren Zeitpunkt nach Abkühlung erfolgt, da bei dieser Vorgehensweise ein neuer gefüllter Behälter an die Stelle des vorherigen treten und das Verfahren erneut beginnen kann. Es hat sich nämlich gezeigt, dass man dadurch die Abkühlzeit einsparen und somit erhebliche Zeit gewinnen und für eine neue Karbonisierungscharge nutzen kann. Zur Beheizung des Behälters 10 kann man zum Beispiel eine Art Kassette verwenden, die aus feuerfestem Stein besteht und den Behälter aufnimmt, wobei dann die Kassette beispielsweise über einen Brenner mit Hitze beaufschlagt wird. Nach Abschluss der Karbonisierung aber noch vor Abkühlung entnimmt man dann den noch heißen Behälter beispielsweise mit einem Kran aus der Kassette und verkürzt so das gesamte Verfahren. In dem Innenraum 17 des Behälters 10 befindet sich das zu karbonisierende organische Ausgangsmaterial, beispielsweise auf mehreren übereinander liegenden Ebenen 12, wobei auch eine Einrichtung 13 zur Durchmischung der Ausgangsmaterialien vorhanden sein kann.
In der Praxis bietet es sich an, größere Anlagen mit mehreren Behältern vorzusehen, die beispielsweise jeweils in den Kassetten für die Beheizung in Reihen nebeneinander angeordnet sind und mit dem Ausgangsmaterial bestückt werden. Dieses Ausgangsmaterial kann dazu zunächst in Silos vorgetrocknet werden, bevor es den einzelnen Behältern zugeführt wird, da auf diese Weise sich der Prozess der Karbonisierung weiter beschleunigen lässt, wenn das Ausgangsmaterial einen geringeren Wassergehalt aufweist.
Im oberen Bereich ist am Behälter 10 ein etwa senkrecht nach oben ragendes Gasrohr 19 angebracht, welches mit dem Innenraum 17 des Behälters in Verbindung steht. An dem Verschluss dieses Gasrohrs 19 ist ein hier nicht näher dargestelltes Überdruckventil angebracht, welches dann anspricht, wenn der Innendruck im Behälter einen bestimmten vorgegebenen Wert übersteigt, so dass dann Gase über das Gasrohr 19 aus dem Behälterinneren entweichen können. Diese Gase können über eine an das Gasrohr 19 anschließbare Leitung 14 abgeleitet werden, wobei man die in diesen Gasen enthaltene Strömungsenergie nutzt, indem man in der Leitung 14 eine Turbine 15 anordnet, durch die man die Gase hindurchleitet. Diese Turbine 15 enthält ein Schaufelrad, welches beaufschlagt und in Rotation versetzt wird. Unmittelbar an die Turbine 15 kann die Welle eines Generators 16 angeschlossen sein, die dann über die Turbine angetrieben wird, so dass Strom erzeugt wird.
Nach dem Durchströmen des Schaufelrads der Turbine 15 strömt das Gasgemisch dann weiter durch die Leitung 18 und gelangt in eine Trennvorrichtung 20, in der eine Fraktionierung des Gasgemischs erfolgt. Hierzu kann man beispielsweise das Gasgemisch zunächst auffangen und durch Abkühlung kondensieren und danach eine fraktionierte Destillation vornehmen, bei der man dann die einzelnen Fraktionen getrennt auffängt. Diese Trennvorrichtung 20 umfasst dazu mehrere separate Behälter 21, 22, 23, in denen die einzelnen Fraktionen gewonnen werden. Dies können beispielsweise sein Alkohole wie Methanol oder Ethanol, Dieselöle und Wasser. Das Wasser wird in der Regel verworfen, während brennbare Bestandteile wie Methanol oder Ethanol gegebenenfalls durch weitere Methoden wie Destillation oder dergleichen gereinigt werden können und anschließend als Energieträger eingesetzt werden können. Auf diese Weise wird ein weiterer erheblicher Anteil der in dem Gasgemisch enthaltenen chemischen Energie gewonnen und einer sinnvollen Nutzung zugeführt. Nicht verwertbare Restbestandteile des Gasgemischs können über die Leitung 24 abgeführt werden und gegebenenfalls in einem Behälter 25 aufgefangen werden, aus dem sie dann später entsorgt werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Die Darstellung ist schematisch vereinfacht und es sind nur die wichtigsten Teile einer beispielhaften Anlage dargestellt. Die Karbonisierung erfolgt in einer Anzahl von Behältern 10, die in Reihen angeordnet sein können und zur Beheizung in Kassetten einstellbar sind, aus dehnen sie entnehmbar sind, so dass auch bereits vor vollständigem Abschluss der Reaktion im Behälter 10 dieser aus der Heizvorrichtung entnommen und durch einen mit frischem Material beschickten Behälter ersetzt werden kann. Es werden zum Beispiel Behälter mit einem Fassungsvermögen von 6 m³ verwendet, von denen sich 10 in einer Heizstation befinden, die in jeweils zwei Reihen angeordnet sind. In 2 sind zwei solcher nebeneinander liegender Behälter 10 eingezeichnet. Die Anordnung von 10 Behältern hat somit insgesamt ein Fassungsvermögen von 60 m³.
Das organische Material für die Beschickung der Behälter 10 wird zunächst in einem Silo 26 vorgetrocknet, welches ein wesentliches größeres Fassungsvermögen aufweist als der einzelne Behälter, beispielsweise 80 m³, so dass man einen Vorrat für eine Mehrzahl von Behältern über einen entsprechenden Zeitraum in einem solchen Silo 26 vortrocknen kann. Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Anlage ist, dass man die Energie zur Vortrocknung des organischen Materials in dem Silo 26 aus dem Karbonisierungsprozess selbst gewinnen kann. Die während des Karbonisierungsprozesses aus den Behältern 10 entweichenden Gase gelangen über die beiden Gasleitungen 27a, 27b in eine Sammelleitung 28 über die sie dann in eine Gasreinigungsvorrichtung 29 strömen, in der eine Gaswäsche erfolgt. Die aus dieser Gasreinigungsvorrichtung 29 austretenden gereinigten Gase strömen dann über die Gasleitung 30 in einen Gasbrenner 31, der wiederum dazu dient, in der Heizstation die Behälter 10, in denen die Karbonisierung erfolgt, aufzuheizen. Die bei der Verbrennung in dem Gasbrenner 31 erzeugte Energie kann man weiterhin dazu nutzen, einen Ventilator 32 anzutreiben, dessen Gebläse einen Luftstrom, insbesondere einen Warmluftstrom, erzeugt, welcher über Leitungen 33 in eine Öffnung des Silos 26 eingeblasen wird, um das dort zur Vortrocknung eingelagerte organische Material zu Trocknen, bevor es zur Karbonisierung in einen der Behälter gefüllt wird.
Nachfolgend wird anhand von drei konkreten Beispielen die Prozessführung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren näher erläutert. Die Beispiele 1 und 2 beziehen sich auf Versuche im Technikumsmaßstab, bei denen mit kleineren Chargen versuchsweise gearbeitet wurde, um das erfindungsgemäße Karbonisierungsverfahren zu erforschen, während sich Beispiel 3 auf eine Anwendung im industriellen Bereich bezieht.
Beispiel 1
Es wurde ein Behälter mit einem Fassungsvermögen von ca. 400 l mit 95,5 kg Holzscheiten befüllt, die eine Restfeuchte von ca. 19% aufwiesen. Zu dieser organischen Ausgangsmasse wurden 50 g handelsüblicher Zitronensäure gegeben und der druckfeste Behälter wurde geschlossen. Die Ausgangstemperatur betrug 20°C und es herrschte atmosphärischer Druck. Mit einem Brenner wurde die in dem doppelwandigen Behälter enthaltene Ausgangsmasse erhitzt. Nach ca. 2,5 Stunden öffnete sich bei einer Temperatur von etwa 200°C und einem Druck von 16,9 bar das Überdruckventil und ein brennbares Gasgemisch begann aus dem Behälter zu entweichen. Die Beheizung mittels des Brenners wurde für weitere 1,75 Stunden fortgesetzt bis eine Temperatur von ca. 260°C erreicht war. Dann wurde die Beheizung eingestellt und der Karbonisierungsprozess setzte sich ohne Fremdbeheizung fort, wobei die Temperatur weiter stieg bis auf eine maximale Temperatur von etwa 295°C. Der Druck blieb eine Zeit lang bei ca. 16 bar, begann jedoch etwa eine halbe Stunde nach Beendigung der Wärmezufuhr zu sinken. Eine Stunde nach dem Ende der Beheizung und somit 5¼ Stunde nach Beginn des Verfahrens betrug die Temperatur im Behälter 289°C und der Druck war auf 4 bar abgesunken. Sieben ein halb Stunden nach Beginn des Vorgangs sank die Temperatur im Behälter unter 200°C und der Druck entsprach atmosphärischem Druck. Die Temperatur sank allmählich weiter ab. Nach etwa zwei weiteren Stunden konnte der Vorgang als beendet angesehen und der Behälter geöffnet werden. Es wurde eine Art Holzkohle mit einem Endgewicht von 50,5 kg erhalten, deren Gesamtfeuchte bei 105°C 0,3% betrug, mit folgenden weiteren Analysewerten: Asche 710°C (wasserfrei) 1,9%, flüchtige Bestandteile (wasserfrei) 23,1%, nicht flüchtiger Kohlenstoff (wasserfrei) 75,0%.
Beispiel 2
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde in einem größeren Behälter gearbeitet und eine größere Menge an organischer Ausgangssubstanz bei höheren Temperaturen karbonisiert, mit dem Ziel, das Verfahren weiter zu optimieren im Hinblick auf eine noch kürzere Verfahrensdauer und die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch Verarbeitung größerer Chargen. Eine Masse von 450 kg eines Gemisches organischer Substanzen unterschiedlicher Herkunft, nämlich frisches Stammholz, Astholz, Nussschalen von Kokosnüssen und Palmschnitzel wurden in einen Druckbehälter mit einem Fassungsvermögen von 1500 l gegeben. Dazu wurden 150 ml 10%iger Zitronensäure gegeben. Der Behälter war doppelwandig und isoliert und wurde mit einem Ölbrenner betrieben, der den Innenbehälter aufheizte. Der Behälter wurde auf eine Innentemperatur von 450°C erhitzt und dann wurde der Brenner ausgeschaltet. Bei einem Innendruck von etwa 12 bar öffnete das Überdruckventil und es entwichen brennbare Gase aus dem Behälter, die abgefackelt wurden. (Selbstverständlich ist es im Serienbetrieb ratsam, die brennbaren Gase aufzufangen und entweder zur Beheizung des Prozesses selbst oder die Verbrennungswärme anderweitig zum Beispiel zu Heizzwecken zu nutzen. Im vorliegenden Fall ging es jedoch lediglich um die Feststellung der optimalen Prozessparameter und es wurde eine vereinfachte Anlage für den Versuch verwendet.) Es wurde ein regelbares Ventil an dem Behälter eingesetzt, so dass es möglich war, den Innendruck, bei dem das Ventil anspricht zu variieren. Nach Abschaltung der Fremdbeheizung entwich weiter Gas aus dem Behälter, welches gegen Ende des Prozesses eine bläuliche Farbe aufwies. Die Abschaltung des Brenners kann unter diesen Bedingungen nach ca. 4 bis 5 Stunden erfolgen. Nach etwa achtstündiger Verfahrensdauer konnte der Vorgang beendet und die Holzkohle aus dem Behälter entnommen werden. Es wird eine Holzkohle von hoher Qualität gewonnen, die sich zum Beispiel auch als Grillkohle eignet.
Beispiel 3
Ein im Querschnitt ovaler Druckbehälter mit einem Fassungsvermögen von ca. 6 m³ wurde mit zerkleinerten Holzscheiten beschickt, die zuvor in einem Silo vorgetrocknet wurden. Zu der organischen Masse wurde ein Katalysator gegeben und nach dem Verschließen wurde der Behälter mit einem Gabelstapler oder einem Kran in eine Heizstation gestellt, die eine Aufnahme für den Behälter aus einem schamotteähnlichen Material aufwies, welches bereits auf ca. 450°C aufgeheizt war. Auf diese Weise konnte die Aufheizphase erheblich verkürzt werden und auch der Prozess der Karbonisierung beschleunigt werden, wodurch sich eine weitere wesentliche Zeitersparnis gegenüber den zuvor genannten Beispielen ergab. Das an dem Behälter angeordnete Überdruckventil wird so eingestellt, dass es sich bei einem Druck von zwischen etwa 9 und etwa 12 bar öffnet. Aus dem Behälter treten bereits nach ver gleichsweise kurzer Zeit Gase aus, die über eine Leitung abgeleitet und einer Gaswascheinrichtung zugeführt werden, in der die Gase gereinigt und insbesondere teerartige Bestandteile abgetrennt werden. Nach der Gaswäsche wird der Gasstrom dann einem Gasmotor zugeleitet und in diesem verbrannt, wobei die dabei erzeugte Wärme überwiegend der Heizstation zugeführt wird, in der die Behälter erhitzt werden, wobei ein Teil der erzeugten Wärme auch für die Vortrockung des organischen Ausgangsmaterials in dem Silo verwendet werden kann. Nach einer Reaktionszeit von etwa 6 bis 8 Stunden wird der noch heiße Behälter der Heizstation entnommen und durch einen Behälter mit frischem organischen Ausgangsmaterial ersetzt. Die entsprechende Aufnahme in der Heizstation steht daher dann bereits für den nächsten Behälter wieder zur Verfügung. Den heißen Behälter lässt man abkühlen und kann nach der Abkühlung die Karbonisierungsprodukte aus dem Behälter entnehmen.

10: Behälter
11: Trichter
12: Ebenen
13: Einrichtung zur Durchmischung
14: Gasleitung
15: Turbine
16: Generator
17: Behälterinnenraum
18: Gasleitung
19: Gasrohr
20: Trennvorrichtung
21: Behälter
22: Behälter
23: Behälter
24: Leitung
26: Silo
27a: Gasleitung
27b: Gasleitung
28: Sammelleitung
29: Gasreinigungsvorrichtung
30: Gasleitung
31: Gasbrenner
32: Ventilator
33: Leitungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102008006772 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Markus Antonietti kocht Kohle aus organischem Abfall”, publiziert unter www.3sat.de/nano/cstuecke/99532/index/html [0003]

Claims

Verfahren zur Karbonisierung organischer Substanzen, bei dem diese in einem geschlossenen Druckbehälter unter Ausschluss von Sauerstoff unter Eigendruck erhitzt werden, wobei zum Aufschluss der Ausgangssubstanzen zu Beginn des Verfahrens ein Katalysator zugegeben wird, wobei eine Erwärmung der Substanzen im Druckbehälter erfolgt, bis ein vorgegebener Druck im Innenraum des Druckbehälters erreicht ist und man dann eine Druckentlastung durch Öffnen eines Ventils vornimmt und Gase aus dem Behälter strömen lässt, dadurch gekennzeichnet, dass man die aus dem Behälter strömenden Gase einer Reinigung unterzieht, bevor eine Stromerzeugung durch Verbrennung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die aus dem Behälter strömenden Gase zunächst einer Gaswäsche (29) unterzieht, insbesondere zur Abtrennung teerartiger Bestandteile und die Gase dann in einem Gasmotor (31) verbrennt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man mittels des Gasmotors die Welle eines Generators antreibt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Rückgewinnung der Abwärme des Gasmotors über einen Wärmetauscher vornimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Rückgewinnung der Abgaswärme des Gasmotors über einen Wärmetauscher vornimmt.
Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man zunächst die in den aus dem Behälter ausströmenden Gasen enthaltene mechanische Energie nutzt, um ein Aggregat anzutreiben und anschließend den Gasstrom in verschiedene mindestens teilweise zur weiteren Energiegewinnung geeignete Bestandteile auftrennt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit den aus dem Behälter ausströmenden Gasen eine Turbine (15) beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Behälter ausströmenden Gase einer Fraktionierung (20) unterzogen werden zwecks Auftrennung in mehrere Bestandteile, die dann einer Verwertung zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus den aus dem Behälter strömenden Gasen durch Kondensation/fraktionierte Destillation Wasser abgetrennt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fraktionierung Dieselöle als eine separate Fraktion gewonnen und getrennt aufgefangen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fraktionierung Alkohole, insbesondere Methanol und/oder Ethanol als eine separate Fraktion gewonnen und getrennt aufgefangen werden.
Verfahren nach Anspruche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mit den aus dem Behälter ausströmenden Gasen zunächst eine Turbine (15) beaufschlagt wird und dann die Auftrennung (20) des Gasgemischs in einzelne Fraktionen erfolgt.
Verfahren nach Anspruche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Ausgangssubstanz für die Karbonisierung Stammholz, Astholz, Nussschalen und/oder Palmschnitzel umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator Zitronensäure und/oder eine Eisenverbindung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vortrocknung des organischen Materials in einem Vorratsbehälter (26) vorgesehen ist, bevor dieses karbonisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Vortrocknung erforderliche Energie mindestens teilweise aus dem Karbonisierungsprozess gewonnen wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen mit wenigstens einem regelbaren Druckventil ausgestatteten Druckbehälter (10) aufweist, der mit einer Heizvorrichtung versehen ist, die geeignet ist, den Behälter von außen zu erwärmen und der weiterhin wenigstens ein Gasauslassrohr (19) aufweist, wobei sich das Druckventil im Bereich des Gasauslassrohrs befindet, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts in der sich an das Gasauslassrohr (19) anschließenden Gasleitung (14) wenigstens eine Turbine (15) angeordnet ist, die mit den aus dem Behälter (10) ausströmenden Gasen beaufschlagt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen mit wenigstens einem regelbaren Druckventil ausgestatteten Druckbehälter (10) aufweist, der mit einer Heizvorrichtung versehen ist, die geeignet ist, den Behälter von außen zu erwärmen und der weiterhin wenigstens ein Gasauslassrohr (19) aufweist, wobei sich das Druckventil im Bereich des Gasauslassrohrs befindet, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts in der sich an das Gasauslassrohr anschließenden Gasleitung (28) eine Einrichtung (29) für eine Gaswäsche angeordnet ist, insbesondere zur Abtrennung teerartiger Bestandteile des Gasgemischs und stromabwärts dieser Einrichtung wenigstens ein Gasmotor (31) angeordnet ist, dem die aus dem Behälter ausströmenden Gase zugeführt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Turbine eine Anlage (20) zur Auftrennung der Bestandteile des Gasgemischs angeordnet ist, insbesondere eine Anlage zur fraktionierten Destillation.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (26) vorgesehen ist, in der ein Vorrat des zu karbonisierenden organischen Materials gelagert und vorgetrocknet wird.