DE102010062833B3 - Hydrothermal carbonization of biomass in a deep shaft reactor, comprises providing flowable starting mixture, supplying the starting mixture and maintaining the downstream reducing conditions - Google Patents
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Abstract
Description
Die hydrothermale Karbonisierung (HTC) ist ein chemisches Verfahren zur einfachen und hocheffizienten Herstellung von partikulären, kohlenstoffreichen Substanzen wie z. B. Braunkohle-Substituten oder Humus aus Biomasse unter Freisetzung von Energie. Das Reaktionsprodukt der HTC kann vereinfachend als 'Biokohle' bezeichnet werden. In
Bei der HTC wird Biomasse, insbesondere pflanzliches Material, (in der nachfolgenden Reaktionsgleichung vereinfachend als Monosaccharid mit der Formel C6H12O6 umschrieben) zusammen mit Wasser in Anwesenheit eines Katalysators wie z. B. Zitronensäure oder auch ohne einen solchen unter Druck erhitzt. Dabei kann der Druck in Abhängigkeit von der angewandten Temperatur, die gewöhnlich zwischen 180°C und 240°C gewählt wird, auf 2–4 MPa oder darüber ansteigen. Die ablaufende Reaktion ist exotherm. Nach einer Reaktionszeit im Autoklaven von 1 bis 12 Stunden sind die Edukte – vornehmlich durch Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen – weitgehend bis vollständig umgesetzt. Der überwiegende Teil des organischen Kohlenstoffes (ca. 80 bis 95%) liegt als wässrige Suspension partikulärer, kohlenstoffreicher Verbindungen mit der näherungsweisen Summenformel C6H2O vor. Die restlichen 5 bis 20% Kohlenstoff liegen im Wesentlichen als unerwünschte Hydrolyseprodukte, z. B. als kurzkettige organische Säuren und Furanderivate, in der wässrigen Phase gelöst vor. Die Molmassen der gelösten Produkte erstrecken sich von einfachen niedermolekularen Verbindungen bis zu hochmolekularen Kondensationsprodukten.In the HTC biomass, in particular plant material, (in the following reaction equation simplifying as a monosaccharide with the formula C 6 H 12 O 6 described) together with water in the presence of a catalyst such. As citric acid or even without such under pressure. At this time, the pressure may increase to 2-4 MPa or higher depending on the temperature used, which is usually set between 180 ° C and 240 ° C. The ongoing reaction is exothermic. After a reaction time in the autoclave of 1 to 12 hours, the reactants - mainly by hydrolysis and condensation reactions - largely to fully implemented. The majority of the organic carbon (about 80 to 95%) is present as an aqueous suspension of particulate, carbon-rich compounds with the approximate molecular formula C 6 H 2 O. The remaining 5 to 20% carbon are substantially as undesirable hydrolysis products, eg. B. as short-chain organic acids and furan derivatives, dissolved in the aqueous phase before. The molecular weights of the dissolved products range from simple low molecular weight compounds to high molecular weight condensation products.
Die Reaktionsgleichung für die Bildung von Biokohle durch HTC lautet näherungsweise:
Wesentliche Ergebnisse der HTC bestehen darin, dass a) der spezifische Heizwert der Biokohle gegenüber den eingesetzten Biomassen signifikant gesteigert werden kann, b) Biokohle einfacher und energetisch effizienter als die ursprünglichen Biomassen entwässert werden kann und c) Biokohle im Unterschied zu nativen Biomassen als langlebiges C-Substrat zur Bodenverbesserung und Kohlenstoffsequestrierung (CO2-Bindung) verwendet werden kann. Ein bislang ungelöstes Problem der klein- und großtechnischen Umsetzung der HTC ist die Behandlung der bei der HTC anfallenden, organisch hoch belasteten Prozesswässer. Die HTC zielt auf die Bildung von verwertbaren kohlenstoffreichen Produkten und ggf. auf die Zerstörung von dem Ausgangsmaterial anhaftenden Schadstoffen ab. Die gleichzeitige Bildung von im Prozesswasser gelösten, durch Filtration nicht abtrennbaren organischen Verbindungen ist unerwünscht, aus chemischen Gründen bei Anwendung der obengenannten Reaktionsbedingungen jedoch nicht vermeidbar. Damit sind die Prozesswässer der HTC durch unerwünschte Hydrolyseprodukte stark verunreinigt und müssen aufwendig gereinigt werden, bevor das Wasser einer weiteren Nutzung zugeführt oder in den Vorfluter abgeschlagen werden kann. Hinzu kommt, dass der im Prozesswasser enthaltene organische Kohlenstoff für eine weitere Nutzung im Sinne des HTC-Verfahrens verloren ist. In
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen oder mehrere Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden oder zu vermindern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, Mittel und Wege bereit zu stellen, die eine effiziente Prozessführung erlauben und zu weniger belasteten Reaktionswässern führen.The object of the present invention is to avoid or reduce one or more disadvantages of the prior art. In particular, it is an object of the invention to provide means and ways that allow efficient process management and lead to less polluted reaction waters.
Die Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung eines Verfahrens zur hydrothermalen Karbonisierung (HTC) von Biomasse in einem Tiefschacht-Reaktor, dadurch gekennzeichnet, dass:
- – ein fließfähiges Ausgangsgemisch bereitgestellt wird, welches in Wasser suspendierte Biomasse und ggf. einen oder mehrere Katalysatoren umfasst oder daraus besteht;
- – das Ausgangsgemisch einem Tiefschacht-Reaktor zugeführt wird;
- – im Abwärtsstrom des Reaktors reduzierende Bedingungen eingehalten werden, die die Karbonisierung der im absteigenden Ausgangsgemisch enthaltenen Biomasse zu partikulären, kohlenstoffreichen Verbindungen erlauben; und
- – im Aufwärtsstrom dem erhaltenen Reaktionsgemisch sauerstoffhaltiges Fluid zugesetzt wird, so dass im aufsteigenden Reaktionsgemisch gelöste organische Verbindungen durch Nassoxidation umsetzbar sind.
- Providing a flowable starting mixture comprising or consisting of biomass suspended in water and optionally one or more catalysts;
- - The starting mixture is fed to a deep well reactor;
- - in the downstream of the reactor reducing conditions are met, which allow the carbonization of the biomass contained in the descending starting mixture to particulate, carbon-rich compounds; and
- - In the upward flow of the resulting reaction mixture oxygen-containing fluid is added, so that in the ascending reaction mixture dissolved organic compounds by wet oxidation can be implemented.
Bevorzugt wird das O2-haltige Fluid ausschließlich dem Aufwärtsstrom zugeführt, während ein Kontakt des Ausgangsgemisches im Abwärtsstrom mit dem sauerstoffhaltigen Fluid vermieden, erschwert oder ausgeschlossen wird.Preferably, the O 2 -containing fluid is supplied exclusively to the upward flow, while avoiding, complicating or excluding contact of the starting mixture in the downward flow with the oxygen-containing fluid.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Tiefschacht-Reaktor zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefschacht-Reaktor aufweist:
- – ein in die Tiefe führendes Reaktionsgefäß für den Abwärtsstrom, der sogenannte ”down-comer”, wobei der ”down-comer” derart ausgeführt ist, dass dem ”down-comer” Ausgangsgemisch zuführbar und im Abwärtsstrom in die Tiefe leitbar ist;
- – ein mit dem ”down comer” Fluid-leitend verbundenes aufwärts führendes Reaktionsgefäß für den Aufwärtsstrom, der sog. ”up-comer”, wobei der ”up-comer” derart ausgeführt ist, dass damit aus dem ”down-comer” in der Tiefe austretendes Reaktionsgemisch in den ”up-comer” überführbar und im Aufwärtsstrom nach oben leitbar ist;
- – eine Vorrichtung zur Einbringung von sauerstoffhaltigem Fluid in den Aufwärtsstrom im ”up-comer”.
- A down-flow reaction vessel, the so-called "down-comer", wherein the "down-comer" is designed such that it can be fed to the "down-comer" starting mixture and can be conducted downwards in the downward direction;
- An upflow reactor connected to the downcomer in a fluid-conducting manner, the so-called "up-comer", wherein the "up-comer" is designed in such a way that it comes from the "down-comer" in the Deep exiting reaction mixture in the "up-comer" convertible and in upward flow can be conducted upwards;
- - An apparatus for introducing oxygen-containing fluid in the upward flow in the "up comer".
Dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. Tiefschacht-Reaktor liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die HTC von Biomassen in vorteilhafter Weise in einem Tiefschacht-Reaktor durchgeführt werden kann und dabei derart mit einer Nassoxidation von unerwünschten Reaktionsprodukten im Reaktionsabwasser der HTC kombiniert werden kann, dass sowohl die erhaltenen Abwässer mit signifikant weniger Schadstoffen belastet sind als auch energetische Synergien bei der Prozessführung genutzt werden können. Dabei wird der Prozess im Tiefschacht-Reaktor derart angelegt und gesteuert, dass im Abwärtsstrom Bedingungen herrschen, die die HTC von Biomasse zu kohlenstoffreichen, partikulären Verbindungen fördern und erlauben, während durch gezielte Einleitung von O2 im Aufwärtsstrom oxidierende Bedingungen für die Nassoxidation von im Reaktionsgemisch gelösten, unerwünschten Hydrolyseprodukten erreicht werden. Dabei kann die während der Nassoxidation im Aufwärtsstrom zusätzlich freigesetzte Wärme direkt genutzt werden, um die notwendigen Temperaturen für die HTC im Abwärtsstrom bereit zu stellen. Die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht darauf, dass die partikulären, kohlenstoffreichen Verbindungen, die bei der HTC entstehen und im Prozesswasser suspendiert vorliegen, langsamer oxidieren als die unerwünschten organischen Verbindungen, die im Reaktionswasser in Lösung vorliegen. Im ersten Teil des Verfahrens werden die gewünschten Produkte der HTC im Abwärtsstrom hergestellt und gegen eine Oxidation durch Karbonisierung ”stabilisiert”, während die Nassoxidation bevorzugt der im Reaktionswasser gelösten, unerwünschten Hydrolyseprodukte an geeigneter Stelle im Aufwärtsstrom des zweiten Teils des Verfahrens erfolgt.The method or deep well reactor according to the invention is based on the finding that the HTC of biomasses can advantageously be carried out in a deep-shaft reactor and can thus be combined with a wet oxidation of undesired reaction products in the reaction wastewater of the HTC such that both the obtained Wastewater is contaminated with significantly less pollutants and energy synergies can be used in the process. The process in the deep shaft reactor is designed and controlled in such a way that down stream prevail, the HTC of biomass to carbon-rich, particulate compounds and allow, by targeted introduction of O 2 in the upstream oxidizing conditions for the wet oxidation of the reaction mixture dissolved, undesirable hydrolysis products can be achieved. In this case, the additionally released during the wet oxidation in the upward flow heat can be used directly to provide the necessary temperatures for the HTC in the downward flow. The efficiency of the process according to the invention is based on the fact that the particulate, carbon-rich compounds which are formed in the HTC and suspended in the process water oxidize more slowly than the undesired organic compounds which are present in solution in the water of reaction. In the first part of the process, the desired products of the HTC are prepared in the downflow and "stabilized" against oxidation by carbonation, while the wet oxidation preferably takes place in the water of reaction dissolved undesirable hydrolysis products at a suitable point in the upward flow of the second part of the process.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft eine HTC von Biomasse in einem Tiefschacht-Reaktor. Unter Biomasse wird dabei jegliche Art und Form organischer Substanz verstanden. Biomasse umfasst dabei insbesondere lebende und/oder tote Pflanzen, als auch Teile davon sowie die von ihnen abgeleitete organische Substanz, sowie Tiere, Pilze und Mikroorganismen.The inventive method relates to a HTC of biomass in a deep well reactor. Biomass means any kind and form of organic matter. In this case, biomass includes, in particular, living and / or dead plants, as well as parts thereof and the organic substance derived therefrom, as well as animals, fungi and microorganisms.
In der Biomasse enthaltene organische Verbindungen werden durch HTC zu partikulären, kohlenstoffreichen Verbindungen umgesetzt. Dabei werden Wasser und Wärmeenergie freigesetzt. Die Prozessbedingungen für einen effizienten Ablauf der HTC sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt und in der Literatur beschrieben. So wird die Biomasse in wässriger Suspension meist bei erhöhten Temperaturen von beispielsweise 180°C bis 240°C und einem Druck von 1,5 MPa bis 3,5 MPa umgesetzt. Diese Prozessbedingungen lassen sich auch in einem sogenannten Tiefschacht-Reaktor darstellen. Der Tiefschacht-Reaktor beruht auf der Erkenntnis, dass sich bestimmte Tempearatur- und Druckbedingungen auch dadurch erzeugen lassen, dass das Reaktionsgemisch in eine vorher festgelegte Tiefe unter die Erde abgesenkt wird, dort reagiert und anschließend wieder an die Oberfläche geleitet wird. Ein spezifisches Merkmal von Tiefschacht-Reaktoren besteht darin, dass auf Grund des hydrostatischen Druckes der Wassersäule hohe Drücke in den tieferen Bereichen des Reaktors herrschen, während Reaktorein- und -ausgang bei geringen Überdrücken beschickt werden können. Dies vereinfacht die anzuwendende Prozesstechnik (Pumpen, Schleusen, Ventile etc.) entscheidend.Organic compounds contained in the biomass are converted by HTC into particulate, carbon-rich compounds. In doing so, water and heat energy are released. The process conditions for an efficient operation of the HTC are known to those skilled in the art and described in the literature. Thus, the biomass in aqueous suspension is usually reacted at elevated temperatures of for example 180 ° C to 240 ° C and a pressure of 1.5 MPa to 3.5 MPa. These process conditions can also be represented in a so-called deep well reactor. The deep well reactor is based on the recognition that certain Tempearatur- and pressure conditions can also be generated by the fact that the reaction mixture is lowered to a predetermined depth below the ground, reacts there and then returned to the surface. A specific feature of deep well reactors is that due to the hydrostatic pressure of the water column, high pressures prevail in the deeper regions of the reactor, while reactor inlet and outlet can be charged at low pressures. This significantly simplifies the process technology to be used (pumps, locks, valves, etc.).
Reaktoren vom Typ der Tiefschacht-Reaktoren sind bereits bekannt und deren grundsätzlicher Aufbau ist beispielsweise in
Zunächst wird ein fließfähiges Ausgangsgemisch bereit gestellt, welches Biomasse umfasst, die in Wasser suspendiert ist. Der Zerkleinerungsgrad der Biomasse und der Feststoffgehalt der erhaltenen Suspension sind so eingestellt, dass eine ausreichend fließfähige Suspension erhalten wird. Die Viskosität der Suspension ist dabei so gewählt, dass im Tiefschacht-Reaktor bei vorgegebenem Überdruck eine vorher festgelegte Fließgeschwindigkeit erreicht wird. Das Ausgangsgemisch kann einen oder mehrere Katalysatoren enthalten, beispielsweise eine organische oder anorganische Säure, ein oder mehrere Metalle und/oder deren Salze.First, a flowable starting mixture is provided which comprises biomass suspended in water. The degree of comminution of the biomass and the solids content of the resulting suspension are adjusted so that a sufficiently flowable suspension is obtained. The viscosity of the suspension is chosen so that a predetermined flow rate is achieved in the deep well reactor at a given overpressure. The starting mixture may contain one or more catalysts, for example one organic or inorganic acid, one or more metals and / or salts thereof.
Das Ausgangsgemisch wird dem Tiefschacht-Reaktor zugeführt. Dazu kann das Ausgangsgemisch in den Tiefschacht-Reaktor mit einem vorgegebenen Überdruck eingespeist werden. Das Ausgangsgemisch wird dabei dem in die Tiefe führenden Reaktionsgefäß für den Abwärtsstrom des Tiefschacht-Reaktors, den sogenannten ”down comer”, zugeführt und im Abwärtsstrom in die Tiefe bewegt.The starting mixture is fed to the deep well reactor. For this purpose, the starting mixture can be fed into the deep well reactor with a predetermined overpressure. The starting mixture is thereby fed to the deep-reaching reaction vessel for the downflow of the deep well reactor, the so-called "down comer", and moved in the downward flow in the depth.
Im Abwärtsstrom werden reduzierende Bedingungen eingehalten, so dass, sobald die notwendigen Temperaturen und Drücke erreicht sind, die HTC der im Ausgangsgemisch suspendierten Biomasse stattfinden kann. Insbesondere sind Verfahren und Tiefschacht-Reaktor derart ausgeführt, dass dem Ausgangsgemisch im Abwärtsstrom kein zusätzlicher Sauerstoff zugeführt wird. Im Abwärtsstrom findet im Wesentlichen die HTC der Biomasse zu partikulären, kohlenstoffreichen Verbindungen statt. Dabei sind die Tiefe des Tiefschacht-Reaktors und die Fließgeschwindigkeit des Ausgangsgemisches so gewählt, dass die notwendigen Temperaturen und Drücke über einen Zeitraum auf das Ausgangsgemisch einwirken können, der ausreicht, um den gewünschten Grad an Karbonisierung der Biomasse zu erreichen. Bevorzugt wird der Abwärtsstrom in eine Tiefe von mindestens 200 m herabgeführt, bevor der Aufstieg im Aufwärtsstrom beginnt, besonders bevorzugt in eine Tiefe von mindestens 300 m, ganz besonders bevorzugt in eine Tiefe von 300 m bis 350 m.In the downward flow reducing conditions are met, so that once the necessary temperatures and pressures are reached, the HTC of the biomass suspended in the starting mixture can take place. In particular, the process and deepwell reactor are designed such that no additional oxygen is supplied to the starting mixture in the downward flow. Downstream, the HTC of the biomass essentially becomes particulate, carbon-rich compounds. The depth of the deep well reactor and the flow rate of the starting mixture are chosen so that the necessary temperatures and pressures can act on the starting mixture over a period of time sufficient to achieve the desired degree of carbonization of the biomass. Preferably, the downflow is brought down to a depth of at least 200 meters before the upflow starts up, more preferably at a depth of at least 300 meters, most preferably at a depth of 300 meters to 350 meters.
Nachdem der Abwärtsstrom die vorbestimmte Tiefe erreicht hat, wird das erhaltene Reaktionsgemisch in einem Aufwärtsstrom wieder nach oben bewegt. Dazu weist der Tiefschacht-Reaktor ein mit dem ”down comer” Fluid-leitend verbundenes aufwärts führendes Reaktionsgefäß für den Aufwärtsstrom auf, den sogenannten ”up-comer”, wobei der ”up-comer” derart ausgeführt ist, dass damit aus dem ”down-comer” in der Tiefe austretendes Reaktionsgemisch in den ”up-comer” überführbar und im Aufwärtsstrom nach oben leitbar ist. Im Aufwärtsstrom wird dem erhaltenen Reaktionsgemisch sauerstoffhaltiges Fluid zugesetzt, so dass im aufsteigenden Reaktionsgemisch gelöste organische Verbindungen, z. B. unerwünschte Hydrolyseprodukte wie organische Säuren, Phenole und Furane oder höhermolekulare Kondensationsprodukte, durch Nassoxidation umsetzbar und/oder abbaubar sind. Das sauerstoffhaltige Fluid kann beispielsweise ein sauerstoffhaltiges Gas sein, z. B. reiner (technischer) Sauerstoff, Luft oder Gemische davon oder Sauerstoff in gebundener Form enthalten, z. B. als Wasserstoffperoxid (H2O2). Dabei wird das sauerstoffhaltige Fluid dem aufsteigenden Reaktionsgemisch im Aufwärtsstrom in einer Tiefe zugesetzt, bei der das Reaktionsgemisch eine Temperatur aufweist und einem Druck ausgesetzt ist, der eine Nassoxidation von im Reaktionsgemisch gelösten organischen Verbindungen erlaubt und fördert. Bevorzugt wird dem aufsteigenden Reaktionsgemisch das sauerstoffhaltige Fluid in einer Tiefe zugesetzt, bei der das Reaktionsgemisch eine Temperatur von mindestens 200°C aufweist und/oder ein Druck herrscht von mindestens 1,6 MPa.After the downflow has reached the predetermined depth, the resulting reaction mixture is again moved upwardly in an upward flow. For this purpose, the deep well reactor with the "down comer" fluid-conductive upwardly leading reaction vessel for the upward flow, the so-called "up-comer", wherein the "up-comer" is designed such that so that from the "down -comer "in the depth escaping reaction mixture into the" up-comer "convertible and in the upward flow is leitleitbar. In the upward flow, oxygen-containing fluid is added to the reaction mixture obtained, so that in the ascending reaction mixture dissolved organic compounds, eg. B. unwanted hydrolysis products such as organic acids, phenols and furans or higher molecular weight condensation products, can be implemented by wet oxidation and / or degradable. The oxygen-containing fluid may be, for example, an oxygen-containing gas, e.g. B. pure (technical) oxygen, air or mixtures thereof or oxygen in bound form, z. B. as hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). In this case, the oxygen-containing fluid is added to the ascending reaction mixture in the upward flow at a depth at which the reaction mixture has a temperature and is exposed to a pressure which allows and promotes wet oxidation of organic compounds dissolved in the reaction mixture. Preferably, the oxygen-containing fluid is added to the rising reaction mixture at a depth at which the reaction mixture has a temperature of at least 200 ° C and / or a pressure of at least 1.6 MPa.
Die Zufuhr von Sauerstoff im Aufwärtsstrom, insbesondere von sauerstoffhaltigen Gasen, erlaubt nicht nur eine effektive Nassoxidation von unerwünschten, im Reaktionsgemisch gelösten organischen Verbindungen, sondern erhöht gleichzeitig den Auftrieb des Dreiphasengemisches im Reaktionsgemisch umfassend Wasser, partikuläre kohlenstoffreiche Verbindungen und Gasblasen und unterstützt somit das Strömungsregime im Tiefschacht-Reaktor.The supply of oxygen in the upward flow, in particular of oxygen-containing gases, not only allows an effective wet oxidation of undesirable, dissolved in the reaction mixture organic compounds, but also increases the buoyancy of the three-phase mixture in the reaction mixture comprising water, particulate carbon-rich compounds and gas bubbles and thus supports the flow regime in deep shaft reactor.
Von dem im Aufwärtsstrom aufsteigenden oder dem bereits aufgestiegenen Reaktionsgemisch werden die partikulären Biokohlen abgetrennt, ggf. gesammelt, getrocknet und einer weiteren Nutzung oder Lagerung zugeführt. Die Abtrennung der kohlenstoffreichen Partikel aus dem Reaktionsgemisch kann beispielsweise durch Filter erfolgen. Geeignete Filtertechniken sind dem Fachmann bekannt.From the ascending in the upward flow or the already ascended reaction mixture, the particulate biochars are separated, optionally collected, dried and fed to a further use or storage. The separation of the carbon-rich particles from the reaction mixture can be carried out for example by filters. Suitable filter techniques are known to those skilled in the art.
Das verbleibende Prozesswasser wird abgeführt und kann z. B. einer weiteren Aufreinigung in einer biologischen Reinigungsstufe zugeführt werden, um beispielsweise schwer oxidierbare Reststoffe abzubauen oder zu entfernen, wie z. B. kurzkettige Karbonsäuren. Die Kombination von Nassoxidation und biologischen Reinigungsstufen ist aus dem Bereich der Abwasserreinigung bekannt und der Fachmann hat keine Schwierigkeiten, geeignete biologische Reinigungsverfahren zu wählen und einzusetzen, die sich mit der durchgeführten Nassoxidation in vorteilhafter Weise ergänzen.The remaining process water is dissipated and z. B. a further purification in a biological purification stage are supplied to reduce, for example, difficult to oxidize residues or remove such. B. short-chain carboxylic acids. The combination of wet oxidation and biological treatment stages is well known in the field of wastewater treatment and the skilled person has no difficulty in choosing and using suitable biological purification processes which complement each other advantageously with the wet oxidation carried out.
Alternativ oder zusätzlich können mindestens Teile des erhaltenen Prozesswassers, ggf. ohne zusätzliche Reinigungsschritte, zur Herstellung von Ausgangsgemisch (wässrige Biomasse-Suspension) wieder verwendet und damit recycliert werden. Ist es beabsichtigt, das Prozesswasser im Kreislauf zu führen und zur Bereitstellung von Ausgangsgemisch wieder zu verwenden, so sollte dem Kreislauf regelmäßig eine bestimmte Menge Prozesswasser entzogen werden. Dies ist notwendig, da während der HTC Wasser gebildet und freigesetzt wird, sogen. Überschusswasser aus chemischen Reaktionen und native Feuchte der eingesetzten Biomassen, und somit das Wasservolumen im Kreislauf ständig zunimmt. Durch regelmäßige Entnahme einer bestimmten Menge an Prozesswasser wird sichergestellt, dass das Wasservolumen im Kreislauf nicht unkontrolliert zunimmt. Das abzuführende Wasser kann wahlweise als Flüssigkeit oder als Dampf entnommen werden. Die Entnahme von Flüssigkeit verhindert gleichzeitig eine unkontrollierte Aufsalzung des Prozesswassers. Die Entnahme von Dampf führt nach dessen Kondensation zu einem nur noch schwach belasteten Abwasser, das leicht über eine biologische Behandlungsstufe entsorgt werden kann.Alternatively or additionally, at least parts of the process water obtained, if appropriate without additional purification steps, for the preparation of starting mixture (aqueous biomass suspension) can be reused and thus recycled. If it is intended to recycle the process water and reuse it to provide the starting mixture, a certain amount of process water should be withdrawn from the circuit at regular intervals. This is necessary because during HTC water is formed and released, so-called. Excess water from chemical reactions and native moisture of the biomass used, and thus the volume of water in the cycle is constantly increasing. Regular removal of a certain amount of process water ensures that the water volume in the circuit does not increase unchecked. The water to be discharged can be either as a liquid or as a vapor be removed. The removal of liquid prevents at the same time an uncontrolled salination of the process water. The removal of steam leads to its condensation to a weakly polluted wastewater, which can be easily disposed of via a biological treatment stage.
So können das erfindungsgemäße Verfahren bzw. der erfindungsgemäße Tiefschacht-Reaktor derart ausgeführt sein, dass das O2-haltige Fluid nur einem Teil des im Aufwärtsstrom aufsteigenden Reaktionsgemisches zugesetzt wird. Dazu kann dem Aufwärtsstrom ein entsprechender Teil des Reaktionsgemisches entnommen oder abgezweigt werden und anschließend wird nur diesem abgezweigten Teil des Reaktionsgemisches Sauerstoff zum Zweck der Nassoxidation zugeführt. Bei dem entnommenen Teil kann es sich bevorzugt um einen Teil des Reaktionsgemisches handeln, der im Wesentlichen der Menge an Wasser entspricht, die während der HTC der Biomasse freigesetzt wurde.Thus, the inventive method or the deep well reactor according to the invention can be designed such that the O 2 -containing fluid is added only to a portion of the ascending in the upward reaction mixture. For this purpose, a corresponding part of the reaction mixture can be taken or branched off from the upward stream and then oxygen is added to this branched-off part of the reaction mixture for the purpose of wet oxidation. The withdrawn portion may preferably be a portion of the reaction mixture that is substantially equal to the amount of water released during HTC of the biomass.
Zwar werden die partikulären, kohlenstoffreichen Verbindungen deutlich langsamer als die im Prozesswasser gelösten organischen Verbindungen oxidiert. Um die Qualität und Ausbeute der erhaltenen partikulären, kohlenstoffreichen Verbindungen noch weiter zu erhöhen, können diese aus dem aufsteigenden Reaktionsgemisch abgetrennt und entfernt werden, bevor dem erhaltenen Prozesswasser dann sauerstoffhaltiges Fluid zugesetzt wird. Dies kann einerseits dadurch erreicht werden, dass der gesamte Aufwärtsstrom durch einen Filter geführt wird, der die partikulären, kohlenstoffreichen Verbindungen aus dem aufsteigenden Reaktionsgemisch entfernt, bevor anschließend Sauerstoff zugesetzt wird, um die Nassoxidation der im verbleibenden aufsteigenden Prozesswasser gelösten organischen Verbindungen zu initiieren. In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dem Aufwärtsstrom nur ein Teil des aufsteigenden Reaktionsgemisches entnommen. Von diesem entnommenen Teil des Reaktionsgemisches werden die partikulären, kohlenstoffreichen Verbindungen abgetrennt, z. B. durch einen Filter am Einlass der Entnahmeleitung, und anschließend wird dem erhaltenen Prozesswasser Sauerstoff zugesetzt. Das restliche, nicht entnommene, aufsteigende Reaktionsgemisch wird nicht mit Sauerstoff versetzt und somit nicht oxidierenden Bedingungen ausgesetzt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens entspricht der entnommene Teil an Reaktionsgemisch im Wesentlichen der Menge an Wasser, die während der HTC der Biomasse freigesetzt wurde.Although the particulate, carbon-rich compounds are oxidized much slower than the organic compounds dissolved in the process water. To further increase the quality and yield of the particulate carbon-rich compounds obtained, they may be separated from the rising reaction mixture and removed before oxygenated fluid is added to the process water obtained. This can be achieved, on the one hand, by passing the entire upward flow through a filter which removes the particulate, carbon-rich compounds from the rising reaction mixture before subsequently adding oxygen to initiate the wet oxidation of the organic compounds dissolved in the remaining ascending process water. In another embodiment of the method according to the invention, only part of the ascending reaction mixture is taken from the upflow. From this removed portion of the reaction mixture, the particulate, carbon-rich compounds are separated, for. B. through a filter at the inlet of the extraction line, and then the resulting process water is added oxygen. The remaining, not taken, rising reaction mixture is not added with oxygen and thus exposed to non-oxidizing conditions. In a particularly preferred embodiment of this process, the withdrawn portion of the reaction mixture substantially corresponds to the amount of water released during the HTC of the biomass.
Das Verfahren und der zu dessen Durchführung geeignete erfindungsgemäße Tiefschacht-Reaktor können derart ausgestaltet sein, dass die bei der HTC und/oder der Nassoxidation freigesetzte Wärme genutzt wird, um das Ausgangsgemisch im Abwärtsstrom zu erwärmen und frühzeitig auf die gewünschte Temperatur für die HTC zu bringen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die freigesetzte Wärme dazu eingesetzt werden, um die während der HTC erhaltenen partikulären, kohlenstoffreichen Verbindungen zu trocknen.The method and the deep well reactor according to the invention which is suitable for carrying it out can be designed in such a way that the heat released in the HTC and / or wet oxidation is used to heat the starting mixture in the downward flow and to bring it to the desired temperature for the HTC in good time , Alternatively, or additionally, the released heat may be used to dry the particulate carbon-rich compounds obtained during the HTC.
Der erfindungsgemäße Tiefschacht-Reaktor zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Tiefschacht-Reaktor aufweist:
- – ein in die Tiefe führendes Reaktionsgefäß für den Abwärtsstrom, der sogenannte ”down-comer”, wobei der ”down-comer” derart ausgeführt ist, dass dem ”down-comer” Ausgangsgemisch zuführbar und im Abwärtsstrom in die Tiefe leitbar ist;
- – ein mit dem ”down comer” Fluid-leitend verbundenes aufwärts führendes Reaktionsgefäß für den Aufwärtsstrom, der sog. ”up-comer”, wobei der ”up-comer” derart ausgeführt ist, dass damit aus dem ”down-comer” in der Tiefe austretendes Reaktionsgemisch in den ”up-comer” überführbar und im Aufwärtsstrom nach oben leitbar ist;
- – eine Vorrichtung zur Einbringung von sauerstoffhaltigem Fluid in den Aufwärtsstrom im ”up-comer”, wobei die Vorrichtung zur Einbringung von sauerstoffhaltigem Fluid bevorzugt steuer- und/oder regelbar ausgeführt ist.
- A down-flow reaction vessel, the so-called "down-comer", wherein the "down-comer" is designed such that it can be fed to the "down-comer" starting mixture and can be conducted downwards in the downward direction;
- An upflow reactor connected to the downcomer in a fluid-conducting manner, the so-called "up-comer", wherein the "up-comer" is designed in such a way that it comes from the "down-comer" in the Deep exiting reaction mixture in the "up-comer" convertible and in upward flow can be conducted upwards;
- - An apparatus for introducing oxygen-containing fluid in the upward flow in the "up comer", wherein the device for introducing oxygen-containing fluid is preferably designed to be controlled and / or regulated.
Der ”down comer” dient als Reaktionsgefäß lediglich der HTC von im Ausgangsgemisch enthaltener Biomasse, während der ”up comer” als Reaktionsgefäß sowohl für eine HTC als auch für die Durchführung einer Nassoxidation ausgeführt ist.The "down comer" serves as the reaction vessel only the HTC of biomass contained in the starting mixture, while the "up comer" is designed as a reaction vessel both for a HTC and for performing a wet oxidation.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der ”down comer” als Innenrohr ausgebildet sein, während der ”up comer” den ”down comer” als Aussenrohr ummantelt. Bei dieser Anordnung wird erreicht, dass das im ”up comer” aufsteigende, heisse Reaktionsgemisch seine Überschusswärme an das im Innenrohr abströmende Ausgangsgemisch abgibt und dieses erwärmt, so dass dort im ”down comer” die gewünschten Bedingungen für die HTC erreicht werden. Die Temperatur im ab- und aufwärts strömenden Reaktionsmedium wird, neben der Tiefe, insbesondere durch die exotherme Wärmetönung der ablaufenden HTC und durch den Wärmetausch zwischen Innen- und Aussenrohr bestimmt. Zusätzlich kann der erfindungsgemäße Tiefschacht-Reaktor über einen Kühlmantel, sog. ”cooling jacket”, verfügen, der mit Kühlmedium betrieben und über den überschüssige Wärmeenergie abgezogen und ggf. oberirdisch weiter verwertet werden kann. Der Kühlmantel kann im Bedarfsfall, z. B. für das Anfahren des HTC-Prozesses, auch als Heizmantel verwendet werden, um die für einen autothermen oder exothermen Betrieb erforderlichen Starttemperaturen einzustellen.In a preferred embodiment, the "down comer" may be formed as an inner tube, while the "up comer" sheathed the "down comer" as an outer tube. With this arrangement it is achieved that the hot reaction mixture ascending in the "up comer" releases its excess heat to the starting mixture flowing out in the inner tube and heats it, so that the desired conditions for the HTC are achieved there in the "downcomer". The temperature in the downwardly and upwardly flowing reaction medium is determined, in addition to the depth, in particular by the exothermic evolution of heat of the effluent HTC and by the heat exchange between the inner and outer tubes. In addition, the deep well reactor according to the invention can have a cooling jacket, so-called "cooling jacket", which can be operated with cooling medium and drawn off via the excess heat energy and, if appropriate, can be further utilized above ground. The cooling jacket can, if necessary, z. B. for starting the HTC process, also be used as a heating jacket to set the necessary for an autothermal or exothermic start temperatures.
Die Vorrichtung zur Einbringung von sauerstoffhaltigem Fluid in den Aufwärtsstrom im ”up-comer” kann beispielsweise als Begasungslanze ausgebildet sein und endet mit der Freisetzungsöffnung im Aufwärtsstrom im ”up comer” in einer Tiefe, bei der im ”up comer” aufsteigendes Reaktionsgemisch Temperaturen und Drücken ausgesetzt sind, die eine Nassoxidation von im Reaktionsgemisch gelösten organischen Verbindungen fördern und erlauben. Bevorzugt wird dem ”up comer” sauerstoffhaltiges Fluid in einer Tiefe zugesetzt, bei der aufsteigendes Reaktionsgemisch eine Temperatur von mindestens 200°C aufweist und/oder ein Druck herrscht von mindestens 1,6 MPa. The device for introducing oxygen-containing fluid in the up-comer in the up-comer can be designed, for example, as a gassing lance and ends at a depth with the up-flow release opening in the up comer and temperatures and pressures in the up comer mixture which promote and permit wet oxidation of organic compounds dissolved in the reaction mixture. Preferably, oxygen-containing fluid is added to the upcomer at a depth at which the rising reaction mixture has a temperature of at least 200 ° C. and / or a pressure of at least 1.6 MPa.
Soll nur ein Teil des aufwärts strömenden Reaktionsgemisches einer Nassoxidation unterzogen werden, so kann der Tiefschacht-Reaktor im ”up comer” eine Entnahmeleitung zur Entnahme von Reaktionsgemisch aus dem Aufwärtsstrom aufweisen. Bevorzugt ist die Entnahmeleitung derart ausgebildet, dass nur ein geringer Teil des Reaktionsgemisches aufgenommen wird, während der größere Anteil im Aufwärtsstrom verbleibt, nach oben transportiert wird und dort die partikulären, kohlenstoffreichen Verbindungen abgetrennt werden. In diesem Fall ist die Vorrichtung zur Einbringung von O2-haltigem Fluid bevorzugt derart ausgeführt und positioniert, dass das sauerstoffhaltige Fluid ausschließlich in die Entnahmeleitung eingebracht wird und nicht in andere Bereiche des Tiefschacht-Reaktors, insbesondere nicht in den ”down comer” oder andere Bereiche des ”up comer” als die Entnahmeleitung. Dadurch soll sichergestellt werden, dass nur der durch die Entnahmeleitung entnommene Teil des aufsteigenden Reaktionsgemisches mit Sauerstoff versetzt und einer Nassoxidation unterzogen wird. Die nicht in die Entnahmeleitung aufgenommenen Teile des Reaktionsgemisches werden im ”up comer” weiter nach oben transportiert und dabei nicht mit Sauerstoff in Kontakt gebracht.If only part of the upward-flowing reaction mixture is to be subjected to wet oxidation, the deep-shaft reactor in the "up comer" can have a removal line for taking off the reaction mixture from the upward flow. Preferably, the removal line is designed such that only a small portion of the reaction mixture is taken up, while the larger portion remains in the upward flow, is transported upwards and there the particulate, carbon-rich compounds are separated. In this case, the device for introducing O 2 -containing fluid is preferably designed and positioned such that the oxygen-containing fluid is introduced exclusively into the removal line and not into other areas of the deep well reactor, in particular not in the "down comer" or other Areas of "up comer" as the sampling line. This is to ensure that only the part of the ascending reaction mixture withdrawn through the withdrawal line is mixed with oxygen and subjected to wet oxidation. The parts of the reaction mixture which are not taken up in the withdrawal line are transported further up in the "up comer" and are not brought into contact with oxygen.
An der Öffnung zur Aufnahme von Reaktionsgemisch aus dem ”up comer” der Entnahmeleitung kann eine Trennvorrichtung, z. B. ein Partikelfilter, vorgesehen sein, die derart ausgeführt und angeordnet ist, dass dadurch ein Übertritt von im Reaktionsgemisch suspendierten partikulären, kohlenstoffreichen Verbindungen aus dem ”up comer” in das Innere der Entnahmeleitung im Wesentlichen unterbindbar ist, während ein Übertritt von im Reaktionsgemisch gelösten organischen Verbindungen in das Innere der Entnahmeleitung ohne Einschränkung möglich ist.At the opening for receiving reaction mixture from the "up comer" of the extraction line, a separation device, for. B. a particulate filter, be provided, which is designed and arranged so that thereby a transfer of suspended in the reaction mixture particulate, carbon-rich compounds from the "up comer" in the interior of the sampling line is essentially suppressed, while a transfer of dissolved in the reaction mixture organic compounds in the interior of the sampling line without restriction is possible.
Der Partikelfilter am Eingang der Entnahmeleitung hat eine begrenzte Kapazität. Wenn sich eine Erschöpfung oder Verstopfung abzeichnet, kann er durch kurzzeitige Umkehrung der Strömungsrichtung in der Entnahmeleitung freigespült werden.The particulate filter at the inlet of the sampling line has a limited capacity. If exhaustion or clogging appears, it can be flushed out by briefly reversing the direction of flow in the sampling line.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.In the following the invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments.
Figuren:Characters:
A. Ausführungsbeispiele:A. Embodiments:
Beispiel 1:Example 1:
Die Rohbiomasse
Am unteren Ende des Reaktors befindet sich der Umkehrpunkt. Das Reaktionsgemisch strömt im Hüllenrohr
Die Temperatur im ab- und aufwärts strömenden Reaktionsmedium wird durch die exotherme Wärmetönung der ablaufenden HTC-Reaktion und durch den Wärmetausch zwischen Innenrohr
Die HTC-Reaktion zielt auf die Bildung von Biokohle und ggf. auf die Zerstörung von dem Ausgangsmaterial anhaftenden Schadstoffen. Die gleichzeitige Bildung von im Wasser gelösten, überwiegend niedermolekularen organischen Verbindungen ist unerwünscht, aus chemischen Gründen jedoch nicht vermeidbar.The HTC reaction aims at the formation of biochar and, if necessary, the destruction of pollutants adhering to the starting material. The simultaneous formation of dissolved in water, predominantly low molecular weight organic compounds is undesirable, but unavoidable for chemical reasons.
Nach Abtrennung der Biokohle
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet zwei Optionen zur Lösung dieses Problems:
In Variante a) wird reiner (technischer) Sauerstoff in einer bestimmten Tiefe (d. h. bei einer bestimmten Temperatur) mittels Begasungslanze in den aufsteigenden Produktstrom eingedüst
In variant a), pure (technical) oxygen is injected into the ascending product stream at a specific depth (ie at a specific temperature) by means of a gassing
Auch unter den Bedingungen der Nassoxidation schreitet der Umsatz der HTC-Reaktion im partikulären Material in Richtung der Bildung von Biokohle weiter voran. Der Tiefschacht-Reaktor wird also für zwei verschiedene chemische Reaktionen gleichzeitig und damit optimal ausgenutzt. Diese simultane Reaktionsführung wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass im ersten Teil des Reaktors – im Innenrohr
Variante a) beruht auf den unterschiedlichen Oxidationsgeschwindigkeiten von gelösten (DOC = dissolved organic carbon) und partikulären organischen Verbindungen (POC = particulate organic carbon). Kohlepartikel werden langsamer oxidiert als die meisten gelösten organischen Verbindungen. Dieser Unterschied hängt jedoch von den konkreten Einsatzstoffen und der Qualität des angestrebten Endproduktes ab. Unter verschärften Reaktionsbedingungen (höhere Temperaturen, längere Reaktionszeiten) werden stärker inkohlte Biokohlen gebildet, während unter milden Reaktionsbedingungen huminstoffartige Produkte entstehen. Letztere sind noch relativ leicht oxidierbar. Aus diesem Grund könnte es zweckmäßig sein, sie nicht einem oxidierenden Reaktionsmilieu zu unterwerfen, um Produktverluste zu vermeiden und die Kohlenstoffausbeute des HTC-Prozesses zu verbessern.Variant a) is based on the different oxidation rates of dissolved (DOC = dissolved organic carbon) and particulate organic compounds (POC = particulate organic carbon). Carbon particles are oxidized more slowly than most dissolved organic compounds. However, this difference depends on the specific ingredients used and the quality of the intended end product. Under aggravated reaction conditions (higher temperatures, longer reaction times) more strongly carbonized biochars are formed, while humic-like products are formed under mild reaction conditions. The latter are still relatively easy to oxidize. For this reason, it may be desirable not to subject them to an oxidizing reaction milieu to avoid product losses and improve the carbon yield of the HTC process.
Beispiel 2:Example 2:
Deshalb wird in Variante b) der aufwärts strömende Produktstrom im Hüllenrohr
In einer weiteren Ausführungsform von Variante b) wird auf den Partikelfilter
Das erfindungsgemäße Verfahren löst zwei Hauptprobleme der HTC-Reaktion:
- – Eine einfache und kontinuierliche Reaktionsführung mit einer Niederdruck-Dosierung von festoffhaltigen Produktströmen in einen Hochdruckreaktor und
- – eine integrierte Behandlung der organisch hoch belasteten Reaktionswässer durch Nassoxidation.
- - A simple and continuous reaction with a low-pressure metering of festoffhaltigen product streams in a high pressure reactor and
- - an integrated treatment of the organically highly loaded reaction waters by wet oxidation.
Bei den meisten Verfahren werden chemische Reaktionen und die Behandlung von Abprodukten in getrennten Verfahrensstufen durchgeführt. Die erfinderische Leistung des oben beschriebenen Konzeptes besteht u. a. darin, Reaktor und Reaktionsbedingungen während der HTC-Reaktion direkt für die Reinigung der Wasserphase zu nutzen – und dies, obwohl die angewandten Reaktionen (HTC und Nassoxidation) sehr unterschiedliche Reaktionsmilieus – reduzierend bzw. oxidierend – erfordern.In most processes, chemical reactions and the treatment of waste products are carried out in separate process stages. The inventive feat of the concept described above exists u. a. in that reactor and reaction conditions during the HTC reaction directly for the purification of the water phase to use - and this, although the applied reactions (HTC and wet oxidation) very different reaction milieu - reducing or oxidizing - require.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Rohbiomasse/BioabfallRaw biomass / bio
- 22
- biologische Behandlungbiological treatment
- 33
- Katalysator (falls erforderlich)Catalyst (if necessary)
- 44
- recyclisiertes HTC-Wasser (80%)recycled HTC water (80%)
- 55
- Zerkleinerncrush
- 66
- Eintragentry
- 77
- Pumpepump
- 88th
- Suspensionsuspension
- 99
- oxidiertes HTC-Wasser (20%)oxidized HTC water (20%)
- 1010
- O2-InjektionO 2 injection
- 1111
- Filtrationfiltration
- 1212
- Austragdischarge
- 1313
- heisser Stromhot stream
- 1414
- kaltes Wassercold water
- 1515
- Erdebeneearth plane
- 1616
- Biokohlebiochar
- 1717
- Kühlmantelcooling jacket
- 1818
- O2-Injektion (variable Position)O 2 injection (variable position)
- 1919
- down comerdown comer
- 2020
- Aufstiegsrohrriser tube
- 2121
- Partikelfilter für Abtrennung von DOC und POC (falls erforderlich)Particulate filter for separation of DOC and POC (if required)
- 2222
- Durchmesser Reaktor 0.3 m (VR = 0.25πd2L = 70 m3)Diameter reactor 0.3 m (V R = 0.25πd 2 L = 70 m 3 )
- 2323
- 1000 m/100 bar/Tmax ~ 310°C1000 m / 100 bar / T max ~ 310 ° C
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