DE102008026991A1

DE102008026991A1 - Verfahren zum Herstellen von Kohle insbesondere von Kohleschlamm

Info

Publication number: DE102008026991A1
Application number: DE200810026991
Authority: DE
Inventors: Marc Buttmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Terranova Energy De GmbH
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2009-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kohle insbesondere von Kohleschlamm aus Biomasse insbesondere aus Klärschlamm durch hydrothermale Karbonisierung, wobei die Kohlenstoffstrukturen der Biomasse bei mindestens 180 bis 200°C unter Luftabschluss aufgebrochen werden, wobei vor der hydrothermalen Karbonisierung die Biomasse durch Entwässerung auf Werk über 10% Trockensubstanzanteil aufkonzentriert wird, dass vor der hydrothermalen Karbonisierung die Biomasse auf einen pH-Wert kleiner 4 gebracht wird, wenn der pH-Wert über 4 liegt, und dass die durch die hydrothermale Karbonisierung entstandene Prozess-Abwärme zum anschließenden Trocknen des entstandenen Produkts verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Kohle insbesondere von Kohleschlamm aus Biomasse insbesondere aus Klärschlamm durch hydrothermale Karbonisierung, wobei die Kohlenstoffstrukturen der Biomasse bei mindestens 180 bis 200°C unter Luftabschluss aufgebrochen werden. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung (HTC) von Klärschlamm wurde 2006 vom Max Planck Institut in Potsdam (Prof. Antonietti) veröffentlicht. Es geht auf Untersuchungen der sog. „Inkohlung" von Prof. Bergius 1911–1928 zurück. In der HTC werden die Kohlestoffstrukturen von Biomasse jeglicher Art bei etwa 200°C unter Luftabschluss innerhalb von 12 h aufgebrochen. Nach dieser Zeit ist die Biomasse annähernd vollständig in einen kohleähnlichen Schlamm umgewandelt. Dieser Prozess ist exotherm und wird durch Zugabe von Katalysatoren, insbesondere Säuren, erleichtert. Dieses bekannte Verfahren erfordert eine sehr lange Bearbeitungszeit bei erheblicher Anlagengröße.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse erheblich zu verkürzen bei geringem apparativen Aufwand, kompakter Anlage und wirtschaftlicher Arbeitsweise.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

– dass vor der hydrothermalen Karbonisierung die Biomasse durch Entwässerung auf Werte über 10% Trockensubstanzanteil aufkonzentriert wird,
– dass vor der hydrothermalen Karbonisierung die Biomasse auf einen pH-Wert kleiner 4 gebracht wird, wenn der pH-Wert über 4 liegt, und
– dass die durch die hydrothermale Karbonisierung entstandene Prozess-Abwärme zum anschließenden Trocknen des entstandenen Produkts verwendet wird.

Ein solches Verfahren führt zu folgenden Vorteilen:

• Eine wesentliche Beschleunigung des Verfahrens, so dass schon nach ca. 3 bis 5 Stunden die Karbonisierung abgeschlossen ist.
• Das Verfahren ist äußerst wirtschaftlich.
• Der apparative Aufwand ist verhältnismäßig gering.
• Die Anlage ist bei geringen Außenabmessungen sehr kompakt.
• Behandlung von Abwasser als Eingangsstoff, dadurch Ersatz ganzer Kläranlagen.
• Weitere Beschleunigung des Verfahrens durch Katalysatoren.
• Nutzung des Produkts zur anschließenden Weiterbehandlung im Fischer-Tropsch-Verfahren.
• Nutzung des Verfahrens zur Abtrennung von Phosphor, Phosphorverbindungen und Schwermetallen vom Klärschlamm.
• Nutzung des Verfahrens zur Komprimierung von Biomassen.
• Nutzung des Verfahrens zur Stabilisierung von Biomassen.
• Anwendung auf andere Biomassen, wie z. B. Gärreste, Trester, Rapspresskuchen, Lebensmittelabfälle, Algen, Grünschnitt....
• Verwendung von Rohrreaktoren zum kontinuierlichen Betrieb statt Batch Betrieb.
• Konvertierung der Biomasse in gasförmige oder flüssige Form.
• Direkte Verstromung des Produkts durch Brennstoffzellen.
• Nutzung des Produkts als Aktivkohle Ersatz.
• Nutzung des Produkts zur Oberflächenbehandlung.
• Nutzung des Produkts als Füllstoff.
• Nutzung des Verfahrens zum Entzug von CO2 aus dem Klimakreislauf.
• Nutzung des Verfahrens zur dauerhaften Bindung und zur Deponierung von CO2.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn vor der hydrothermalen Karbonisierung mineralische Anteile aus der Biomasse abgetrennt werden. Auch hat es sich als äußerst vorteilhaft gezeigt, wenn die Kohlepartikel des durch die hydrothermale Karbonisierung entstandenen Kohleschlamms zur Entwässerung mit Öl benetzt werden.
Eine weitere Intensivierung und Beschleunigung des Verfahrens wird erzielt, wenn die hydrothermale Karbonisierung unter Verwendung eines Rührwerkes erfolgt. Auch ist die Verwendung von Rohrreaktoren zur Beschleunigung und Optimierung äußerst vorteilhaft.
Höchst vorteilhafte Ausführungen sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt.
Vorteilhafte beispielhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden beschrieben. Hierbei zeigt die Zeichnung eine Ausführung in einfacher schematischer Darstellung.
Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden einschließlich Alternativen beschrieben.
Die mineralischen Anteile von Klärschlamm, der mit etwa 1–5% TS (Trockensubstanz) Gehalt auf Kläranlagen anfällt, werden in einem Hydrozyklon 1 von den organischen Anteilen abgetrennt und als Sand entsorgt. Im nachfolgenden Vorlagebehälter 2 erfolgt die Einstellung des pH-Wertes auf Werte unter pH4 und die Beimischung von Hilfsstoffen wie Polymere oder Katalysatoren. In einem Decanter 3 wird der Klärschlamm auf Werte über 10% TS Gehalt aufkonzentriert, um damit eine exotherme Reaktion in den Reaktoren zu ermöglichen.
Über Dosiereinrichtungen 4, Pumpen 5 und Ventile 6 werden parallel angeordnete Reaktoren beschickt 7. Diese verfügen zur Verbesserung der Reaktion über ein Rührwerk. Alternativ können auch Rohrreaktoren verwendet werden, die eine gute Durchmischung des Klärschlamms sicherstellen.
Die bei der Reaktion entstehende Abwärme wird über einen Thermoölkreislauf der anschließenden Trocknung zugeführt.
Zum Anfahren des Prozesses wird Wärme über einen Brenner 14 zugeführt. Durch die Verwendung mehrerer Reaktoren kann auf Wärmezuführung während des laufenden Betriebes der Anlage verzichtet werden, da die Abwärme eines laufenden Reaktors zum Anfahren eines neu beschickten Reaktors genutzt wird.
Aus einem Frischwasserbehälter kann eine Verdünnung des Reaktorinhalts zur Verlangsamung und ggf. Unterbrechung der Karbonisierung erfolgen.
Der resultierende Kohleschlamm wird über Ventile 6 abgeführt und über einen weiteren Vorlagebehälter 16 dem Decanter 3 zur abschließenden Entwässerung auf > 50% TS Gehalt zugeführt.
Optional wird zur Verbesserung der Entwässerung eine Benetzung der Kohleschlammpartikel mit Öl oder eine Zugabe anderer Hilfsmittel im gleichen Vorlagebehälter erfolgen. Ebenso wird hier optional das Trübwasser über dem angesetzten Schlamm abgezogen.
Die entstandene Kohle wird einer abschließenden Trocknung zugeführt. Wertstoffe, insbesondere Phosphor, werden nach einer Monoverbrennung der entstandenen Kohle aufgrund der hohen Konzentrationen aus der Asche wirtschaftlich wiedergewonnen. Das Wasser enthält nach der Reaktion einen hohen Anteil der ursprünglich im Klärschlamm enthaltenen Schwermetalle, welche in nachfolgenden Schritten durch Fällungsreaktionen gebunden und sicher entsorgt werden.
Die Stoffströme sind in der Zeichnung wie folgt bezeichnet:

K: = Klärschlamm und Kohle
T: = Thermoölkreislauf
W: = Wasser

1: Hydrozyklon
2: Vorlagebehälter 1 für Decanter
3: Decanter
4: Zuteileinrichtung/Dosiereinrichtung
5: Exzenterschneckenpumpe
6: Dreiwegeventil
7: Reakator (Doppelwandiger Behälter mit Rühren und isoliert)
8: Isolierung
9: Eckventil
10: Thermoölpumpe
11: Wasserpumpe
12: Thermoölbehälter
13: Wasserbehälter
14: Brenner
15: Rohrbündelwärmetauscher
16: Vorlagebehälter 2 Decanter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Inkohlung” von Prof. Bergius 1911–1928 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen von Kohle insbesondere von Kohleschlamm aus Biomasse insbesondere aus Klärschlamm durch hydrothermale Karbonisierung, wobei die Kohlenstoffstrukturen der Biomasse bei mindestens 180 bis 200°C unter Luftabschluss aufgebrochen werden, dadurch gekennzeichnet, – dass vor der hydrothermalen Karbonisierung die Biomasse durch Entwässerung auf Werte über 10% Trockensubstanzanteil aufkonzentriert wird, – dass vor der hydrothermalen Karbonisierung die Biomasse auf einen pH-Wert kleiner 4 gebracht wird, wenn der pH-Wert über 4 liegt, und – dass die durch die hydrothermale Karbonisierung entstandene Prozess-Abwärme zum anschließenden Trocknen des entstandenen Produkts verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der hydrothermalen Karbonisierung mineralische Anteile aus der Biomasse abgetrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlepartikel des durch die hydrothermale Karbonisierung entstandenen Kohleschlamms zur Entwässerung mit Öl benetzt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrothermale Karbonisierung unter Verwendung eines Rührwerkes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Einsatz von Katalysatoren beschleunigt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Erniedrigen des pH-Wertes der Biomasse durch Zugabe von Säure insbesondere durch Zugabe von Schwefelsäure erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der hydrothermalen Karbonisierung Schadstoffe wie Schwermetalle abgetrennt und Wertstoffe wie Phosphor rückgewonnen werden, in dem sie aus den festen Bestandteilen in die Flüssigphase übergehen und durch das spätere Entwässern abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen kontinuierlichen Betrieb Rohrreaktoren verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das entstandene Produkt durch das Fischer-Tropsch-Verfahren weiter behandelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Biomasse Gärreste, Trester, Rapspresskuchen, Lebensmittelabfälle, Grünschnitt und/oder Algen verwendet werden.
Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche.