DE102009015506A1

DE102009015506A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Brennstoffen aus Biomasse

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Publication number: DE102009015506A1
Application number: DE102009015506A
Authority: DE
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Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: DE102009015506B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffen aus Biomasse, das die folgenden Schritte umfasst: a) Herstellen einer Mischung aus Biomasse mit einem Carbonat enthaltenden Feststoff, b) Umsetzen der Mischung durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 280 und 450°C, um einen Brennstoff zu erhalten, und c) Auffangen des Brennstoffs. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der carbonathaltige Feststoff Holzasche oder ein Alkali- oder Erdalkalimetallcarbonat darstellt. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie die Verwendung der entstehenden Produkte.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffen aus Biomasse, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie die Verwendung des mit dem Verfahren erhaltenen Produktes.
Verfahren zur Gewinnung von Brennstoffen aus Biomasse sind im Stand der Technik bekannt. Die DE 30 42 964 beschreibt ein solches Verfahren zur Gewinnung von festen und flüssigen Brennstoffen aus biologischem Material, bei dem die Heteroatome Stickstoff, Schwefel und Sauerstoff durch Erhitzen des biologischen Materials auf Temperaturen zwischen 200 und 600°C eliminiert werden, indem das biologische Material beim Erhitzen mit Katalysatoren aus Metall- oder Nichtmetalloxiden kontaktiert wird. Das offenbarte Verfahren ist inzwischen als „Niedertemperaturkonvertierung, NTK”, engl. Low Temperature Conversion, LTC allgemein bekannt.
Kennzeichen der NTK ist, dass im Gegensatz zur Pyrolyse die C-C-Bindungen im organischen Material weitgehend intakt bleiben. Die Umsetzung erfolgt in der Regel im Temperaturbereich von 280°C–450°C unter Ausschluss von Sauerstoff und in Gegenwart von in-situ Katalysatoren. In-situ Katalysatoren sind vor Ort des Reaktorgeschehens vorhanden, entweder als Spurenelemente, wie z. B. Inhaltsstoffe von Zellen, oder als übliche Begleitstoffe, wie z. B. Schwemmsande einer Kanalisation im Klärschlamm. Solche Katalysatoren sind somit die vorhandenen Schwemmsande im Falle von Klär- und Faulschlamm der biologischen Wasserreinigung. Aber auch das natürliche Spurenelementprofil in Kombination mit Gerüststoffen wie z. B. bakterielle Biomasse aerober oder anaerober Klärschlämme, Algen, Tiermehl, Fleischknochenmehl, Papspresskuchen oder lipidhaltige Substanzen unterstützen den thermokatalytischen Prozess der NTK.
Die eigentliche Produktbildung erfolgt überwiegend aus Lipiden und Proteinen organisch-biologischer Stoffe. Hingegen werden Kohlenhydrate wie z. B. Zucker, Stärke oder Cellulose unter den Bedingungen der NTK in elementaren Kohlenstoff und Wasser zerlegt.
Der aus Kohlenhydraten gebildete Kohlenstoff verbleibt zusammen mit anderen nichtflüchtigen Bestandteilen wie z. B. Schwemmsanden oder phosphathaltigen Mineralien aus Tiermehl oder Gerüststoffen der Biomasse im Konvertierungsreaktor und muss kontinuierlich bzw. diskontinuierlich ausgetragen werden.
Neuere Entwicklungen auf diesem Gebiet betreffen die Herstellung von Biokraftstoffen durch katalytische Umsetzung von pflanzlichen oder tierischen Fetten. So offenbart die DE 10 2004 021 583 ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenwasserstoffen aus biologischen Fetten, bei dem die Fette bei erhöhter Temperatur mit Katalysatoren auf Basis von Silikaten oder Aluminiumoxiden umgesetzt werden.
Die EP 1 724 325 A1 (entsprechend DE 10 2005 013 601 A1 ) offenbart ein Verfahren zur Konvertierung von fett- oder ölhaltigen Roh- und Abfallstoffen in Gemische mit hohem Kohlenwasserstoffanteil bei Temperaturen von 150–850°C in einem Aktivkohle enthaltenden Konvertierungsreaktor. Die erhaltenen Produkte sind als Wertstoffe, z. B. Brenn- oder Kraftstoffe nutzbar.
Ferner beschreibt US 4,781,796 eine Vorrichtung zur Konvertierung von Schlämmen, insbesondere Klärschlämmen analog der DE 30 42 964 . Davon abweichend wird jedoch in einem liegenden Rohr durch eine zentrale Schnecke der Schlamm gestuft über eine Heizzone in die Reaktionszone von 280–660°C befördert. Die erzeugten Gase werden anschließend zu Ölen kondensiert.
Nachteilig bei den Verfahren gemäß des Standes der Technik ist die relativ hohe Viskosität sowie die hohe Säurezahl der erhaltenen Produkte. Hohe Säurezahlen und Viskositäten sind sowohl stationären Verbrennungszwecken als auch motorischen Einsätzen bzw. der Verwendung als Chemierohstoff abträglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Zur Lösung der zuvor geschilderten Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung eine Zusammensetzung nach Anspruch 1 vor; weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der diesbezüglichen abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Brennstoffen aus Biomasse gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Herstellen einer Mischung aus Biomasse mit einem Carbonat enthaltenden Feststoff,
b) Umsetzen der Mischung durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 280 und 450°C, um ein Brennstoff zu erhalten, und
c) Auffangen des Brennstoffs, wobei der carbonathaltige Feststoff Holzasche oder ein Alkali- oder Erdalkalimetallcarbonat darstellt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet Biomasse die Gesamtheit der Masse an organischem Material in einem definierten Ökosystem, das biochemisch synthetisiert wurde.
Es ist überraschenderweise festgestellt worden, dass mit diesem Verfahren Produkte erhalten werden können, die eine niedrigere Viskosität und eine niedrigere Säurezahl aufweisen. Die vorteilhaften Wirkungen werden wahrscheinlich durch die besondere Oberflächenstruktur und die Oberflächenchemie der Holzasche bewirkt.
Es ist ferner vorteilhaft, dass die weitergehende Abspaltung von Heteroatomen, insbesondere Sauerstoff aus lipidhaltiger Biomasse und davon abgeleiteten organischen Stoffen gefördert wird. Ferner zeigt der Zusatz von Holzasche eine Abnahme der Säurezahlen und der Viskositätswerte in den erzeugten Ölen im Vergleich zu jenen bei Reaktionsführung ohne Zusatz von Holzasche.
Im Falle phosphathaltiger Substrate, wie z. B. Klärschlamm, Tiermehl oder deren technische Ausprägung als Fleischknochenmehl, wird darüber hinaus durch die Wirkung von Asche bei landbaulicher Verwendung die Löslichkeit der Phosphate erhöht.
Der Kalimetallgehalt begünstigt die Nährstoffbilanz. In der Gesamtwürdigung wird zum einen bei der „Anna-Reaktion” durch einen Verbund von Reststoffen die Qualität des NTK-Öls in Bezug auf Viskosität, Säurezahl und Heizwert verbessert. Zum andern kann durch das Festprodukt der „Anna-Reaktion” ein ökoeffizientes Ausgangsmaterial zur Herstellung von Düngemitteln im Sinne eines Recyclings von essentiellem Phosphor und Kalium geschaffen werden. Die Bodenqualität im Sinne der Humusbildung wird durch vorhandenen Kohlenstoff verbessert wie Wachstumsversuche zeigen.
Besonders zielführend sind NTK-Umsetzungen, bei denen die Viskosität der erzeugten Öle im Bereich handelsüblicher Chemierohstoffe bzw. Heiz- oder Kraftstoffe (v₄₀ = 1–6 mm²/s) liegt und die gleichzeitig niedrige Säurezahlen aufweisen. In diesen Fällen können durch nachfolgende Aufbereitung mittels Hydrierung oder fraktionierte Destillation ökoeffiziente Produkte erzielt werden.
Die Viskosität wird vorzugsweise durch einen Kapillarviskosimeter bestimmt. Die Viskosität v₄₀ bedeutet hierbei, dass die Viskosität nach DIN 51563 bei 40°C bestimmt wird. Die Säurezahl wird nach DIN 14104 durch Titration ermittelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Umsetzung bei Temperaturen zwischen 280 und 450°C und bevorzugter zwischen 380 und 450°C. Die Temperatur beeinflußt maßgeblich die Zusammensetzung im Produktstrom. Es wird vermutet, daß niedrigere Temperaturen die Bildung von niedermolekularen Bestandteilen im Produktstrom fördert. Vorteilhaft ist eine Raumgeschwindigkeit (weight hourly space velocity, WHSV) im Bereich von 0,1–10 h^–1.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird die Holzasche durch Verbrennung von Holz bei Normaldruck hergestellt. Die so hergestellte Holzasche hat eine charakteristische Schüttdichte. Ein bevorzugtes Verfahren umfasst Holzasche mit einer Schüttdichte zwischen 0,01 und 0,5 kg/l, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 kg/l und bevorzugter zwischen 0,2 und 0,4 kg/l. Dieses Merkmal drückt aus, dass die Holzasche unverdichtet eingesetzt wird. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass unverdichtete Holzasche eine Oberflächenstruktur aufweist, die sich für die Umsetzung besonders gut eignet.
Besonders vorteilhaft ist die Biomasse für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus aeroben oder anaeroben Klärschlämmen, Frischschlamm, Faulschlamm, Algen, Tiermehl, Fleischknochenmehl, Rapspresskuchen und Fetten. Die Biomasse kann insbesondere die Komponenten Rinderfett, Kokosfett, Pflanzenöle, oder Palmitinsäure umfassen. Charakteristisch für die bevorzugte Biomasse ist ein Kohlenstoffanteil von 55 bis 80 Gew.-%, bevorzugter von 64 bis 77 Gew.-%.
Ferner umfassen geeignete Substrate neben Klärschlämmen beispielsweise Produkte der Tierkörperverwertung incl. tierischer Fette oder Pflanzenöle bzw. organische Stoffe, die sich von Lipiden ableiten, z. B. höhere Fettsäuren oder Alkalimetallsalze höherer Fettsäuren (Seifen) und Gemische davon.
Die Qualität von Pflanzenölen für Ernährung und Gewinnung von Biokraftstoffen steht häufig im Zusammenhang mit dem Grad vorhandener freier Fettsäuren. Diese sind beispielsweise durch enzymatische Hydrolyse in den nativen Produkten (Samen, Früchten) oder durch Kontaminationen im Zuge von Herstellung und Transport entstanden. Ihre Abtrennung durch Destillation oder Extraktion mit Laugen unter Bildung von Seifen ist in vielen Fällen, z. B. bei der Herstellung von Biodiesel durch alkalikatalysierte Alkoholyse aus Palmöl oder Rapsöl, erforderlich. Die erfindungsgemäße Umwandlung dieser abgetrennten Fettsäuren bzw. Seifen in Kohlenwasserstoffe stellt sowohl eine Erhöhung der Wertschöpfung als auch eine Effizienzsteigerung in der Ausnutzung der Biomasse dar.
Das Verfahren wird bevorzugt bei einem Druck zwischen 0,1 und 2 bar, bevorzugter zwischen 0,8 und 1,2 bar durchgeführt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Umsetzung des Gemisches aus Biomasse und carbonatenthaltendem Feststoff in Gegenwart von Wasserdampf oder einem Inertgas umfassend Stickstoff, Kohlendioxid, Argon oder nichtkondensierbare Gase aus dem laufenden NTK-Prozess durchgeführt. Insbesondere die Umsetzung in Wasserdampf oder noch bevorzugter in einem Wasserdampfstrom hat den Vorteil, daß die Produkte von der Reaktionsmischung leicht getrennt werden können. Eine solche Trennung entspricht einer Wasserdampfdestillation. Der Einsatz von Wasserdampf hat aber auch Auswirkungen auf die Zusammensetzung des Produktstromes.
Bei dem Verfahren können die im erhaltenen Produktstrom vorhandenen Brennstoffe mit einem Siedepunkt bei Normaldruck von 25°C oder weniger für das Erhitzen von Biomasse und Carbonat enthaltendem Feststoff verwendet werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht werden. Üblicherweise wird der Produktstrom gekühlt, wobei die bei Raumtemperatur gasförmigen Komponenten nicht verflüssigt werden. Diese Gase werden dann zum Beheizen des Reaktors effektiv genutzt.
Bei dem Verfahren liegt das Gewichtsverhältnis von in der Biomasse enthaltenem Kohlenstoff zu Carbonat zwischen 10 zu 1 und 1 zu 1, bevorzugter zwischen 6 zu 1 und 2 zu 1. Vorteilhafterweise ist bei dem Verfahren der carbonathaltige Feststoff ein Gemisch bestehend aus Holzasche und einem Alkali- oder Erdalkalicarbonat in einem Verhältnis von 10 zu 1 bis 1 zu 1 bezogen auf das Gewicht der Holzasche zu dem Gewicht des Alkali- oder Erdalkalicarbonats.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich in einem Festbettreaktor durchgeführt. Ferner ist es bevorzugt, das Verfahren kontinuierlich durchzuführen, indem ein Inertgas oder Wasser dampf die Mischung aus Biomasse und dem Carbonat enthaltenden Feststoff während der Reaktion durchströmt.
Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Kohlenwasserstoffe sind bei Reaktionstemperaturen um 400°C flüchtig und verlassen den Reaktionsraum. Sie können mit oder ohne Durchlaufen einer weiteren Aufbereitung z. B. durch Hydrierung oder Sulfonierung ganz oder teilweise kondensiert werden. Nicht kondensierbare Gase wie Methan, Ethan, Propan, Propen oder Wasserstoff sind vorzugsweise zur Reaktorbeheizung zu verwenden.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zu finden, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens umfasst

a) einen Reaktorbehälter, der die Mischung aus Biomasse und dem Carbonat enthaltenden Feststoff enthält, wobei der Reaktorbehälter ferner für einen Druckbereich zwischen 0,1 und 2 bar, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,2 bar ausgelegt ist,
b) eine Einrichtung zum Erhitzen des Reaktorbehälters im Bereich zwischen 280 und 450°C.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt die Vorrichtung ferner die Zuführung von vorhandenen Brennstoffen, die in dem entstandenen Produktstrom enthalten sind und einen Siedepunkt bei Normaldruck von 25°C oder weniger aufweisen, zum Reaktorbehälter, um den Reaktorbehälter mit den Brennstoffen zu erhitzen. Diese bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform der Vor richtung ermöglicht die Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Bevorzugt ist die Vorrichtung so konstruiert, daß sie eine kontinuierliche Reaktionsführung erlaubt. Bevorzugter ist die Vorrichtung ein Festbettreaktor.
Gemäß einer noch bevorzugteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Reaktorbehälter ein Reaktionsrohr, das geneigt ist, so daß die flüssigen Bestandteile des Produktstromes aufgrund der Schwerkraft in einen Auffangbehälter abfließen können.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung des mit dem Verfahren gewonnenen Produkts. Erfindungsgemäß wird das Produkt als Brennstoff, Kraftstoff oder Schmierstoff verwendet.
Der kohlenwasserstoffhaltige Produktstrom aus der NTK von Lipiden oder davon abgeleiteten höheren Fettsäuren bzw. Alkalisalzen höherer Fettsäuren ist ein bevorzugter Chemierohstoff bzw. Ausgangsstoff für die Herstellung von Waschmitteln insbesondere Alkylsulfonaten. Alternativ eröffnet die physikalische Auftrennung durch fraktionierte Destillation Zugang zur Herstellung reiner Lösungsmittel aus Vorlauf (5%) sowie Benzin (30%), Kerosin (20%) Diesel- oder Heizöl (40%) und Schweröl (5%).
Im Folgenden sollen besondere, beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch die folgenden Zeichnungen näher beschrieben werden. Es zeigen
1 ein Fließbild des Verfahrens mit zellulären Substraten (Feststoffen) im Batchbetrieb des Labors;
2 ein Schema der Umwandlung von Tierfett, Fettsäuren oder Seifen in Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Wasserdampf und Holzasche bzw. Soda;
3 ein IR-Spektrum der aus Tierfett erhaltenen Kohlenwasserstoffe im Vergleich zum IR-Spektrum des dazu verwendeten Tierfettes (kleine Darstellung);
4 eine REM Aufnahme von Holzasche aus Hausbrand (HZ1) mit offenporigen Strukturen;
5 eine REM Aufnahme von Holzasche aus Industriefeuerung;
6 ein Chromatogramm des Konvertierungsöls der Destillation von Palmitinsäure über Sodapellets in Gegenwart von Wasserdampf.
7 ein Chromatogramm des Konvertierungsöls von Seife aus Palmitinsäure.
8 das ¹H NMR des Öles in CDCl₃ aus der Umsetzung von Tierfett mit drei Gewichtsprozent Wasser bei 450°C im Kontakt mit Holzasche zeigt das Vorliegen von Gemischen aliphatischer Kohlenwasserstoffe der Struktur H₂C=CH-CH₂-(CH₂)_n-CH₃ sowie H₃C-CH₂-CH₂-(CH₂)_n-CH₃.
9 ¹³C NMR des Öles in CDCl₃ aus der Umsetzung von Tierfett mit drei Gewichtsprozent Wasser bei 450°C im Kontakt mit Holzasche zeigt das Vorliegen von Gemischen aliphatischer Kohlenwasserstoffe der Struktur H₂C=CH-CH₂-(CH₂)_n-CH₃ sowie H₃C-CH₂-CH₂-(CH₂)_n-CH₃.
10 ¹³C-DEPT NMR des Öles in CDCl₃ aus der Umsetzung von Tierfett mit drei Gewichtsprozent Wasser bei 450°C im Kontakt mit Holzasche zeigt das Vorliegen von Gemischen aliphatischer Kohlenwasserstoffe der Struktur H₂C=CH-CH₂-(CH₂)_n-CH₃ sowie H₃C-CH₂-CH₂-(CH₂)_n-CH₃. Die negativen Signale hoher Intensität sind charakteristisch für CH₂-Gruppen langkettiger Kohlenwasserstoffe.
11 ¹H NMR Spektrum des Öles in CDCl₃ aus der Umsetzung von Palmitinsäure bei 450°C im Kontakt mit Soda. Die charakteristischen Absorptionen zeigen das Vorliegen von Gemischen aliphatischer Kohlenwasserstoffe der Struktur H₂C=CH-CH₂-(CH₂)_n-CH₃ sowie H₃C-CH₂-CH₂-(CH₂)_n-CH₃.
12 ¹³C NMR Spektrum des Öles in CDCl₃ aus der Umsetzung von Palmitinsäure bei 450°C im Kontakt mit Soda. Die charakteristischen Absorptionen zeigen das Vorliegen von Gemischen aliphatischer Kohlenwasserstoffe der Struktur H₂C=CH-CH₂-(CH₂)_n-CH₃ sowie H₃C-CH₂-CH₂-(CH₂)_n-CH₃.
13 ¹³C-DEPT NMR Spektrum des Öles in CDCl₃ aus der Umsetzung von Palmitinsäure bei 450°C im Kontakt mit Soda. Die charakteristischen Absorptionen zeigen das Vorliegen von Gemischen aliphatischer Kohlenwasserstoffe der Struktur H₂C=CH-CH₂-(CH₂)_n-CH₃ sowie H₃C-CH₂-CH₂-(CH₂)_n-CH₃. Die negativen Signale hoher Intensität sind charakteristisch für CH₂-Gruppen langkettiger Kohlenwasserstoffe.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sollen nachfolgend beispielhaft dargestellt werden.
Vergleichende Beispiele experimenteller Ergebnisse im Labormaßstab, gemäß den 1 und 2, der NTK von Klärschlamm, Tiermehl, Tierfett, Fettsäure oder Seife und Rapspresskuchen befinden sich im Anhang. Erfindungsgemäß werden bei Anwesenheit von Holzasche (Tabelle 1) oder Soda (Tabelle 2) bei der so modifizierten NTK niedrigere Säurezahlen und niedrigre Viskositäten sowie höhere Heizwerte erreicht als bei NTK-Umsetzung ohne Anwesenheit von Holzasche oder Soda. Wir bezeichnen diesen experimentellen Befund als „Anna-Reaktion”. Die Laborresultate dieser „Anna-Reaktion” werden durch Ergebnisse kontinuierlicher Betriebsführung im Pilotmaßstab bestätigt.
Erfindungsgemäß wird die „Anna-Reaktion” in der Weise ausgeführt, dass man bei umzusetzenden zellulären Substraten wie z. B. Klärschlamm, Algen, Rapspresskuchen, Tiermehl und Fleischknochenmehl 10–100% Asche aus der Verbrennung von Holz hinzufügt bzw. solche Biomasse in ein entsprechendes stationäres oder mobiles Bett aus Holzasche einträgt. Zelluläre Substrate sind Ausgangsstoffe, die aus biologischen Zellen bestehen. Bei Klärschlamm wären dies z. B. Einzeller, bei Tiermehl z. B. Vielzellerwesen.
Erfindungsgemäß ist bei zellfreier Biomasse, wie z. B. Tierfett oder andere Lipide, freie Fettsäuren oder Salze von höheren Fettsäuren (Seifen), der Eintrag in ein stationäres oder mobiles Bett von Holzasche besonders bevorzugt. In solchen Fällen ist aufgrund des Fehlens von in-situ erzeugtem Reaktionswasser aus der Zersetzung von Kohlenhydraten dieses Wasser extern mit dem Substrat oder durch gesonderte Einbringung im Bereich von 1,5 Moläquivalenten pro mol Lipid zuzuführen bzw. 3,5% Massenprozent bezogen auf die Lipidmasse.
Die Asche kann aus stationären häuslichen Feuerungsanlagen wie z. B. Kachelöfen, vgl. REM Aufnahme aus 4, oder Pelletheizungen oder aus technischen Holzfeuerungsanlagen wie z. B. Biomasseheizkraftwerken, vgl. REM Aufnahme aus 5, stammen. Analytische Parameter sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Beim CaCO₃-Äquivalent wird die Bildung von gasförmigem Kohlendioxid bei Zugabe von Salzsäure zu einer fein gemörserten in Wasser gelösten Feststoffprobe gemessen. Das Volumen wird stöchiometrisch in CaCO₃ umgerechnet: Molzahl [CO₂] = Molzahl [CaCO₃]. Das CaCO₃-Äquivalent der Holzaschen hängt von der Feuerungstemperatur ab. Auch technische Mischungen von Holzasche und handelsüblichem Soda sind geeignet.
Bei Fehlen von Holzasche zeigt auch die alleinige Zugabe von Carbonaten der 1. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente insbesondere Na₂CO₃ oder K₂CO₃ bei der NTK zellfreier Verbindungen oder zellhaltiger Feststoffe eine Wirkung im Sinne der Verminderung von Säurezahl und Viskosität, die jedoch deutlich geringer ist.

Zellfreie Verbindungen sind chemische Moleküle, wie z. B. Fette, die keinen Aufbau als Zellen haben, sondern als stöchiometrisch definierte Atomverbände vorliegen. Ergebnisse diesbezüglicher experimenteller Boabachtungen sind in den nachfolgenden Beispielen beschrieben. Besonders bevorzugt erweist sich hierbei handelsübliches Natriumcarbonat (Soda), wie aus Tabelle 2 ersichtlich. Tabelle 1: Eigenschaften von Aschen

Asche	oTS/TS [%]	K [mg/g]	Na [mg/g]	Ca [mg/g]	Mg [mg/g]	Karbonate gerechnet als CaCO₃ [%]
Holzasche Kachelofen HZ1	2,7	84,1	3,7	250,6	19,0	37,8
Holzasche, Hausbrand HZ2	0,8	89,8	2,6	224,7	34,4	34,5
Holzasche, Kachelofen, HZ3	1,4	108,4	1,5	241,6	41,8	35,2
Holzasche ind. 1	1,6	4,81	0,8	36,3	2,5	2,0
Holzasche ind. 2	0,9	47,9	1,1	256,8	21,0	35,5
Strohasche ind.	1,3	16,1	0,4	21,3	3,5	0,5

Tabelle 2: Eigenschaften von technischem Soda

Produkt	Reinheit	Dichte	Siebanalyse
Soda, schwer (gesintert, granuliert, abriebfest)	99,6%	> 1,1 kg/dm³	< 0,250 mm max. 60% < 0,500 mm min. 60% < 1.000 mm min. 95% < 2,000 mm min. 100%
Soda, leicht (pulverig)	99,8%	> 0,5 kg/dm³	< 0,063 mm 20–35% 0,063–0,125 mm 20–30% 0,125–0,250 mm 20–35%

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die experimentelle Vorgehensweise der patentgemäßen Erfindung im Vergleich zu bisherigen NTK-Verfahren ohne Holzasche oder Soda.
Zunächst wird eine Konvertierung im Batchbetrieb eines Labors beschrieben (A). Im Anschluss daran, ist eine Konvertierung im kontinuierlichen Betrieb einer Pilotanlage (B) kurz umrissen.
A) Konvertierung im Batchbetrieb des Labors
Beispiel 1: Aerob stabilisierter Klärschlamm
Eine Stoffportion von 401,8 g lufttrockenem Klärschlamm (C = 27,0%; H = 4,8%, N = 4,3%, S = 0,7%; Feuchte = 6.9%%; Glührückstand = 67,6%) wird nach dem Befüllen der Reaktionsapparatur mit einer Aufheizrate von 1,8°C/min unter Luftausschluss auf 400 ± 20°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird der Reaktionsansatz 1,5 Stunden erhitzt. Das entstehende Öl kondensiert in einem Liebigkühler. Im Reaktionsrohr verbleibt ein kohlehaltiges Festprodukt. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 34.9 g entsprechend 8,7% und (Festprodukt) = 245,54 g (61,1%)

Zusammensetzungen.

Öl: C = 73,0%; H = 13,9%; N = 6,5%; S = 0,54%
Heizwert: 32,8 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 32,4 mm²/s,
Säurezahl = 33,8 mg KOH/g
Kohlehaltiges Festprodukt: C = 20,2%; H = 0,8%; N = 2,7%; S = 0,6%
Heizwert: 7,3 MJ/kg

Beispiel 2: Aerob stabilisierter Klärschlamm + Holzasche
Eine Stoffportion von 250 g lufttrockenem Klärschlamm (C = 24,0%; H = 4,3%, N = 3,7%, S = 0,7%; Feuchte = 8,6%, Glührückstand = 46,4%) wird bei Zimmertemperatur mit Holzasche (entsprechend Tabelle 2, m(Holzasche) = 250,3 g) vermischt. Nach dem Befüllen der Reaktionsapparatur wird der Ansatz mit einer Aufheizrate von 1.8 C/min unter Luftausschluss auf 400 ± 20°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird der Reaktionsansatz 1,5 Stunden erhitzt. Das entstehende Öl kondensiert in einem Liebigkühler. Im Reaktionsrohr verbleibt ein kohlehaltiges Festprodukt. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 21,4 g entsprechend 8,6% und m (Festprodukt) = 399,9 g (79,9%)

Zusammensetzungen

Öl: C = 75,2; H = 10,4%; N = 6,8%; S = 0,7%
Heizwert: 36,1 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 8,2 mm²/s,
Säurezahl = 10,4 mg KOH/g
Kohlehaltiges Festprodukt: C = 18,3%; H = 0,7%; N = 2,2%; S = 0,4%
Heizwert: 3,9 MJ/kg

Beispiel 3: Aerob stabilisierter Klärschlamm + Soda
Eine Stoffportion von 400,2 g lufttrockenem Klärschlamm (C = 24,0%; H = 4,3%, N = 3,7%, S = 0,7%; Feuchte = 6.9%, Glührückstand = 67,6%) wird bei Zimmertemperatur mit pulvrigem Soda, m(Na₂CO₃) = 35,0 g innig vermischt. Nach dem Befüllen der Reaktionsapparatur wird der Ansatz mit einer Aufheizrate von 1.8°C/min unter Luftausschluss auf 400 ± 20°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird der Reaktionsansatz 1,5 Stunden erhitzt. Das entstehende Öl kondensiert in einem Liebigkühler. Im Reaktionsrohr verbleibt ein kohlehaltiges Festprodukt. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 31 g Öl entsprechend 7,7% und m(Festprodukt) = 274,2 g (63,0%)

Zusammensetzungen

Öl: C = 79,4%; H = 12,6%; N = 7,2%; S = 0,6%
Heizwert: 34,4 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 23,8 mm²/s,
Säurezahl = 18,7 mg KOH/g
Kohlehaltiges Festprodukt: C = 19,2%; H = 0,7%; N = 1,9%; S = 0,6%
Heizwert 6,6 MJ/kg

Beispiel 4: Tiermehl
Eine Stoffportion von 400,7 g lufttrockenem Tiermehl (C = 43,5%; H = 7,3%, N = 8,3%, S = 0,5%; Feuchte = 4.3%, Glührückstand = 21.3%) wird nach dem Befüllen der Reaktionsapparatur mit einer Aufheizrate von 1.8°C/min unter Luftausschluss auf 400 ± 20°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird der Reaktionsansatz 1,5 Stunden erhitzt. Das entstehende Öl kondensiert in einem Liebigkühler. Im Reaktionsrohr verbleibt ein kohlehaltiges Festprodukt. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit ei nem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 103,4 g entsprechend 25,8% und m(Festprodukt) = 170,0 g (42,4%)

Zusammensetzungen

Öl: C = 71,2%; H = 12,8%; N = 8,5%; S = 0,0%
Heizwert: 32,5 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 24,2 mm²/s,
Säurezahl = 46,5 mg KOH/g
Kohlehaltiges Festprodukt: C = 39,4%; H = 2,6%; N = 6,3; S = 0,1%
Heizwert: 13,9 MJ/kg

Beispiel 5: Tiermehl + Holzasche
Eine Stoffportion von 400,1 g lufttrockenem Tiermehl (C = 43,5%; H = 7,3%, N = 8,3%, S = 0,5%; Feuchte = 4.3%, Glührückstand = 21.3%) wird bei Zimmertemperatur mit Holzasche (A, entsprechend Tabelle 2), m(Holzasche) = 70,1 g innig vermischt. Nach dem Befüllen der Reaktionsapparatur wird der Ansatz mit einer Aufheizrate von 1.8°C/min unter Luftausschluss auf 400 ± 20°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird der Reaktionsansatz 1,5 Stunden erhitzt. Das entstehende Öl wird in einem Liebigkühler kondensiert. Im Reaktionsrohr verbleibt ein kohlehaltiges Festprodukt. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 79.6 g entsprechend 23,4% und m (Festprodukt) = 220,4 g (53,7%)

Zusammensetzungen

Öl: C = 75,1%; H = 14,8%; N = 8,5%; S = 0,0%
Heizwert: 33,9 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 9,5 mm²/s
Säurezahl: 13,2 mg KOH/g
Kohlehaltiges Festprodukt: C = 31,0%; H = 1,6%; N = 3,9%; S = 0,1%
Heizwert: 9,6 MJ/kg

Beispiel 6: Tiermehl + Soda
Eine Stoffportion von 400,2 g lufttrockenem Tiermehl (C = 43,5%; H = 7,3%, N = 8,3%, S = 0,5%; Feuchte = 4.3%, Glührückstand = 21.3%) wird bei Zimmertemperatur mit pulvrigem Soda, m(Na₂CO₃) = 32,02 g innig vermischt. Nach dem Befüllen der Reaktionsapparatur wird der Ansatz mit einer Aufheizrate von 1.8°C/min unter Luftausschluss auf 400 ± 20°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird der Reaktionsansatz 1,5 Stunden erhitzt. Das entstehende Öl kondensiert in einem Liebigkühler. Im Reaktionsrohr verbleibt ein kohlehaltiges Festprodukt. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 71.6 g entsprechend 16,5% und m (Festprodukt) = 224,6 g (52,0%)

Zusammensetzungen

Öl: C = 74,4%; H = 14,1%; N = 9,0%; S = 0,0%
Heizwert: 34,3 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 11,2 mm²/s,
Säurezahl = 13,3 mg KOH/g
Kohlehaltiges Festprodukt: C = 36,8%; H = 2,8%; N = 4,5%; S = 0,1%
Heizwert: 11,6 MJ/kg

Beispiel 7: Rapspresskuchen
Eine Stoffportion von 400,5 g lufttrockenem Rapspresskuchen (C = 46,6%; H = 7,5%, N = 4,7%, S = 0,6%; Feuchte = 5%, Glührückstand = 7,0%) wird nach dem Befüllen der Reaktionsapparatur mit einer Aufheizrate von 1.8°C/min unter Luftausschluss auf 400 ± 20°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird der Reaktionsansatz 1,5 Stunden erhitzt. Das entstehende Öl kondensiert in einem Liebigkühler. Im Reaktionsrohr verbleibt ein kohlehaltiges Festprodukt. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 106,9 g entsprechend 26,7% und m(Festprodukt) = 136,7 g (34,1%)

Zusammensetzungen

Öl: C = 70,0%; H = 12,4%; N = 5,7%; S = 0,14%
Heizwert: 32,5 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 25,6 mm²/s,
Säurezahl = 60,1 mg KOH/g
Kohlehaltiges Festprodukt: C = 65,6%; H = 4,0%; N = 7,0%; S = 0,2%
Heizwert: 25,1 MJ/kg

Beispiel 8: Rapspresskuchen + Soda
Eine Stoffportion von 400,2 g lufttrockenem Rapspresskuchen (C = 46,6%; H = 7,5%, N = 4,7%, S = 0,6%; Feuchte = 5%; Glührückstand = 7,0%) wird bei Zimmertemperatur mit pulvriger Soda, m(Na₂CO₃) = 35,1 g innig vermischt. Nach dem Befüllen der Reaktionsapparatur wird der Ansatz mit einer Aufheizrate von 1.8°C/min unter Luftausschluss auf 400 ± 20°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird der Reaktionsansatz 1,5 Stunden erhitzt. Das entstehende Öl kondensiert in einem Liebigkühler. Im Reaktionsrohr verbleibt ein kohlehaltiges Festprodukt. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 70,4 g entsprechend 17,6% und m(Festprodukt) = 147,0 g (33,8%).

Zusammensetzungen

Öl: C = 76,8%; H = 13,2%; N = 6,3%; S = 0,5%
Heizwert: 33,9 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 11.6 mm²/s,
Säurezahl = 17,8 mg KOH/g
Kohlehaltiges Festprodukt: C = 58,9%; H = 4,3%; N = 5,2%; S = 0,2%
Heizwert: 23,3 MJ/kg

Beispiel 9: Seife
Eine Stoffportion von 80,1 g Seife aus 80% Rindertalk und 20% Kokosfett (C = 64,7%; H = 11,1%, N = 0%, S = 0%; Feuchte: 7.9%, Glührückstand = 23.4%) wird in der Reaktionsapparatur unter Luftausschluss auf 430 ± 20°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird der Reaktionsansatz 1,5 Stunden erhitzt. Das entstehende Öl kondensiert in einem Liebigkühler. Im Sumpf verbleibt ein kohlehaltiges Festprodukt. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis drei C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 43,8 g entsprechend 54,7% und m(Festprodukt) = 21,4 g (26,7%)

Zusammensetzungen

Öl: C = 81,8%; H = 13,9%; N = 0%; S = 0%
Heizwert: 41,4 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 1,6 mm²/s
Säurezahl: 1,1 mg KOH/g
Kohlehaltiges Festprodukt: C = 32,5 H = 3,7%, N = 0%, S = 0%

Beispiel 10: Seife + Holzasche
Eine Stoffportion von 80,1 g Seife aus 80% Tierfett und 20% Pflanzenöl (C = 64,7%; H = 11,0%, N = 0%, S = 0%; Feuchte = 4.3%, Glührückstand = 21,3%%) wird bei Zimmertemperatur mit Holzasche (A, entsprechend Tabelle 2), m(Holzasche) = 20,2 g innig vermischt. Nach dem Befüllen der Reaktionsapparatur wird der Ansatz unter Luftausschluss auf 430 ± 20°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird der Reaktionsansatz 1,5 Stunden erhitzt. Das entstehende Öl (8–11) kondensiert in einem Liebigkühler. Im Reaktionsrohr verbleibt ein kohlehaltiges Festprodukt. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 40,6 g entsprechend 50,7% und m(Festprodukt) = 18,9 g (23,6%)

Zusammensetzungen

Öl: C = 83,3%; H = 15,0%; N = 0%; S = 0%
Heizwert: 41,6 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 1,5 mm²/s
Säurezahl: 0,6 mg KOH/g
Kohlehaltiges Festprodukt: C = 33,8%; H = 3,9%; N = 0,1%; S = 0,2%

Beispiel 11: Tierfett + Soda
Eine Stoffportion von 198,3 g Tierfett (C = 75,9%; H = 13,3%, N = 0,1%, S = 0,2%) wird unter Luftausschluss auf 430 ± 20°C in der Reaktionsapparatur in einem Zeitraum von 40 min über pelletiertes Soda, m(Na₂CO₃) = 187,5 g destilliert (Raumgeschwindigkeit v = 0,40 h^–1). Das entstehende Öl kondensiert in einem Liebigkühler. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 50,2 g–158 g (25–80%)

Hinweis. Die Ausbeute an kohlenwasserstoffbasierten Ölen wird durch die Effektivität der Fettverdampfung (Konkurrenz zwischen Verdampfung und Verkokung) bestimmt.
Zusammensetzungen

Öl: C = 81,5%; H = 18,3%; N = 0,1%; S = 0,0%
Heizwert: 42,0 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 2,5 mm²/s
Säurezahl: 3,2 mg KOH/g

Beispiel 12: Palmitinsäure + Soda
Eine Stoffportion von 100,0 g Palmitinsäure (C = 75,0%; H = 12,5%, N = 0,0%, S = 0,0%) wird unter Luftausschluss auf 430 ± 20°C in der Reaktionsapparatur in einem Zeitraum von 35 min über pelletiertes Soda, m(Na₂CO₃) = 190,0 g destilliert (Raumgeschwindigkeit v = 0,47 h^–1). Das entstehende Öl (11–13) kondensiert in einem Liebigkühler. Nichtkon densierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 52,1 g–83 g (52–83%)

Hinweis. Die Ausbeute an kohlenwasserstoffbasierten Ölen wird durch die Effektivität der Säureverdampfung (Konkurrenz zwischen Verdampfung und Verkokung) bestimmt.
Zusammensetzungen

Öl: C = 81,9%; H = 18,0%; N = 0,0%; S = 0,0%
Viskosität v_40°C = 2,0 mm²/s
Heizwert: 42,4 MJ/kg
Säurezahl: 1,3 mg KOH/g

Die überwiegende Bildung von Pentadekan zeigt das Chromatogramm in 6.
Beispiel 13: Na-Seife aus Palmitinsäure + Asche
Eine Stoffportion von 100,0 g Natrium-Seife aus Palmitinsäure und 10 g Holzasche werden in der Reaktionsapparatur unter Luftausschluss auf 450 ± 20°C gebracht. Bei dieser Temperatur wird der Reaktionsansatz 1,5 Stunden erhitzt. Das entstehende Öl kondensiert in einem Liebigkühler. Im Sumpf verbleibt ein kohlehaltiges Festprodukt. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis drei C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.
Ausbeuten:

m(Öl) = 33,9 g (33,9%) und m(Festprodukt) = 45,9 g (45,9%)

Zusammensetzungen

Öl: C = 80,8%; H = 19,2%; N = 0,0%; S = 0,0%
Viskosität v_40°C = 1,1 mm²/s
Säurezahl: 0,7 mg KOH/g
Heizwert: 41,6 MJ/kg
Kohlehaltiges Festprodukt: C = 13,8%; H = 1,2%; N = 0,0%; S = 0,1%

Die überwiegende Bildung von Alkanen und Alkenen mit einer Kohlenstoffkette von weniger als 16 C-Atomen im Falle von Palmitinsäure zeigt das Chromatogramm in 7.
B) Konvertierung im kontinuierlichen Betrieb einer Pilotanlage
Bevorzugt im Sinne der erfindungsgemäßen Durchführung der Konvertierung im Pilot- oder technischen Maßstab bei kontinuierlicher Verfahrensweise sind Apparate mit mechanisch bewegtem Festbett oder fluidisierten Festkörpern.
B1: Umsetzung zellfreier Substrate
Beispiel 14: Umsetzung von Tierfett + Soda
Tierfett (C = 72,1%; H = 11,5%, N = 0,5%, S = 0,2%) mit einem Massenstrom von beispielsweise 20 kg/h wird in einen Reaktor (aktives Reaktionsraum von z. B. 0,36 m³) mittels einer Exzenterschneckenpumpe in flüssiger Form bei 60°C eingetragen. Durch ständige Bewegung des Reaktorinhaltes via Rührwerke und einsetzender Verdampfung verteilt sich das Tierfett im Reaktionsraum. Wasser wird über eine Düse nahe der Zugabe des Tierfetts mit einem Massenstrom von 1,5 kg/h ebenfalls in den Reaktionsraum eingeleitet. Die Weglänge vom Aufgabepunkt des Substrates zur Oberkante des bewegten Festbetts beträgt 0,8 m. Durch Beheizung der Reaktorwände kann die Temperatur des Reaktorinhalts auf unter 450°C gehalten werden. Gasförmige Konvertierungsprodukte treten aus der Schüttung heraus und gelangen in den Kondensationsbereich. Dort kondensieren die entstandenen Kohlenwasserstoffe. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System. Sie können bevorzugt zur Beheizung des Reaktors herangezogen werden.
Ausbeuten:

Öl: 70 ± 10%

Zusammensetzung

C = 82,4%; H = 17,6%; N = 0,0%; S = 0,0%
Heizwert: 41,6 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 1,8 mm²/s,
Säurezahl = 2,0 mg KOH/g

In analoger Durchführung kann die Konvertierung mit industriellen oder häuslichen Holzaschen bzw. anderen zellfreien Verbindungen, wie z. B. Fettsäuren oder Seifen als Substrat anstelle von Estern insbesondere Glycerinestern, erfolgen.
B2: Umsetzung von zellulären Feststoffen
Organische Feststoffe, insbesondere solche auf zellulärer Basis wie z. B. Klärschlamm. Algen, Speisereste, Tiermehle oder Rückstände aus der Gewinnung von Pflanzenölen, werden erfindungsgemäß mit Zuschlagstoffen Holzasche oder Soda vermischt und in einem bewegten Festbett konvertiert. Die Zufuhr von Wasser ist wegen der in-situ Bildung von Wasser bei der Zersetzung zellulärer Kohlenhydrate nicht erforderlich. Gasförmige Konvertierungsprodukte treten aus der Schüttung heraus und gelangen in den Kondensationsbereich. Dort kondensieren die entstandenen Kohlenwasserstoffe. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System. Sie können bevorzugt zur Beheizung des Reaktors herangezogen werden.
Bei der kontinuierlichen Zersetzung zellulärer Stoffe reichert sich aufgrund des originären Gehaltes an Kohlenhydraten, Mineralien und Spurenelementen ein Festprodukt bestehend aus anorganischen Bestandteilen (Metalloxiden, Metallcarbonaten und Kohlenstoff) im Reaktionsraum an. Dieses muss kontinuierlich oder semikontinuierlich ausgetragen werden. Dies veranschaulicht folgendes Beispiel:
Beispiel 15: Tiermehl + Soda
Der Substrateintrag z. B. von Tiermehl (C = 43,5%; H = 7,3%, N = 8,3%, S = 0,5%; Feuchte = 4.3%, Glührückstand = 21.3%) erfolgt über eine Eintragsschnecke mit einem Massenstrom von 5 bis 15 kg Tiermehl/h in den Reaktor. Im Reaktor befindet sich gesintertes Soda entsprechend Tabelle 1. Entstandenes Festprodukt enthält Kohlenstoff aus der Konvertierung von Kohlenhydraten zu elementarem Kohlenstoff und Wasser sowie die Mineralien Phosphat, Calcium inklusiv anderer Spurenelemente. Es wird über eine Austragsschnecke je nach Füllstand ausgetragen. Über die Reaktorheizung konnte eine Temperatur von 400 ± 20°C in der Konvertierungsmasse des Reaktors realisiert werden. Gasförmige Konvertierungsprodukte treten aus der Schüttung heraus und gelangen in den Kondensationsbereich. Dort kondensieren entstandene Kohlenwasserstoffe. Nichtkondensierbare Gase (Kohlenwasserstoffe mit einem bis vier C-Atomen, Wasserstoff (H₂), und Kohlendioxid (CO₂)) entweichen aus dem System.

Öl-Ausbeute: 15 ± 2%

Zusammensetzungen

Öl: C = 75,2%; H = 10,3%; N = 14,4%; S = 0,1%%
Heizwert: 34,3 MJ/kg
Viskosität v_40°C = 6,7 mm²/s,
Säurezahl = 10,4 mg KOH/g

Das aus dem Reaktor entfernte Festprodukt kann aufgrund seines Gehaltes an Phosphor und Kalium einer Rückgewinnung zur Produktion von Düngerstoffen oder Boden verbessernden Stoffen zugeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3042964 [0002, 0008]
- DE 102004021583 [0006]
- EP 1724325 A1 [0007]
- DE 102005013601 A1 [0007]
- US 4781796 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- DIN 51563 [0019]
- DIN 14104 [0019]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Brennstoffen aus Biomasse, das die folgenden Schritte umfasst a) Herstellen einer Mischung aus Biomasse mit einem Carbonat enthaltenden Feststoff, b) Umsetzen der Mischung durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 280 und 450°C, um ein Brennstoff zu erhalten, und c) Auffangen des Brennstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass der carbonathaltige Feststoff Holzasche oder ein Alkali- oder Erdalkalimetallcarbonat darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzasche durch Verbrennung von Holz bei Normaldruck hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Holzasche eine Schüttdichte zwischen 0,01 und 0,5 kg/l, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 kg/l und bevorzugter zwischen 0,2 und 0,4 kg/l aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus aeroben oder anaeroben Klärschlämmen, Frischschlamm, Faulschlamm, Algen, Tiermehl, Fleischknochenmehl, Rapspresskuchen und Fetten sowie Fettsäuren, Seifen oder Gemischen davon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Biomasse einen Kohlenstoffanteil von 55 bis 80 Gew.-%, bevorzugter von 64 bis 77 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der carbonathaltige Feststoff ein Gemisch bestehend aus Holzasche und einem Alkali- oder Erdalkalicarbonat in einem Verhältnis von 10 zu 1 bis 1 zu 1 bezogen auf das Gewicht der Holzasche zu dem Gewicht des Alkali- oder Erdalkalicarbonats darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung bei einem Druck zwischen 0,1 und 2 bar, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,2 bar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in Gegenwart von Wasserdampf oder einem Inertgas umfassend Stickstoff oder Argon durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im erhaltenen Produktstrom vorhandenen Brennstoffe mit einem Siedepunkt bei Normaldruck von 25°C oder weniger für das Erhitzen von Biomasse und Carbonat enthaltendem Feststoff verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis von in der Biomasse enthaltenem Kohlenstoff zu Carbonat zwischen 10 zu 1 und 1 zu 1, bevorzugter zwischen 6 zu 1 und 2 zu 1 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich in einem durchmischten Festbettreaktor durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren kontinuierlich durchgeführt wird, indem ein Inertgas die Mischung aus Biomasse und dem Carbonat enthaltenden Feststoff während der Reaktion durchströmt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 umfassend a) einen Reaktorbehälter, der die Mischung aus Biomasse und dem Carbonat enthaltenden Feststoff enthält, wobei der Reaktorbehälter ferner für einen Druckbereich zwischen 0,1 und 2 bar, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,2 bar ausgelegt ist, b) eine Einrichtung zum Erhitzen des Reaktorbehälters im Bereich zwischen 280 und 450°C.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ferner die Zuführung von vorhandenen Brennstoffen, die in dem entstandenen Produktstrom enthalten sind und einen Siedepunkt bei Normaldruck von 25°C oder weniger aufweisen, zum Reaktorbehälter erlaubt, um den Reaktorbehälter mit den Brennstoffen zu erhitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine kontinuierliche Reaktionsführung erlaubt.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Festbettreaktor darstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter ein Reaktionsrohr darstellt, das geneigt ist, so daß die flüssigen Bestandteile des Produktstromes aufgrund der Schwerkraft in einen Auffangbehälter abfließen können.
Verwendung eines aus einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 erhaltenen Produkts als Brennstoff, Kraftstoff oder Schmierstoff.