DE102010020712A1

DE102010020712A1 - Verfahren zur Erwärmung und Trocknung der Stoffströme bei der Hydrothermalen Karbonisierung

Info

Publication number: DE102010020712A1
Application number: DE102010020712A
Authority: DE
Inventors: Marc Buttmann; Jürgen Fillbach
Original assignee: TERRANOVA ENERGY GmbH
Current assignee: TERRANOVA ENERGY GmbH
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2011-11-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung und Trocknung der Stoffströme bei der Hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung und Trocknung der Stoffströme bei der Hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Stand der Technik:
Bei der Hydrothermalen Karbonisierung (HTC) wird Biomasse unter Luftabschluss bei Temperaturen um die 200°C innerhalb weniger Stunden in einen Kohleschlamm umgewandelt. Der Stand der Technik wird bspw. durch DE 102007062808 , DE 102007062809 , DE 102007062810 , DE 102007062811 , DE 102007056170 , DE 102008058444 beschrieben. In diesen Schriften wird die Hydrothermale Karbonisierung verschiedener Arten von Biomasse unter unterschiedlichen Reaktionsbedingungen und in verschiedenen Verfahren erläutert.
In DE 102008056006A1 wird eine direkte Verwendung der Abgase eines Blockheizkraftwerks zur Erhitzung eines Reaktors beschrieben.
Nachteile Stand der Technik:
Trotz der grundsätzlich exothermen Eigenschaft des Verfahrens der Hydrothermalen Karbonisierung ist zur Aufrechterhaltung des Prozesses eine Zufuhr von Wärmeenergie notwendig, die durch die Abwärme der Anlagentechnik und des austretenden Produkts verloren geht. Zur Trocknung des Kohleschlamms ist zusätzlich Wärmeenergie notwendig, die die Gesamtenergiebilanz des Verfahrens verschlechtert. Die durch die exotherme Reaktion freigesetzte Wärme erweist sich dafür als nicht ausreichend. Eine Zufeuerung verschlechtert die Wirtschaftlichkeit und die CO2 Bilanz des Verfahrens.
Bei direkter Verwendung der Abgase eines Blockheizkraftwerks zur Erhitzung eines Reaktors entsteht eine ungleichmäßige Erwärmung der Reaktorwand, die zu lokalen Schäden führen kann. Ebenso wirken die Abgase korrosiv und schädigen das Material des Reaktors. Inhaltsstoffe der Abgase, wie Teer, Ruß oder ölige Anteile, setzen sich auf der Reaktoroberfläche ab und verschlechtern den Wärmeübergang. Durch die notwenige Wärmeisolierung des Reaktors sind solche Verschmutzungen nur sehr schwer zugänglich und schwer zu reinigen.
Der Stand der Technik beschreibt weiterhin Behälter, aus denen unter Druck karbonisierter Kohleschlamm entnommen bzw. ausgeschleust wird. Die Austragseinrichtungen können dabei wechselnd befüllte und entleerte Behälter oder Pumpen wie bspw. Extenderschneckenpumpen sein. Der damit verbundene aparative Aufwand ist hoch, da diese Einrichtungen über eine hohe Temperatur- und Druckbeständigkeit verfügen müssen. Außerdem ist der karbonisierte Kohleschlamm unter 100°C abzukühlen, bevor er entspannt wird, um einen sicheren Weitertransport unter Umgebungsbedingungen zu ermöglichen. Die Abkühlung geschieht dabei vorrangig über Wärmetauscher, die in Temperaturbereichen um 100°C aufgrund geringer Differenztemperaturen eine geringe Effizienz aufweisen, was zu hohen Anlagenkosten im Vergleich zu der erzielten Erwärmungswirkung führt.
Aufgabe der Erfindung:
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Verfahren zu finden, in dem die Zuführung von Wärmeenergie in den notwendigen Temperaturbereichen von bis zu 300°C unter solchen Bedingungen erfolgt, die eine bestmögliche Energiebilanz und CO2 Bilanz des Verfahrens ermöglicht.
Dabei soll auf einen gleichmäßigen und materialschonenden Wärmeeintrag geachtet werden.
Weiterhin soll die Trocknung des Kohleschlamms unter Ausnutzung der Austrittstemperatur aus dem Reaktionsvolumen erfolgen, um möglichst wenig externe Wärmezufuhr zu benötigen.
Weiterhin soll die Ausschleusung des Kohleschlamms aus dem HTC Reaktor mit einem geringen aparativen Aufwand erfolgen. Es soll außerdem der Druck und die Temperatur des Kohleschlamms der nachfolgenden Trocknung direkt nutzbar gemacht werden.
Lösung:
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

– dass das Verfahren der Hydrothermalen Karbonisierung mit einem Blockheizkraftwerk kombiniert wird und die über das Kühlwasser, ein Thermoöl oder Wasserdampf ausgekoppelte Wärme zur Erwärmung und Aufrechterhaltung des Prozesses verwendet wird.
– dass die Wärme des Abgasstroms des Blockheizkraftwerks in einem separaten Wärmetauscher einem Thermoöl oder Wasserdampf übergeben wird und u. a. zur Erwärmung des Reaktionsvolumens auf Temperaturen zwischen 160°C und 250°C verwendet wird
– dass die Wärme des Kühlkreislaufs des Blockheizkraftwerks zur Erwärmung des Biomasse vor dem Eintritt in das Reaktionsvolumen und zur Trocknung des Kohleschlamms verwendet wird
– dass der Kohleschlamm nach Austritt aus dem Reaktionsvolumen mit noch hoher Temperatur und/oder hohem Druck einer Sprühtrocknung zugeführt wird
– dass die Sprühtrocknung durch parallele Anordnung von Düsen oder ähnlichen Zerstäubungsvorrichtungen eine hohe Standzeit aufweist und während des Betriebs gewartet werden kann
– dass die Sprühvorrichtung durch Einstellung der wirksamen Öffnung in ihrer Charakteristik verändert werden kann

Ein Blockheizkraftwerk kann dabei ein Gasmotor, eine Turbine oder ein Flüssigbrennstoff-Motor sein, das der Produktion von elektrischer Energie dient.
Eine Sprühtrocknung ist eine Vorrichtung, die durch Zerstäuben des Ausgangsstoffs die wirksame Oberfläche erhöht und damit eine Trocknung in einem Luftstrom und/oder einer festen Oberfläche erleichtert. Dies kann durch Düsen oder Zerstäubungsvorrichtungen wie rotierende Zerstäuberscheiben erfolgen.
Vorteile der Erfindung:
Als vorteilhaft erweist sich die Erfindung insbesondere in folgenden Punkten:
Der verbleibende Wärmebedarf des Prozesses wird durch Abwärme zur Verfügung gestellt, die kostengünstig ortsnah verfügbar ist
Das Temperaturniveau des Abgasstroms des Blockheizkraftwerks liegt im Bereich über 400°C und eignet sich damit sehr gut zur Erwärmung eines Wärmeträgers wie Thermalöl oder Wasserdampf zur Erwärmung des Reaktors auf bis zu 250°C
Das Temperaturniveau des Kühlkreislaufs des Blockheizkraftwerks liegt im Bereich von 50°C–90°C und eignet sich damit sehr gut zur Trocknung des Kohleschlamms.
Das Blockheizkraftwerk kann die elektrische Energie für den HTC Prozess zur Verfügung stellen und damit ein ortsunabhängig aufstellbares oder mobiles System ermöglichen
Bei Verwendung nachwachsender Rohstoffe zur Speisung des Blockheizkraftwerks kann der Gesamtprozess als CO2 neutral bezeichnet werden
Ein Abkühlen des Kohleschlamms in einem Wärmetauscher entfällt, da dieser direkt mit der Reaktionstemperatur von über 200°C einer Sprühtrocknung zugeführt wird
Eine Druckentspannung des Kohleschlamms durch eine separate Vorrichtung wie Entspannungsbehälter oder Pumpen zur Entnahme aus dem Reaktionsvolumen entfällt, da dieser direkt mit dem Reaktionsdruck von über 14bar einer Sprühtrocknung zugeführt wird.
Eine Entwässerung des Kohleschlamms entfällt, da durch die schlagartige Entspannung des Kohleschlamms während der Sprühtrocknung und die schlagartige Wasserverdampfung durch das hohe Temperaturniveau große Anteile des Wassers aus dem Kohleschlamm in die Umgebungsluft abgegeben werden
Ausführungsbeispiele:
Durch eine Extenderschneckenpumpe 1 wird Biomasse in einen Rohrbündelwärmetauscher 2 gefördert. Nach einer Erwärmung wird die Biomasse kontinuierlich in den HTC Reaktor 3 eingebracht, wo diese innerhalb einer mittleren Aufenthaltsdauer von 4 Stunden zu einem Kohleschlamm bei 200°C und pH Werten von pH4 karbonisiert wird.
Das Reaktionsgemisch wird kontinuierlich aus dem HTC Reaktor abgezogen und unter dem Reaktionsdruck von über 14bar einer Druckregelung 4 zugeführt. Diese kann beispielsweise als rückwärts laufende Extenderschneckenpumpe ausgeführt sein. Nach der Druckregelung wird der Kohleschlamm der Sprühtrocknung zugeführt, die aus einer Steuereinheit 5 und mehreren Düsen 6 besteht. Die Steuereinheit kann Düsen ein- und ausschalten sowie den Materialdurchsatz durch Einstellung der wirksamen Öffnungen der Düsen steuern. Die Düsen sind einzeln entnehmbar und tauschbar. Die Sprühtrocknung ist im Deckenbereich eines Silos 7 instaliert. Im Bodenbereich ist eine Austragsorgan 8 wie bspw. eine Zellenradschleuse zum Austrag der Kohle installiert. Luft wird durch einen Wärmetauscher 9 angesaugt und mit dem Gebläse 10 in das Silo eingeblasen, dass ein axial aufsteigender Luftstrom entsteht. Die feuchte Luft tritt im Deckenbereich aus dem Silo und wird durch ein Filter gereinigt und abgelassen. Ein Austragsorgan 13 entfernt Feststoffe und Kondensat.
Der Motor 14 treibt einen Generator 15 an. Der Kühlwasserstrom 16 erwärmt den Wärmetauscher 9 und die Trocknungsluft für das Silo. Die Abgase des Motors erwärmen über den Wärmetauscher 18 den Thermoölkreislauf 19 zur Heizung des HTC Reaktors 3 auf eine Temperatur von 200°C. Ein nachgeschalteter Wärmetauscher 20 erwärmt einen Thermoölkreislauf 21, der im Rohrwärmetauscher 2 die Biomasse vorerwärmt.
Bezugszeichenliste

1: Extenderschneckenpumpe
2: Rohrwärmetauscher
3: HTC Reaktor
4: Druckregelung zur Einstellung des Kohleschlammdrucks
5: Steuereinheit für Düsen der Sprühtrocknung
6: Düsen der Sprühtrocknung
7: Silo
8: Austragsorgan für getrocknete Kohle
9: Wärmetauscher für Trocknungsluft
10: Gebläse
11: Axial aufsteigender Luftstrom
12: Luftfilter
13: Austragsorgan für Kondensat und Feststoffe
14: Motor
15: Generator
16: Kühlkreislauf des Motors
17: Abgasstrom des Motors
18: Wärmetauscher zur Erwärmung des HTC Reaktor Thermoöls
19: HTC Reaktor Thermoöl
20: Wärmetauscher zur Erwärmung des Rohrwärmetauscher Thermoöls
21: Rohrwärmetauscher Thermoöl

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 102007062808 [0002]
DE 102007062809 [0002]
DE 102007062810 [0002]
DE 102007062811 [0002]
DE 102007056170 [0002]
DE 102008058444 [0002]
DE 102008056006 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, dadurch gekennzeichne t, dass die notwendige Wärmeenergie von einem Blockheizkraftwerk bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die notwendige Wärmeenergie entweder aus dem Abgasstrom oder dem Kühlkreislauf oder beidem des Blockheizkraftwerks bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme des Abgasstroms zur Erwärmung des Reaktors zur Hydrothermalen Karbonisierung der Biomasse genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme des Kühlkreislaufs zur Erwärmung der Biomasse vor dem Eintritt in den Reaktor oder zur Trocknung des Endprodukts genutzt wird.
Verfahren zur Hydrothermalen Karbonisierung von Biomasse, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung des Endprodukts durch Sprühtrocknung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Endprodukt aus dem druckbeaufschlagten Reaktionsvolumen mit oder ohne Vorrichtung zur Einstellung des Sprühdrucks der Sprühvorrichtung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Sprühdrucks durch eine Extenderschneckenpumpe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Produkts vor Eintritt in die Sprühvorrichtung größer 60°C ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung über eine Vorrichtung verfügt, mit der die wirksame Öffnung einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung aus einer oder mehreren Düsen besteht, die jeweils ein- und ausschaltbar sind.