DE102011014208A1

DE102011014208A1 - Vorrichtung und Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material

Info

Publication number: DE102011014208A1
Application number: DE201110014208
Authority: DE
Inventors: Joachim Adams; Prof. Dr. Klaus U. Herrmann
Original assignee: PEB PROJEKT ENTWICKLUNGS und BETEILIGUNGSGMBH; PEB PROJEKT-ENTWICKLUNGS-UND BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH
Current assignee: PEB PROJEKT ENTWICKLUNGS und BETEILIGUNGSGMBH; PEB PROJEKT-ENTWICKLUNGS-UND BETEILIGUNGSGESELLSCHAFT MBH
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material, wie Biomasse, mit einem Druckbehälter mit einem temperierbaren Innenraum zur Aufnahme der Reaktionsedukte, also insbesondere organisches Material, Wasser und eventuell Zusatzstoffe, wobei der Innenraum des Druckbehälters unter Druck gegenüber der Umgebung druckfest abdichtbar ist. Die Vorrichtung und das Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenbehälter zumindest mit einem Teil der Reaktionsedukte befüllt wird und dieser Innenbehälter austauschbar im Innenraum des Druckbehälters angeordnet ist bzw. als solches in den Innenraum eingesetzt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Bei der sogenannten hydrothermalen Karbonisierung handelt es sich um ein Verfahren, das bereits zu Beginn des zwanzigstens Jahrhunderts von dem späteren Nobelpreisträger Friedrich Bergius beschrieben wurde. Es dient dazu, organisches Material, also insbesondere Biomasse, wie Pflanzenteile und ähnliches, unter Druck und bei hohen Temperaturen in nahezu reinen Kohlenstoff umzuwandeln. Anders als bei den geologischen Zeiträumen der Kohlebildung fossilen Ursprungs findet die hydrothermale Karbonisierung wesentlich schneller statt, insbesondere innerhalb einiger bis einiger zehn Stunden. Die wesentlichen Reaktionsbedingungen sind dabei eine Temperatur von wenigstens 190°C und ein Druck von wenigstens 15 bar bei einem Ausschluss von Sauerstoff.
Das organische Material liegt im Allgemeinen in Form von Kohlehydraten, Aminosäuren und ähnlichem vor. Die entstehenden Reaktionsprodukte sind aber im Wesentlichen lediglich Kohlenstoff und Wasser. Entsprechend werden als Reaktionsedukte das organische Material selber, Wasser als Prozesswasser und gegebenenfalls Zusatzstoffe, insbesondere Katalysatoren wie eine Säure, beispielsweise Zitronensäure, benötigt. Der Grad der Umwandlung des organischen Materials in Kohlenstoff erfolgt dabei im Wesentlichen vollständig.
Der Prozess der hydrothermalen Karbonisierung wird durch Einbringung der Aktivierungsenergie in Form eines Erhitzens der Reaktionsedukte auf wenigstens 190°C gestartet. Die Reaktion findet dabei vorzugsweise in einem Innenraum eines Druckbehälters statt, der gegenüber der Umgebung druckfest verschließbar ist. Somit kann sich der Druck im Innenraum des Druckbehälters auf wenigstens 15 bar erhöhen. Die Reaktion selber verläuft dann exotherm.
Ausgehend von dem grundlegenden Prinzip der hydrothermalen Karbonisierung ist für eine großtechnische Nutzung ein möglichst effizienter und reibungsloser Ablauf notwendig. Nachteilig an dem bekannten Verfahren ist die aufwendige Abfolge von Verfahrensschritten insbesondere mit auftretenden Stillstandszeiten der Anlage zur Entleerung, Reinigung, Neubefüllung und erneuten Aufheizung, um den Karbonisierungsprozess mehrfach hintereinander durchzuführen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material bereitzustellen, die eine effiziente, insbesondere großtechnische Nutzung ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese Vorrichtung wird demnach dadurch charakterisiert, dass ein zumindest mit einem Teil der Reaktionsedukte, vorzugsweise allen Reaktionsedukten, befüllbarer Innenbehälter in den Innenraum des Druckbehälters einsetzbar und/oder entnehmbar ist. Bei den Reaktionsedukten handelt es sich insbesondere um das organische Material und/oder Wasser und/oder Zusatzstoffe, wie insbesondere einen Katalysator, z. B. Zitronensäure. Der Innenbehälter ist bevorzugt mit den Reaktionsedukten in seinem Inneren in den Druckbehälter einsetzbar. Insbesondere können mehrere identische oder ähnliche Innenbehälter gegeneinander austauschbar vorgesehen sein. So kann nach Abschluss der hydrothermalen Karbonisierung ein aus dem Druckbehälter entnommener Innenbehälter gegen einen weiteren Innenbehälter ausgetauscht werden. Dies dient zur Reduzierung der Stillstandszeiten der Anlage. Das Entleeren, Reinigen und Befüllen des entnommenen Innenbehälters kann dazu vorzugsweise extern, also außerhalb des Druckbehälters, erfolgen. Der neu befüllte und in den Innenraum eingesetzte Innenbehälter kann ohne Verzögerung aufgeheizt werden, um die hydrothermale Karbonisierung durchzuführen. Der Druckbehälter ist nach dem Einsetzen lediglich wieder zu verschließen. Insbesondere ist somit ein quasi-kontinuierlicher Betrieb möglich. Da vorzugsweise alle erforderlichen Reaktionsedukte in den Innenbehälter einfüllbar sind, kann deren entsprechende chemische Reaktion direkt beim Aufheizen beginnen. Alternativ lassen sich einzelne Inhaltsstoffe bzw. Reaktionsedukte, insbesondere das für die Karbonisierung notwendige Wasser, zumindest teilweise, beispielsweise auch erst nach dem Einsetzen des Innenbehälters in den Druckbehälter zugeben. Dies kann beispielsweise auch durch bereits im Druckbehälter vorhandenes Prozesswasser geschehen.
Bevorzugt befindet sich im Innenraum, vorzugsweise außerhalb des Innenbehälters, also insbesondere im Bereich zwischen dem Innenbehälter und einer inneren Wand des Druckbehälters, ein insbesondere wärmeleitendes und/oder wärmespeicherndes, vorzugsweise fluides Thermomedium. Bei dem Thermomedium bzw. Medium handelt es sich insbesondere um eine Flüssigkeit, weiter bevorzugt Wasser. Das Thermomedium füllt den Zwischenraum zwischen der äußeren Wand des Innenbehälters und der Innenwand des Druckbehälters, die vorzugsweise dessen Innenraum umgibt, zumindest nahezu vollständig aus. Insbesondere liegt der höchste Stand des flüssigen Thermomediums im Innenraum unterhalb einer Unterkante einer untersten Öffnung des eingesetzten Innenbehälters. Dies verhindert, dass das flüssige Thermomedium ungewollt in das Innere des Innenbehälters hineinfließen kann. Das Thermomedium sorgt für einen guten Wärmeaustausch zwischen dem Innenbehälter und dem Druckbehälter, insbesondere durch Wärmeleitung und/oder durch Konvektion.
Weiter bevorzugt ist der Innenbehälter und/oder vorzugsweise dessen äußere Form zumindest im Wesentlichen korrespondierend zur inneren Form des Druckbehälters bzw. zum Innenraum ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass der Innenbehälter und der Innenraum des Druckbehälters zumindest im Wesentlichen formähnlich und/oder sogar formschlüssig ausgebildet sind. Dies kann vorzugsweise bedeuten, dass der Innenbehälter zumindest teilweise an der inneren Wand des Druckbehälters anliegt. Weiter bevorzugt ist aber ein vorzugsweise zumindest nahezu allseitiger Zwischenraum zwischen der äußeren Wand des Innenbehälters und der inneren Wand des Druckbehälters ausgebildet. Dabei ist vorzugsweise der Abstand zwischen dem Innenbehälter und der Wand des Innenraums zumindest nahezu konstant. Dies führt dazu, dass das Thermomedium rund um den Innenbehälter frei bewegbar ist. Weiter bevorzugt ist der Innenbehälter und/oder der Innenraum des Druckbehälters länglich und/oder zumindest im Wesentlichen zylinderartig bzw. zylinderförmig ausgebildet.
Bevorzugt weist der Innenbehälter und/oder der Innenraum an einem stirnseitigen Endbereich eine insbesondere kreisförmige Öffnung auf. Der Querschnitt dieser Öffnung entspricht insbesondere zumindest im Wesentlichen dem inneren Querschnitt des Innenbehälters bzw. des Innenraums. Weiter bevorzugt weist der Innenbehälter bzw. der Innenraum des Druckbehälters eine bevorzugt kuppelartige, insbesondere halbkugelförmige Wölbung, vorzugsweise einen Klöpperboden, besonders bevorzugt an einer ersten, insbesondere der Öffnung gegenüberliegenden Stirnseite auf. Diese Ausbildung des Innenbehälters bzw. des Druckgefäßes ermöglicht eine materialsparende und dennoch druckfeste Bauweise. Insbesondere ist die Längsmittelachse des Druckbehälters parallel zur Längsmittelachse des Innenbehälters ausgerichtet, vorzugsweise fallen die Längsmittelachsen als gemeinsame Längsmittelachse zusammen. Im Betriebszustand ist die Längsmittelachse vorzugsweise in zumindest im Wesentlichen senkrechter Richtung ausgerichtet. Demnach sind der Druckbehälter und/oder der Innenbehälter vorzugsweise aufrecht und/oder mit der Öffnung nach oben angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Druckbehälter eine Öffnung als Zugang zu dessen Innenraum auf. Die Öffnung ist dazu insbesondere oberseitig an dem Druckbehälter angeordnet. Die Öffnung des Druckbehälters ist bevorzugt zum Hindurchbewegen des Innenbehälters ausgebildet. Weiter bevorzugt ist die Öffnung des Druckbehälters mit einer Abdeckung, insbesondere einem Deckel verschließbar. Dazu ist die Abdeckung insbesondere lösbar mit dem Druckbehälter verbunden. Insbesondere kann die Abdeckung bevorzugt auch gleichzeitig als Abdeckung für die Öffnung des Innenbehälters dienen. Alternativ kann auch eine separate Abdeckung zum Verschluss des Innenbehälters vorgesehen sein. Es handelt sich dann um einen separat geschlossenen Innenbehälter. Alternativ kann der Innenbehälter aber auch als offener Innenbehälter ausgebildet sein. In diesem Fall kommuniziert das Innere des Innenbehälters mit dem Rest des Innenraums des Druckbehälters.
Insbesondere ist wenigstens eine vorzugsweise verschwenkbare und/oder verfahrbare Hebevorrichtung, wie insbesondere ein Kran oder ähnliches, vorgesehen. Die Hebevorrichtung dient dabei insbesondere zum Anheben und/oder Absenken und/oder seitlichen Bewegen und/oder Verschwenken des Innenbehälters und/oder des Deckels des Druckbehälters. Mittels der Hebevorrichtung ist der Innenbehälter in den Innenraum des Druckbehälters einsetzbar bzw. aus diesem herausnehmbar. Der Innenbehälter ist dazu vorzugsweise in beiden Richtungen vorzugsweise entlang seiner Längsachse durch die Öffnung des Druckbehälters hindurchbewegbar. Dazu kann die Hebevorrichtung den Innenbehälter zumindest auf ein oberhalb der Öffnung des Druckbehälters liegendes Niveau anheben und zumindest bis auf den Boden des Innenraums des Druckbehälters absenken. Weiter bevorzugt ist der Innenbehälter auch außerhalb des Druckbehälters abstellbar, insbesondere durch die Hebevorrichtung. Zur insbesondere lösbaren Anlenkung der Hebevorrichtung ist vorzugsweise wenigstens ein Befestigungsmittel, insbesondere eine Halterung, am Innenbehälter vorgesehen. An dieses Befestigungsmittel ist vorzugsweise ein korrespondierendes Gegenstück der Hebevorrichtung, insbesondere ein Haken oder ähnliches, anhängbar. Die Hebevorrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen Seilzug, eine Kette oder ähnliches zum Anheben des Innenbehälters auf. Insbesondere weist der Innenbehälter Mittel zum Abstellen und/oder lösbaren Befestigen im Innenraum des Druckbehälters auf.
Bevorzugt ist der Druckbehälter wandseitig, vorzugsweise im Bereich der Innenwände des Druckbehälters, temperierbar, vorzugsweise zumindest beheizbar und/oder kühlbar. Der Druckbehälter weist dazu insbesondere einen vorzugsweise zum Heizen und/oder Kühlen geeigneten Heizmantel bzw. eine Heizvorrichtung auf, vorzugsweise im Bereich der Wand des Druckbehälters. Der Heizmantel umgibt den Innenraum vorzugsweise auf zumindest einer, insbesondere auf mehreren Seiten, vorzugsweise zumindest im Bereich der seitlichen Wand und/oder des Bodens des Innenraums. Der Heizmantel kann insbesondere als Hohlkörper bzw. Hohlraum ausgebildet sein. Weiter bevorzugt ist wenigstens eine Leitung, insbesondere eine Rohr- bzw. Schlauchleitung, eine Heizschlange oder ähnliches, vorgesehen, vorzugsweise als Heizmantel und/oder im Inneren des Heizmantels. Weiter bevorzugt kann die Leitung und/oder der Heizmantel auf einer und/oder beiden Seiten der Wand des Innenraums vorgesehen sein. Dementsprechend kann die Leitung, insbesondere die Spiralrohrleitung, an der Innenseite und/oder der Außenseite der Wand des Innenraums, also vorzugsweise entsprechend innerhalb und/oder außerhalb des Innenraums angeordnet sein. Die Leitung bzw. die Spiralrohrleitung ist insbesondere mit der Wand fest verbunden, vorzugsweise verschweißt. Gegenüber Heizschlangen treten Verunreinigungen auf glatten äußeren Wänden eines Hohlraums zur Heizung bzw. Kühlung im Allgemeinen deutlich reduziert auf bzw. sind einfacher entfernbar. Insbesondere verläuft die Leitung spiralförmig außen und/oder innen um den Innenraum herum. Weiter bevorzugt ist der Druckbehälter gegenüber der Umgebung wärmeisoliert, insbesondere mittels einer vorzugsweise äußeren Isolierschicht bzw. eines Isoliermantels. Diese Isolierschicht umgibt dazu vorzugsweise den Druckbehälter außen, so dass insbesondere auch der Heizmantel im Inneren der Isolierschicht liegt und somit wärmeisoliert gegenüber der Umgebung ist. Bevorzugt ist der Heizmantel bzw. dessen Hohlraum und/oder die Leitung von einem insbesondere flüssigen Thermomedium, insbesondere einem Thermoöl, durchströmbar. Das Thermomedium wird dabei insbesondere durch den Hohlraum des Heizmantels und/oder durch die entsprechenden Leitungen transportiert. Zum Transport ist vorzugsweise eine Zuführeinrichtung, wie beispielsweise eine Pumpe oder ähnliches, und/oder zumindest ein Kreislauf für ein Thermomedium vorgesehen. Damit wird ein vorzugsweise kontinuierliches Umwälzen des Thermomediums sichergestellt. Weiter bevorzugt ist wenigstens ein vorzugsweise wärmeisolierter Zwischenspeicher, insbesondere ein Tank, für das Thermomedium vorgesehen. Insbesondere können mehrere Zwischenspeicher vorgesehen sein, vorzugsweise für jeweils unterschiedlich temperiertes Thermomedium. Es handelt sich insbesondere um wenigstens einen Kaltöltank und/oder einen Warmöltank und/oder einen Heißöltank. Zum Temperieren des Thermomediums, insbesondere zum Heizen und/oder Kühlen, ist wenigstens eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung vorgesehen. Die verschiedenen Tanks sind vorzugsweise wärmeisoliert gegenüber der Umgebung, insbesondere mittels einer vorzugsweise äußeren Isolierschicht. Mit Hilfe des wenigstens einen Kreislaufs lässt sich das Thermomedium zwischen dem Heizmantel und zumindest einer der verschiedenen Tanks mittels der Zuführvorrichtung umpumpen. Dabei erfolgt ein Wärmeaustausch. Weiter bevorzugt ist der Innenraum des Druckbehälters und/oder der Innenbehälter zur Druckentlastung mit wenigstens einer Vorrichtung zur Druckentlastung, insbesondere einer Abblasevorrichtung, wie einem Überdruckventil, einem Abblasetank oder ähnlichem verbunden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material mit den Maßnahmen des Anspruchs 7 gelöst. Demnach wird zur hydrothermalen Karbonisierung zumindest ein Teil der Reaktionsedukte, vorzugsweise das organische Material und/oder Wasser, in das Innere eines Innenbehälters eingefüllt. Der Innenbehälter wird dann zusammen mit den Reaktionsedukten in den Innenraum des Druckbehälters eingesetzt. Damit kann die eigentliche Vorbereitung und Beladung des Innenraums des Druckbehälters mit den Reaktionsedukten durch Befüllung des darin eingesetzten Innenbehälters, insbesondere vorab außerhalb des Druckbehälters, vorgenommen werden. Dies ermöglicht bevorzugt einen direkten Austausch eines das bereits karbonisierte Material nach Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung enthaltenen Innenbehälters gegen einen weiteren Innenbehälter, wobei letzterer insbesondere gereinigt und/oder frisch befüllt ist bzw. wird. Somit werden Stillstandszeiten bedingt durch den erforderlichen Austausch der Reaktionsprodukte gegen Reaktionsedukte mittels der Innenbehälter minimiert und insbesondere die Wirtschaftlichkeit erhöht.
Vorzugsweise wird der Innenraum des Druckbehälters über eine Innenwand des Druckbehälters temperiert. Dies bedeutet insbesondere, dass die Temperatur der Innenwand erhöht bzw. erniedrigt wird, um so den Innenraum des Druckbehälters aufzuheizen bzw. abzukühlen. Es kann so ein direkter Wärmeübergang erfolgen. An bzw. in der Wand kann wenigstens ein Hohlraum und/oder können insbesondere Leitungen, insbesondere Rohr- und/oder Schlauchleitungen, vorgesehen werden, der bzw. die insbesondere mit der Innenwand des Druckbehälters in Kontakt stehen und/oder mit der Außenseite der Innenwand verbunden, vorzugsweise verschweißt, sind. Durch den Hohlraum bzw. die Leitungen wird ein Thermomedium derart hindurchgeleitet, dass ein Wärmeaustausch mit der Innenwand und mit dem Innenraum erfolgt. Vorzugsweise wird der Innenraum des Druckbehälters zumindest teilweise mit einer bevorzugt wärmeleitfähigen und/oder wärmespeichernden Thermoflüssigkeit, bevorzugt mit Wasser, gefüllt. Dies sorgt für eine gute Wärmeübertragung zwischen der Innenwand des Druckbehälters und dem Innenraum des Druckbehälters. Vorzugsweise wird so der Innenbehälter über dessen Wandung beheizt, insbesondere durch Wärmeübertragung durch die den Innenbehälter zumindest teilweise umgebende Thermoflüssigkeit im Innenraum. Dazu ist zwischen dem Innenbehälter und der Innenwand des Innenraums des Druckbehälters ein geeigneter Zwischenraum ausgebildet, der eine gute Wärmeübertragung durch das Thermomedium insbesondere durch Wärmeleitung und/oder Konvektion ermöglicht. Es können auch beide Effekte kombiniert auftreten, insbesondere mit Wasser als Thermoflüssigkeit.
Der Innenbehälter wird insbesondere außerhalb des Druckbehälters mit allen erforderlichen Reaktionsedukten befüllt. Als Reaktionsedukte sind organisches Material und Wasser nebst eventuellen Zusatzstoffen erforderlich. Als Zusatzstoffe werden insbesondere Katalysatoren, wie beispielsweise Zitronensäure, verwendet. Der so gefüllte Innenbehälter wird in den Innenraum des Druckbehälters eingesetzt. Weiter bevorzugt wird der Innenbehälter nach der Entnahme aus dem Druckbehälter, also insbesondere nach Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung, entleert. Dabei werden die Reaktionsprodukte, nämlich insbesondere das karbonisierte Material, also im Wesentlichen der Kohlenstoff bzw. die Kohle und das Wasser, aus dem Innenbehälter entnommen. Weiter bevorzugt wird ein vorzugsweise weiterer mit den Reaktionsedukten befüllter Innenbehälter im direkten Austausch zu dem die Reaktionsprodukte enthaltenen und aus dem Druckbehälter entnommenen Innenbehälter in letzteren eingesetzt. Damit wird eine nahezu unterbrechungsfreie Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung ermöglicht, wobei lediglich die Aufheiz- bzw. Abkühlphase zum Starten bzw. Beenden der Reaktion noch erfolgen muss. Zur Gewinnung des Kohlenstoffs ist das karbonisierte Material daher lediglich noch zu filtern und/oder zu trocknen und/oder zu kompaktieren. Zumindest ein Teil der Reaktionsedukte, insbesondere das organische Material, wird weiter bevorzugt homogenisiert, insbesondere zerkleinert. Außerdem werden die Reaktionsedukte miteinander vermischt. Damit wird eine vollständige und gleichmäßige Umsetzung bei der chemischen Reaktion erreicht. Diese Homogenisierung erfolgt vorzugsweise vor dem Einfüllen in den Innenbehälter. Nach der hydrothermalen Karbonisierung wird das karbonisierte Material, insbesondere der Kohlenstoff, vorzugsweise in Form von Kohleteilchen, aus dem Innenbehälter entnommen und vorzugsweise gefiltert und/oder getrocknet und/oder kompaktiert. Weiter bevorzugt wird der Innenbehälter insbesondere durch eine Hebevorrichtung, vorzugsweise einen Kran, aus dem Druckbehälter entnommen bzw. in diesen eingesetzt. Dazu wird die Hebevorrichtung weiter bevorzugt zumindest im Wesentlichen oberhalb des Druckbehälters verschwenkbar angeordnet. Eine lösbare Verbindung der Hebevorrichtung mit dem Innenbehälter wird hergestellt, um den Innenbehälter anheben zu können. Der Innenbehälter ist dann aus dem Druckbehälter heraushebbar, insbesondere über die Oberkante des Druckbehälters hinweg. Die Hebevorrichtung ist insbesondere außerdem in der Lage, den Innenbehälter seitlich neben dem Druckbehälter abzustellen, um so einen Austausch mit einem weiteren dort platzierten Innenbehälter zu ermöglichen. Dazu ist die Hebevorrichtung vorzugsweise verschwenkbar bzw. verfahrbar ausgebildet. Die Entnahme des Innenbehälters aus dem Druckbehälter erfolgt damit zumindest primär in senkrechter Richtung.
Vorzugsweise wird der Innenraum des Druckbehälters nach dem Einsetzen des Innenbehälters aufgeheizt. Zum Aufheizen des Innenraums wird vorzugsweise ein insbesondere heißes Thermomedium in den Hohlraum bzw. in die wenigstens eine dort angeordnete Leitung geleitet. Wenigstens ein insbesondere wärmeisolierter Tank wird zur Zwischenspeicherung wenigstens eines Teils des Thermomediums verwendet. Das heiße Thermomedium entstammt weiter bevorzugt zumindest zum Teil aus einem Heißöltank. Diesem Heißöltank wurde das Thermomedium vorzugsweise zur Zwischenspeicherung zugeführt oder gezielt aufgeheizt durch die Heizvorrichtung. Das heiße Thermomedium wird vorzugsweise durch eine Heizvorrichtung aufgeheizt und/oder nachgeheizt, insbesondere auf wenigstens 180°C, vorzugsweise wenigstens 220°C, um den Innenraum des Druckbehälters auf eine zur hydrothermalen Karbonisierung geeignete Temperatur erwärmen zu können. Zum Abkühlen des Innenraums des Druckbehälters kann kaltes, insbesondere durch eine Kühlvorrichtung abgekühltes, Thermomedium verwendet und/oder das Wasserdampf-Gemisch aus dem Innenraum des Druckbehälters und des Innenbehälters in einen Abblasetank abgeblasen werden. Dieses relativ kalte Thermomedium hat vorzugsweise eine Temperatur von weniger als 100°C, vorzugsweise weniger als 50°C, insbesondere in etwa Raumtemperatur, vorzugsweise weniger als 0°C. Es wird insbesondere in einem sogenannten Kaltöltank zwischengespeichert. Das durch Wärmeaustausch mit dem heißen Druckbehälter oder durch die Heizvorrichtung erwärmte Thermomedium kann dann insbesondere im Warmöltank oder im Heißöltank eingelagert werden. Die erhitzten bzw. abgekühlten Mengen des Thermomediums eignen sich somit vorzugsweise zur Energierückgewinnung in der Phase des Aufheizens zu Beginn der hydrothermalen Karbonisierung bzw. zur Energiespeicherung in der Phase des Abkühlens des Druckbehälters vor dem Öffnen. Ein Abkühlen und/oder Entlasten durch Abblasen des Druckbehälters vor dem Öffnen ist im Allgemeinen notwendig, um den Innendruck zu reduzieren, der während des Prozesses der hydrothermalen Karbonisierung bei wenigstens 15 bar liegt, und so den Druckbehälter gefahrlos öffnen zu können. Zum Öffnen sollte dieser auf zumindest nahezu Umgebungsdruck, also Atmosphärendruck von etwa 1 bar abgesenkt werden.
Weiter bevorzugt wird der befüllte Innenbehälter in den Innenraum eingesetzt. Der Druckbehälter wird anschließend verschlossen und vorzugsweise aufgeheizt, sodass die hydrothermale Karbonisierung durchgeführt wird. Dabei wird während der ablaufenden Reaktion überschüssige Wärmeenergie abgeleitet. Die überschüssige Wärmeenergie kann insbesondere in wenigstens einem entsprechenden Tank zur Lagerung einer Menge heißen Thermomediums zwischengelagert werden. Alternativ kann sie auch zur Energieversorgung beispielsweise eines Kraftwerks, zur Gewinnung elektrischer Energie oder auch zur Beheizung von Gebäuden oder ähnlichem verwendet werden. Nach Abschluss des Vorgangs zur hydrothermalen Karbonisierung wird der Innenbehälter wieder entnommen. Dieser kann durch einen im Wesentlichen identischen Innenbehälter ersetzt werden, der vorzugsweise bereits mit organischem Material, Wasser und eventuellen Zusatzstoffen befüllt ist. Der entnommene Innenbehälter wird dann entleert, gereinigt und gegebenenfalls wieder befüllt. Zumindest ein Teil des für die hydrothermale Karbonisierung notwendigen Wassers kann insbesondere auch aus dem Innenraum des Druckbehälters bezogen werden. Dort vorzugsweise als Thermoflüssigkeit verwendetes Wasser liegt zumindest teilweise gasförmig vor und kann bei zum Innenraum des Druckbehälters geöffneten bzw. zumindest gasdurchlässigen Innenbehälter der Reaktion zugeführt werden. Bevorzugt können die Wasserstände im Inneren des Druckbehälters und im Inneren des Innenbehälters auf unterschiedlichem Niveau liegen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung,
2 eine detaillierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Druckgefäßes mit Innenbehälter gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 ein horizontaler Querschnitt durch den Druckbehälter der 2,
4 ein erfindungsgemäßer Druckbehälter mit Innenbehälter gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 eine Darstellung eines Austauschvorgangs eines Innenbehälters bei einem Druckbehälter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und
6 ein Blockdiagramm zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur hydrothermalen Karbonsierung.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur hydrothermalen Karbonisierung weist einen äußeren Druckbehälter 12 auf. Im Inneren dieses Druckbehälters 12 ist ein Innenbehälter 14 angeordnet. Im Inneren dieses Innenbehälters 14 befinden sich wiederum die Reaktionsedukte, also zumindest eine Menge organischen Materials 16. Das organische Material 16 ist mit Wasser und eventuellen Zusatzstoffen, insbesondere einem Katalysator, wie Zitronensäure, vermischt.
Der Druckbehälter 12 weist eine seitliche Wand 20 und einen Boden 22 auf. Das Innere des Druckbehälters 12 wird auch als Innenraum 18 bezeichnet. Dieser Innenraum 18 wird seitlich durch eine Innenwand 24 der Wand 20 des Druckbehälters 12 und nach unten durch eine Innenwand 24 des Boden 22 begrenzt. Die äußere Begrenzung des Druckbehälters 12 bilden die Außenwände 26 der Wand 20 und des Bodens 22.
Insbesondere im ersten Ausführungsbeispiel der 2, 3 und 5 ist ein Hohlraum 42 im Inneren der Wand 20 vorgesehen, also insbesondere zwischen deren Innenseite 24 und deren Außenseite 26. Gleiches gilt für den Boden 22, der ebenfalls einen solchen Hohlraum 42 aufweist. Der Hohlraum 42 erstreckt sich hier sogar durchgängig über Wand 20 und Boden 22. Im Inneren des Hohlraums 42 können hier nicht gezeigte Verstrebungen zur Stabilisierung der Wand 20 eingesetzt sein.
Zum Aufheizen bzw. Abkühlen des Innenraums 18 des Druckbehälters 12 sind zumindest die Innenwände 24 der Wand 20 und des Bodens 22 temperierbar. Dazu kann ein Thermomedium, in diesem Fall ein Thermoöl 44, in den Hohlraum 42 eingeleitet werden. Indem ein im Vergleich zum Innenraum 18 wärmeres Thermoöl 44 eingeleitet wird, heizt sich der Innenraum 18 entsprechend auf, während durch Verwendung eines kälteren Thermoöls 44 der Innenraum 18 entsprechend abgekühlt werden kann.
Das Thermoöl 44 kann direkt durch einen zumindest im Wesentlichen vollständig umlaufenden Hohlraum 42 geleitet werden. Dies ist beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel der 2, 3 und 5 gezeigt. Alternativ können auch umlaufende Leitungen, wie insbesondere Spiralrohrleitungen 46, wie beispielsweise im zweiten Ausführungsbeispiel der 4 gezeigt ist, vorgesehen sein. Vorzugsweise kann diese an der dem Hohlraum 24 zugewandten Seite der seitlichen Innenwände 24 des Druckbehälters 12, also auch im Inneren des Hohlraums 42 angeordnet sein. Beim alternativen Ausführungsbeispiel der 4 ist in der Wand 20 eine Spiralrohrleitung 46 vorgesehen. Diese Spiralrohrleitung 46 verläuft in Windungen vom unteren zum oberen Ende des Innenraums 18 spiralförmig um diesen herum. Dabei ist die Spiralrohrleitung 46 im Inneren des Hohlraums 42 mit der an den Innenraum 18 angrenzenden Seite der Wand 20, also der Innenwand 24, verbunden. Um eine gute Wärmeübertragung zu ermöglichen, kann die Spiralrohrleitung 46 direkt mit der Wand 20 verbunden, insbesondere mit dieser verschweißt sein. Durch die Rohrleitungen 80 bzw. die Spiralrohrleitung 46 kann das Thermoöl 44 geleitet werden.
Um ebenfalls einen effizienten Wärmeaustausch zwischen den Innenwänden 20 des Druckbehälters 12 und dem in den Druckbehälter 12 eingesetzten Innenbehälter 14 sicherzustellen, wird der Bereich dazwischen mit einer Thermoflüssigkeit 48 gefüllt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um Wasser. Der Wasserstand bzw. Füllstand 68 liegt dabei bei dem hier in den Innenraum 18 eingesetzten Innenbehälter 14 kurz unterhalb der Öffnung 36 des Innenbehälters 14. Somit ist einerseits sichergestellt, dass kein Wasser in den Innenbehälter 14 hineinfließt. Andererseits wird für eine gute Wärmeübertragung zwischen der Wand 20 bzw. dem Boden 22 und dem Innenbehälter 14 gesorgt.
Der Druckbehälter 12 weist schon aus Stabilitätsgründen einen vorzugsweise zumindest nahezu kreisförmigen Querschnitt auf. Dies ist insbesondere in der 3 im Querschnitt dargestellt. Insgesamt ergibt sich damit also eine im Wesentlichen zylinderförmige Ausbildung des Druckbehälters 12. An der unteren Stirnseite ist dabei der Boden 22 angeordnet.
Außerdem weist der Druckbehälter 12 an der oberen Stirnseite bzw. an einem oberen Endbereich eine Öffnung 28 auf. Diese Öffnung 28 ist mit einem Deckel 30 druckdicht verschließbar. Der Deckel 30 kann beispielsweise durch Abheben oder Aufklappen nach oben geöffnet werden. Bei geöffnetem Deckel 30 ist der Innenraum 18 des Druckbehälters 12 von außen zugänglich. Dann kann beispielsweise der Innenbehälter 14 entnommen werden und beispielsweise durch einen identisch oder ähnlich ausgebildeten weiteren Innenbehälter 14 ausgetauscht werden. Notwendige Entleerungs-, Reinigungs- und Befüllungsarbeiten an dem Innenbehälter 14 lassen sich so außerhalb des Druckbehälters 12 vornehmen. Das Einsetzen und Entnehmen des Innenbehälters 14 aus dem Druckbehälters 12 erfolgt durch die Öffnung 28 hindurch.
Der Innenbehälter 14 zeichnet sich ebenfalls durch eine im Wesentlichen zylinderförmige Ausbildung aus. Die seitliche Wand 32 des Innenbehälters 14 ist ebenfalls als zylinderförmiger Mantel ausgebildet. Der Querschnitt des Innenbehälters 14 ist dementsprechend ebenfalls kreisförmig, wie in 3 zu sehen ist. Am unteren Endbereich wird der Innenbehälter 14 durch einen Boden 34 begrenzt. Da dieser Boden 34 im vorliegenden Fall als Wölbung ausgebildet ist, wird dieser auch als sogenannter ”Klöpperboden” bezeichnet. Die gebogene Seitenwand des Zylinders wird hier durch die Wand 20 gebildet. Die Wand 32 und der Boden 34 sind zumindest flüssigkeitsdicht miteinander verbunden, sodass eine Flüssigkeit im Inneren des Innenbehälters 14 deponiert werden kann ohne herauszufließen, solange der Innenbehälter 14, wie in den 1 bis 5 der Zeichnung zu sehen ist, zumindest im Wesentlichen aufrecht gelagert wird. Eine Öffnung 36 an der oberen Stirnseite dient zum Ein- und Ausfüllen von Materialien in das Innere des Innenbehälters 14. Als Beispiel ist hier der Innenbehälter 14 mit den Reaktionsedukten, also einer Mischung aus dem organischen Material, Wasser und einem Katalysator, wie Zitronensäure, gefüllt. Die auch als Füllstand 68 bezeichnete Oberfläche liegt kurz unterhalb der Seitenkante der Öffnung 36, sodass die Reaktionsedukte sicher im Inneren des Innenbehälters 14 gelagert sind.
Eine sichere Positionierung des Innenbehälters 14 im Innenraum 18 des Druckbehälters 12 kann verschiedenartig sichergestellt werden. In einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß 2, 3 und 5 sind dazu vier Flansche 38 an der Unterseite des Innenbehälters 14, also im Bereich des Bodens 34 angeordnet. Die Flansche sind entsprechend mit der schräg verlaufenden Außenseite 26 des Bodens 34 verbunden, insbesondere durch Schweißen. Auf den Flanschen 38 kann der Innenbehälter 14 auf einem Untergrund aufstehen, wie beispielsweise im vorliegenden Fall auf der Innenseite 24 des Bodens 22 des Druckbehälters 12. Wie in 4 gezeigt ist, können auch insbesondere wenigstens zwei seitlich an dem Innenbehälter 14 befestigte Halterungen 40 vorgesehen sein. Diese Halterungen 40 korrespondieren mit hier nicht im Detail dargestellten, korrespondierenden Gegenstücken an der Innenseite 24 der Wand 20 des Druckbehälters 12. Somit kann der Innenbehälter 14 mit Hilfe der Halterung 40 an der Innenseite 24 der Wand 20 lösbar befestigt bzw. eingehängt werden.
Der Innenbehälter 14 und der Innenraum 18 des Druckbehälters 12 besitzen damit beide eine zylinderförmige Grundform mit einer gemeinsamen senkrechten Längsmittelachse 66, wenn der Innenbehälter 14 betriebsbereit in den Druckbehälter 12 eingesetzt ist.
Der Druckbehälter 12 ist mit einer Wärmeisolierung in Form einer Isolierschicht 84 versehen. Die Isolierschicht 84 umgibt den Druckbehälter 12 einschließlich des Hohlraums 42 bzw. der Spiralrohrleitung behälterartig von allen Seiten bis auf die Oberseite. Im Bereich des Deckels ist stattdessen eine entsprechende Isolierhaube 86 vorgesehen. Diese Isolierhaube 86 ist hier oberhalb des Deckels 30 zur Wärmeisolierung desselben angeordnet.
Für eine optimale Wärmeübertragung zwischen Druckbehälter 12 und Innenbehälter 14 durch Wasser lassen sich verschiedene Effekte kombinieren, nämlich Wärmeleitung und Konvektion. Den stärkeren Effekt hat dabei im Allgemeinen der Wärmetransport durch Stofftransport, also Konvektion. Dementsprechend wird das Wasser aufgrund der Wärmeunterschiede selbstständig für eine Durchmischung und effiziente Wärmeübertragung sorgen.
Um allgemein den Wärmetransport und insbesondere die Konvektion im Inneren des Druckbehälters 12 sicherzustellen, müssen ausreichende Abstände zwischen den Innenseiten 24 der Wand 20 bzw. des Bodens 22 und dem in den Innenraum 18 eingesetzte Innenbehälter 14 gewährleistet werden. Dies erfolgt einerseits durch die zum Abstellen des Innenbehälters 14 auf der Unterseite angeordneten Flansche 38. Zusätzlich sind in diesem Fall noch weitere seitlich an dem Innenbehälter 14 angeordnete Flansche 50 vorgesehen. Diese Flansche 50 dienen als seitliche Abstandshalter. Damit wird insgesamt das Einsetzen des Innenbehälters 14 in den Druckbehälter 12 erleichtert, da die Flansche 50 an den Innenseiten 24 der Wand 20 anliegen und so ausreichende Abstände gewährleisten. Dies ist insbesondere in der 3 zu erkennen. Im Fall des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 4 erfolgt die Sicherstellung ausreichender Abstände durch die Anordnung der Halterungen 40 und der entsprechenden Gegenstücke. In diesem Fall muss lediglich für eine genaue Positionierung bzw. für ein exaktes Einhängen des Innenbehälters 14 mit den Halterungen 40 im Innenraum des Druckbehälters 12 gesorgt werden.
Zum Einsetzen bzw. Herausnehmen des Innenbehälters 14 aus dem Innenraum 18 ist hier als Hebevorrichtung ein Kran 52 vorgesehen. Dieser Kran 52 ist oberhalb des Druckbehälters 12 beweglich angeordnet. Damit kann insbesondere ein seitliches Verschwenken und ein Abstellen bzw. ein Aufnehmen eines seitlich neben dem Druckbehälter 12 platzierten Innenbehälters 14 erfolgen. Der Kran 52 weist im vorliegenden Fall ein doppeltes Kranseil 54 auf, das aber auch als einfaches Kranseil 54 ausgebildet sein kann. Am unteren Ende des Kranseils 54 ist ein Querbalken 56 mit zwei Aufhängungen 58 vorgesehen. Am unteren Ende der Aufhängung 58 sind jeweils Haken 60 angeordnet. Die Haken 60 dienen einerseits dazu, mit den seitlichen Flanschen 50 des Innenbehälters 14 in Eingriff zu gelangen. Durch Anheben des Querbalkens 56 mit Hilfe des Kranseils 54 kann dann der Innenbehälter 14 angehoben bzw. abgesenkt werden. In 5 ist der aus seiner gestrichelt dargestellten Position im Inneren des Druckbehälters 12 über den Druckbehälter 12 angehobene Innenbehälter 14 gezeigt.
Der Kran 52 kann mit Hilfe eines oder mehrerer der gezeigten Haken 60 oder weiterer geeigneter Befestigungsmittel den Deckel 30 des Druckbehälters 12 entfernen bzw. aufsetzen. Der Deckel 30 wie auch die Isolierhaube 86 weisen zur Anlenkung des Krans 52 entsprechende Ösen 62 auf. Notwendige Verschraubungen und ähnliches zum druckdichten Verschließen des Druckbehälters 12 mittels des Deckels 30 bzw. zur Befestigung der Isolierhaube 86 sind hier nicht dargestellt.
Der Innenbehälter 14 kann zum Verschluss seiner Öffnung 36 ebenfalls mit einem Deckel 64 versehen sein. Dies zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der 4. Dabei handelt es sich um einen sogenannten geschlossenen Innenbehälter 14, bei dem der Stoffaustausch zwischen dem Innenraum des Innenbehälters 14 und dem Innenraum des Druckbehälters 12 unterbunden wird. Der geschlossene Innenbehälter 14 muss folglich allerdings eine höhere Druckfestigkeit von wenigen, d. h. typischerweise zwischen 1 und 5 bar, gegenüber dem Innenraum 18 und gegebenenfalls ein Sicherheitsventil aufweisen. Im Falle des offenen Innenbehälters 14 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel findet gegebenenfalls ein Stoffaustausch, vorzugsweise in der Gasphase statt. Beide Konzepte, nämlich das eines geschlossenen ebenso wie das eines offenen Innenbehälters 14, können insbesondere als erfindungsgemäße Alternativen zum Einsatz kommen.
Zum Aufheizen und/oder Abkühlen des Thermoöls 44 ist eine Heizvorrichtung und/oder eine kombinierte Heiz-/Kühlvorrichtung 76 vorgesehen. Diese Heiz-/Kühlvorrichtung 76 wird gegebenenfalls von einem Lagertank 78 mit zusätzlichem Öl versorgt. Zum Zwischenlagern des Thermoöls 44 unterschiedlicher Temperatur sind mehrere Tanks vorgesehen. Es handelt sich dabei beispielsweise zumindest um einen Kaltöltank 70 für kaltes Thermoöl 44 und einen Heißöltank 74 für sehr heißes Thermoöl 44. Die Heiz-/Kühlvorrichtung 76 ist vorzugsweise mit dem Heißöltank 74 verbunden. Zusätzlich ist hier noch ein Warmöltank 72 mit Thermoöl 44 einer mittleren Temperatur vorhanden. Zum Umpumpen des Thermoöls 44 zwischen den einzelnen Tanks und dem Hohlraum 42 bzw. den Spiralrohrleitungen 46 sind insbesondere ebenfalls Rohrleitungen 80 vorgesehen. Die Rohrleitungen 80 sind in jedem Fall paarweise als Hin- und Rückleitung ausgeführt, um jeweils einen Kreislauf sicherzustellen. Zusätzlich ist jeweils eine Pumpe je Kreislauf vorgesehen, um das Thermoöl 44 umzuwälzen. Das Thermoöl 44 kann gegebenenfalls auch durch die Heiz-/Kühlvorrichtung 76 abgekühlt werden.
Mittels der Heiz- bzw. Kühlvorrichtung 76 kann das Öl in dem Heißöltank 74 auf eine ausreichende Temperatur von typischerweise wenigstens 200°C erhitzt werden, um den Innenraum 18 des Druckbehälters 12 auf eine für die Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung erforderliche Temperatur aufzuheizen. Eine solche Temperatur liegt im Allgemeinen bei wenigstens 190°C. Das Thermoöl 44 muss dementsprechend auf eine darüber liegende Temperatur aufgeheizt werden.
Zum Abkühlen des Druckbehälters 12 kann vorzugsweise Thermoöl 44 aus dem Kaltöltank 70 durch die Rohrleitungen 80 in den Hohlraum 42 eingepumpt werden. Dieses nimmt zumindest einen Teil der Wärmeenergie des Innenraums 18 auf und damit auch aus dem Innenbehälter 14 bzw. des darin enthaltenen organischen Materials 16 und dem Wasser bzw. Wasserdampf. Das derart erwärmte Thermoöl 44 kann dann beispielsweise im Warmöltank 72 zwischengelagert werden, indem es in diesen gepumpt wird. Umgekehrt kann das Thermoöl 44 aus dem Warmöltank 72 auch zumindest zum teilweisen Aufheizen des Innenraums 18 dienen, wenn beispielsweise ein neuer kalter Innenbehälter 14 in den Innenraum 18 eingesetzt wird. Somit kann zumindest ein Teil der Wärmeenergie rückgewonnen werden. Alternativ ist das erwärmte Thermoöl 44 auch zur externen Nutzung der Wärmeenergie verwendbar.
Um eventuelle Schäden durch Überdruck zu vermeiden, ist wenigstens eine Abblasevorrichtung, wie beispielsweise ein hier nicht gezeigtes Überdruckventil und/oder ein Abblasetank 82 mit dem Innenraum 18 des Druckbehälters 12 bzw. gegebenenfalls dem geschlossenen Innenbehälter 14 verbunden. Diese Abblasevorrichtung bzw. der Abblasetank 82 dient zur Ausleitung überschüssiger Gase bzw. zur Druckentlastung des Innenraums 18.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material wird im Folgenden anhand der Zeichnungen, insbesondere anhand des Ablaufdiagramms der 6 näher beschrieben:
In einem ersten Schritt, der Anlieferung 100, wird das organische Material 16 vorzugsweise angeliefert bzw. bereitgestellt. Als Nächstes wird es mittels einer Wiegevorrichtung einer Wägung 110 zur Mengenermittlung unterzogen. Auch kann bereits an dieser Stelle eine Portionierung für eine Füllung des Innenbehälters 14 erfolgen. Bis zum tatsächlichen Einsatz bei der hydrothermalen Karbonisierung wird das organische Material 16 dann vorzugsweise einer Zwischenlagerung 120 unterzogen.
Als Nächstes kann sich je nach Materialqualität eine Aufbereitung 130 anschließen. Dabei wird das Material vorzugsweise einem Häckseln 132, also einem Zerkleinern, unterzogen. Dies dient dazu, das zumeist grob bzw. in großen Stücken vorliegende organische Material 16 zu zerkleinern. Je kleiner gestückelt das organische Material 16 vorliegt, desto homogener erfolgt im Allgemeinen dessen hydrothermale Karbonisierung. Außerdem wird das Material gegebenenfalls einem Schritt des Säuberns 134 unterzogen. Dieses Säubern 134 dient insbesondere dazu, Fremdkörper und nicht umwandelbares Material zu entfernen.
Schließlich erfolgt eine Befüllung 140 des entsprechenden Innenbehälters 14. Dabei wird sowohl organisches Material 16 wie auch Wasser und insbesondere ein Katalysator wie Zitronensäure hinzugegeben.
Nach den genannten Vorbereitungen kann der eigentliche Prozess der hydrothermalen Karbonisierung, der sogenannte HTC-Prozess 200, durchgeführt werden. Zunächst ist dazu vorzugsweise der Innenbehälter 14 in den Druckbehälter 12 einzusetzen. Letzterer ist dann vorzugsweise druckfest zu verschließen, insbesondere mittels des Deckels 30.
Das Innere des Druckbehälters 12 wird nun auf eine Temperatur von oberhalb 190°C aufgeheizt. Zur Aufheizung dient insbesondere das auf mehr als 190°C erhitzte Thermomedium. Dabei stellt sich dann ein Druck von wenigstens 15 bar ein, sodass die hydrothermale Karbonisierung im HTC-Prozess 200 durchgeführt werden kann. Das organische Material 16 wird dabei unter Ausschluss von Sauerstoff in Kohlenstoff, Wasser und Gas, umgewandelt. Bei dem Gas handelt es sich im Wesentlichen um Kohlenstoffdioxid (CO₂). Zur Umwandlung ist außerdem das ebenfalls in den Innenbehälter 14 eingefüllte Wasser erforderlich. Als Katalysator dienende Zitronensäure ermöglicht bzw. beschleunigt zumindest die Reaktion. Bei dem HTC-Prozess 200 entstehen als Nebenprodukte einerseits Abgase 202 und andererseits Abwasser 204. Zumindest die Abgase 202 sind insbesondere über eine entsprechende Vorrichtung, wie den Abblasetank 82, abzuleiten. Das Abwasser 204 verbleibt üblicherweise im Innenbehälter 14.
Nach Abschluss des HTC-Prozesses 200 wird der Innenbehälter 14 zunächst aus dem Druckbehälter 12 entnommen. Dann erfolgt insbesondere ein Entleeren 210 des Innenbehälters 14, also eine Entnahme des im Regelfall in Wasser suspendierten karbonisierten Materials. Nach der oder parallel zu der sich anschließenden Reinigung 220 des Innenbehälters 14 findet bevorzugt eine Produktaufbereitung 230 statt. Dies bedeutet, dass das aus dem Innenbehälter 14 entnommene Material für die Weiterverarbeitung, insbesondere eine spätere Verbrennung, vorbereitet wird. Insbesondere wird das Materials dazu zumindest getrocknet, also einer Trocknung 232 unterzogen. Dabei wird das Material aus dem Wasser gefiltert und/oder dem Material das Wasser entzogen, sodass Kohlenstoff übrig bleibt. Schließlich erfolgt vorzugsweise noch eine Absackung 234, also ein insbesondere Absacken bzw. Verpacken in Säcke, Kisten oder ähnliches.
Bezüglich der oben beschriebenen alternativen Ausführungsformen der Erfindung lassen sich die einzelnen technisch unabhängigen Merkmale verschiedener Ausführungsformen auch miteinander kombinieren. Dies bedeutet insbesondere, dass beispielsweise die Halterung 40 oder auch die Flansche 38 zum Positionieren in dem Druckbehälter 12 einerseits mit einer Spiralrohrleitung 46 und andererseits auch mit einer Beheizung mittels des Hohlraums 42 kombinierbar sind. Auch können sowohl ein Deckel 30 wie auch ein geschlossener Innenbehälter mit einem separaten Deckel 64 vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Druckbehälter
14: Innenbehälter
16: organisches Material
18: Innenraum
20: Wand
22: Boden
24: Innenwand
26: Außenwand
28: Öffnung
30: Deckel
32: Wand
34: Boden
36: Öffnung
38: Flansch
40: Halterung
42: Hohlraum
44: Thermoöl
46: Spiralrohrleitung
48: Thermoflüssigkeit
50: Flansch
52: Kran
54: Kranseil
56: Querbalken
58: Aufhängung
60: Haken
62: Öse
64: Deckel
66: Längsmittelachse
68: Füllstand
70: Kaltöltank
72: Warmöltank
74: Heißöltank
76: Heiz-/Kühlvorrichtung
78: Lagertank
80: Rohrleitung
82: Abblasetank
84: Isolierschicht
86: Isolierhaube
100: Anlieferung
110: Waage
120: Zwischenlagerung
130: Aufbereitung
132: Häckseln
134: Säubern
140: Befüllung
200: HTC-Prozess
202: Abgas
204: Abwasser
210: Entleerung
220: Reinigung
230: Produktaufbereitung
232: Trocknung
234: Absackung

Claims

Vorrichtung zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material (16), insbesondere von Biomasse, mit einem Druckbehälter (12) mit wenigstens einem temperierbaren Innenraum (18) zur Aufnahme der Reaktionsedukte, insbesondere zumindest eines Teils des organischen Materials (16) und/oder einer Menge Wasser und/oder eventueller Zusatzstoffe, zur Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung, wobei der Innenraum (18) des Druckbehälters (12) insbesondere bei erhöhtem Druck im Inneren gegenüber der Umgebung druckfest abdichtbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zumindest mit einem Teil der Reaktionsedukte befüllbarer Innenbehälter (14) austauschbar im Innenraum (18) des Druckbehälters (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zwischen dem Innenbehälter (14) und dem Druckbehälter (12) eine vorzugsweise wärmeleitende und/oder wärmespeichernde Thermoflüssigkeit (48), insbesondere Wasser, vorgesehen ist, wobei die Thermoflüssigkeit (48) vorzugsweise einen Zwischenraum zwischen der Außenwand des Innenbehälters (14) und der Innenwand des Innenraums (18) des Druckbehälters (12) zumindest nahezu vollständig ausfüllt, wobei der Innenbehälter (14) insbesondere in die Thermoflüssigkeit (48) eingetaucht ist und/oder wobei der Füllstand der Thermoflüssigkeit (48) bevorzugt unterhalb einer Öffnung des Innenbehälters (14) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Form des Innenbehälters (14) zumindest im Wesentlichen korrespondierend zur inneren Form des Innenraums (18) des Druckbehälters (12) ausgebildet ist, wobei der Innenbehälter insbesondere formschlüssig, und/oder dass ein vorzugsweise zumindest nahezu vollständig umlaufender Zwischenraum ausgebildet ist, mit einem vorzugsweise zumindest im Wesentlichen gleichen Abstand zwischen dem Innenbehälter (14) und der Wand des Innenraums (18), und/oder dass der Innenbehälter (14) und/oder der Innenraum (18) des Druckbehälters (12) länglich und/oder vorzugsweise im Wesentlichen zylinderartig bzw. zylinderförmig ausgebildet ist, vorzugsweise mit kreisförmigem Querschnitt, mit einer insbesondere kreisförmigen Öffnung (36, 28) vorzugsweise an einer ersten Stirnseite, wobei der Querschnitt der Öffnung (36, 28) insbesondere zumindest im Wesentlichen dem inneren Querschnitt des Innenbehälters (14) bzw. des Innenraums (18) entspricht, und/oder wobei eine bevorzugt kuppelartige, insbesondere halbkugelförmige Wölbung, vorzugsweise ein Klöpperboden, insbesondere als Boden (22), besonders bevorzugt an einer insbesondere der Öffnung (36, 28) gegenüberliegenden Stirnseite, und/oder wobei vorzugsweise parallele, bevorzugt gemeinsame Längsmittelachsen (66) des Innenbehälters (14) und/oder des Innenraums (18) vorzugsweise zumindest im Wesentlichen senkrecht verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (12) eine Öffnung (28) als Zugang zu dessen Innenraum (18) aufweist, wobei die Öffnung (28) vorzugsweise oberseitig an dem Druckbehälter (12) angeordnet ist, und/oder wobei die Öffnung (28) bevorzugt zum Hindurchbewegen des Innenbehälters (14) ausgebildet ist, und/oder dass die Öffnung (28) des Druckbehälters (12) mit einer Abdeckung, insbesondere einem Deckel (30), verschließbar ist, wobei die Abdeckung vorzugsweise lösbar mit dem Druckbehälter (12) verbunden ist, und/oder wobei bevorzugt die Abdeckung und/oder eine weitere Abdeckung, insbesondere ein Deckel (36), für die Öffnung (36) des Innenbehälters (14) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorzugsweise seitlich verschwenkbare Hebevorrichtung, insbesondere ein Kran (52) oder ähnliches, zum Einsetzen des Innenbehälters (14) in den Innenraum (18) des Druckbehälters (12) bzw. Herausnehmen des Innenbehälters (14) aus dem Innenraum (18) des Druckbehälters (12) vorgesehen ist, wobei der Innenbehälter vorzugsweise durch die Öffnung (28) des Druckbehälters (12) hindurchbewegbar ist, und/oder wobei der Innenbehälter (14) durch die Hebevorrichtung vorzugsweise auf ein oberhalb der Öffnung (18) des Druckbehälters (12) liegendes Niveau anhebbar ist und/oder wobei der Innenbehälter (14) wenigstens ein Befestigungsmittel, vorzugsweise eine Halterung (40), zur vorzugsweise lösbaren Anlenkung der Hebevorrichtung aufweist, und/oder dass der Innenbehälter (14) Mittel zum Abstellen und/oder lösbaren Befestigen im Innenraum (18) des Druckbehälters (12) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (12) wandseitig temperierbar ist, wobei vorzugsweise zumindest die Innenwände (24) des Druckbehälters (12) beheizbar bzw. kühlbar sind, und/oder wobei insbesondere der Druckbehälter (12) einen Heizmantel aufweist, der insbesondere den Innenraum (18) vorzugsweise auf zumindest einer, vorzugsweise mehreren Seiten umgibt, insbesondere als Hohlkörper (42) und/oder als Leitung, insbesondere Spiralrohrleitung (46), bevorzugt im Bereich der Wand (20) des Druckbehälters (12), und/oder dass der Heizmantel zumindest teilweise von einem insbesondere flüssigen Thermomedium, vorzugsweise einem Thermoöl (44), durchströmbar ist, wobei zumindest ein Kreislauf für das Thermomedium vorgesehen ist und/oder wobei mit dem Heizmantel eine Zuführeinrichtung, insbesondere eine Pumpe, für das Thermomedium verbunden ist, vorzugsweise über wenigstens eine Leitung, insbesondere eine Schlauch- oder Rohrleitung (80), und/oder dass vorzugsweise wenigstens ein, vorzugsweise isolierter Zwischenspeicher bzw. Tank für das Thermomedium und/oder eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung (76) zum Heizen bzw. Kühlen des Thermomediums vorgesehen ist, mit wenigstens einem Kreislauf für das Thermomedium, und/oder dass der Innenraum (18) des Druckbehälters (12) und/oder der Innenbehälter (14) zur Druckentlastung mit wenigstens einer Vorrichtung zur Druckentlastung, vorzugsweise wenigstens einer Abblasevorrichtung, insbesondere einem Überdruckventil und/oder einem Abblasetank (82), verbunden ist.
Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material (16), insbesondere von Biomasse, wobei wenigstens ein Teil der Reaktionsedukte, insbesondere organisches Material (16) und/oder Wasser, in einen Innenraum eines Druckbehälters (12) gefüllt wird, wobei der Innenraum (18) des Druckbehälters (12) zur hydrothermalen Karbonisierung des organischen Materials (16) druckdicht verschlossen und temperiert, vorzugsweise erwärmt, wird, und dass zumindest ein Teil der Reaktionsprodukte, insbesondere das karbonisierte Material, nach der hydrothermalen Karbonisierung aus dem Innenraum (18) des Druckbehälters (12) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Reaktionsedukte in das Innere eines Innenbehälters (14) eingefüllt und mit dem Innenbehälter (14) in den Innenraum (18) des Druckbehälters (12) eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Druckbehälters (12) über die Innenwand des Druckbehälters (12) temperiert wird, wobei die Innenwand (24) vorzugsweise mittels eines insbesondere an die Innenwand (24) angrenzenden Heizmantels, insbesondere Hohlraums (42) in der Wand (20) des Druckbehälters (12) und/oder durch Leitungen, insbesondere Spiralrohrleitungen (46) und/oder Schlauchleitungen in und/oder an der Wand (20) des Druckbehälters (12), insbesondere im Innenraum (18) und/oder innerhalb der Wand (20), temperiert wird, insbesondere durch ein durch die Leitungen hindurchgeleitetes Thermomedium, und/oder dass der Innenraum (18) des Druckbehälters (12) zumindest zum Teil mit einer Thermoflüssigkeit (48), bevorzugt Wasser, gefüllt wird, vorzugsweise in einem den Innenbehälter (14) umgebenden Zwischenraum zum Druckbehälter (12), und/oder dass der Innenbehälter (14) zumindest überwiegend über dessen Wandung beheizt wird und/oder dass der Innenbehälter (14), zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, gefüllt wird zur Wärmeübertragung zwischen dem Druckbehälter (12) und dem Innenbehälter (14).
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter (14) mit allen erforderlichen Reaktionsedukten, insbesondere mit dem organischen Material (16), Wasser und eventuellen Zusatzstoffen, wie beispielsweise einen Katalysator wie Zitronensäure, außerhalb des Druckbehälters (12) befüllt wird, und befüllt in den Innenraum (18) des Druckbehälters (12) eingesetzt wird, und/oder dass der Innenbehälter (14) nach der Entnahme aus dem Druckbehälter (12) entleert und insbesondere vor einer erneuten Befüllung gereinigt wird, und/oder dass ein weiterer mit den Reaktionsedukten befüllter Innenbehälter (14), vorzugsweise im direkten Austausch zu dem die Reaktionsprodukte enthaltenden Innenbehälter (14), in den Druckbehälter (12) eingesetzt wird zur quasi-kontinuierlichen Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung, und/oder dass zumindest ein Teil der Reaktionsedukte, insbesondere das organische Material (16) vor dem Einfüllen in den Innenbehälter (14) homogenisiert wird, vorzugsweise zerkleinert und/oder mit dem übrigen Reaktionsedukten vermischt wird, und/oder dass das nach der hydrothermalen Karbonisierung aus dem Innenbehälter (14) entnommene karbonisierte Material, insbesondere zumindest der Kohlenstoff bzw. die Kohle, gefiltert und/oder getrocknet und/oder kompaktiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbehälter (14) jeweils vorzugsweise mittels wenigstens einer insbesondere zumindest im Wesentlichen oberhalb des Druckbehälters (12) angeordneten Hebevorrichtung, bevorzugt einem Kran (52), durch die Öffnung (28) des Druckbehälters (12) hindurch nach oben aus dem Innenraum (18) entnommen bzw. nach unten eingesetzt wird, und/oder dass zumindest ein Teil des organischen Materials (16) und/oder Wasser und/oder Zusatzstoffe, insbesondere zumindest einen Katalysator, beinhaltende Innenbehälter (14) in den Innenraum des Druckbehälters (12) eingesetzt wird, und/oder dass die hydrothermalen Karbonisierung im Inneren des vorzugsweise gasdicht und/oder druckdicht verschlossenen Druckbehälters (12) durchgeführt wird, und/oder dass vorzugsweise anschließend der zumindest den überwiegenden Teil des karbonisierten Materials und des Wassers, also die Reaktionsprodukte, enthaltende Innenbehälter (14) aus dem Druckbehälter (12) entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufheizen des Innenraums vorzugsweise ein heißes Thermomedium, insbesondere zumindest zum Teil aus einem Zwischenspeicher, insbesondere einem Heißöltank (74), in den Hohlraum (42) bzw. die Leitungen geleitet wird, vorzugsweise beheizt durch eine Heizvorrichtung (76), und/oder dass zum Halten der Temperatur während der Reaktion bzw. zum Abkühlen zur Entnahme des Innenbehälters (14) ein warmes oder kaltes Thermomedium verwendet wird, wobei überschüssige Wärmeenergie vorzugsweise gespeichert und/oder an die Umgebung abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbehälter (12) verschlossen und aufgeheizt wird, insbesondere durch gespeicherte Wärmeenergie und/oder dass die hydrothermale Karbonisierung unter Ableitung überschüssiger Wärmeenergie durchgeführt wird, und/oder dass vorzugsweise anschließend der Innenbehälter (14) insbesondere wieder entnommen, ersetzt, entleert, gereinigt und/oder wieder befüllt wird.