DE102011056720A1 - Hydrothermal carbonation of organic material, comprises converting organic material in presence of water by adding water and/or catalyst in the absence of air when compared with standard conditions of elevated pressure and temperature - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zu hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung nur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.The invention relates to a method for hydrothermal carbonization of organic material according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device only hydrothermal carbonization of organic material according to the preamble of claim 10.
Die hydrothermale Karbonisierung ist ein bereits seit langem bekanntes Verfahren zur Verkohlung organischen Materials, das auf den Nobelpreisträger Friedrich Bergius zurückgeht. Im Kern geht es darum, aus organischem Material beziehungsweise Biomasse unter Luftabschluss bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur Kohlenstoff beziehungsweise Kohle zu erzeugen. Das Verfahren läuft dazu üblicherweise in einem Druckbehälter ab, in den das umzuwandelnde organische Material und eine hinreichende Menge Wasser eingebracht wird. Gegebenenfalls kann noch ein Katalysator hinzugefügt werden.Hydrothermal carbonation is a well-known process for charring organic matter, dating back to Nobel Laureate Friedrich Bergius. Essentially, the goal is to produce carbon or coal from organic material or biomass under exclusion of air at elevated pressure and temperature. The process usually takes place in a pressure vessel into which the organic material to be converted and a sufficient amount of water are introduced. Optionally, a catalyst can be added.
Anders als bei der fossilen Verkohlung im Erdreich sind hier typischerweise nur etwa 10 bar bis 40 bar und zwischen 190°C und 300°C notwendig. Das eingebrachte organische Material als Einsatzmaterial wird dann nahezu vollständig in Kohle und eine wässrige Flüssigkeit umgewandelt.Unlike fossil carbonization in the ground, typically only about 10 bar to 40 bar and between 190 ° C and 300 ° C are necessary here. The introduced organic material as a feedstock is then almost completely converted to coal and an aqueous liquid.
Die ursprünglich für die hydrothermale Karbonisierung verwendeten organischen Materialien sind insbesondere Holz und andere, vorzugsweise pflanzliche Biomassen. Mit solchen lässt sich vergleichsweise zuverlässig eine hochwertige Kohle herstellen, die zumindest den Brennwert von Braunkohle aufweist. Typische Brennwerte liegen dabei in etwa zwischen 25 MJ/kg und 30 MJ/kg.The organic materials originally used for the hydrothermal carbonization are in particular wood and other, preferably vegetable biomasses. With such a comparatively reliable high-quality coal can be produced, which has at least the calorific value of lignite. Typical calorific values are approximately between 25 MJ / kg and 30 MJ / kg.
Aufgrund des verbreiteten Trends hin zu erneuerbaren Energien ist insbesondere in den letzten Jahren die Eignung unterschiedlichster anderer organischer Materialien für die hydrothermale Karbonisierung untersucht worden. Dabei hat sich allerdings allgemein herausgestellt, dass sich insbesondere tierische Abfälle nur sehr begrenzt eignen. Statt nämlich eine hochwertige, nahezu reine Kohle zu produzieren, entsteht aus solchen Biomassen, die üblicherweise auch große Anteile von Bakterien enthalten, in der Regel ein öliges Gemisch einer Vielzahl schwer trennbarer flüssiger und fester Stoffe, bei denen es sich nur zum kleinen Teil um Kohle handelt.Due to the widespread trend towards renewable energies, the suitability of various other organic materials for hydrothermal carbonization has been investigated in recent years in particular. However, it has generally been found that, in particular, animal waste is only of limited use. Instead of producing a high-quality, almost pure coal, such biomass, which usually also contains large amounts of bacteria, usually produces an oily mixture of a large number of difficult-to-separate liquid and solid substances, which are only a small part of coal is.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material anzugeben, dass sich insbesondere für eine Herstellung hochwertiger Kohle mit hinreichendem Brennwert aus tierischer Biomasse als organischem Material als Einsatzmaterial eignet.The object of the present invention is to provide a method for the hydrothermal carbonization of organic material, which is particularly suitable for the production of high-quality coal with sufficient calorific value from animal biomass as organic material as a feedstock.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst. Demnach wird das Einsatzmaterial aus mehreren, also insbesondere wenigstens zwei, vorzugsweise organischen Komponenten gebildet. Demnach enthält das Einsatzmaterial vorzugsweise wenigstens zwei insbesondere unterschiedliche Komponenten, aus denen gemeinsam das Einsatzmaterial gebildet wird. Mit Komponenten bzw. organischen Komponenten werden dabei vorzugsweise Stoffe oder Stoffmischungen bezeichnet, die in dieser verwendeten Form beispielsweise in der Natur aufgefunden und/oder in dieser Form hergestellt werden und/oder beispielsweise als Abfälle aus anderen Prozessen vorhanden sind. Durch eine Mischung von wenigstens zwei Komponenten können die Eigenschaften der Zusammensetzung derart angepasst werden, dass im Ergebnis ein hochwertiges, Kohle zumindest ähnliches Produkt hergestellt wird. Die Parameter der hydrothermalen Karbonisierung sind dazu gegebenenfalls geeignet anzupassen.The problem underlying the invention is achieved by a method with the measures of claim 1. Accordingly, the feedstock from several, ie in particular at least two, preferably organic components formed. Accordingly, the feedstock preferably contains at least two, in particular, different components from which the feedstock is co-formed. With components or organic components preferably substances or mixtures are referred to, which are found in this form used, for example in nature and / or produced in this form and / or for example as waste from other processes are available. Through a mixture of at least two components, the properties of the composition can be adjusted in such a way that, as a result, a high-quality product, at least similar to coal, is produced. If necessary, the parameters of the hydrothermal carbonization can be adapted accordingly.
Insbesondere wird das Einsatzmaterial zumindest im Wesentlichen aus zwei oder mehr Komponenten, insbesondere organischen Komponenten, gebildet. Dabei sind die Komponenten vorzugsweise verschieden, weisen also insbesondere unterschiedliche chemische Bestandteile und/oder eine unterschiedliche Struktur und/oder Zusammensetzung und/oder Konsistenz etc. auf. Durch lediglich zwei Komponenten als Hauptbestandteile lassen sich die Eigenschaften der Zusammensetzung des Einsatzmaterials besonders gut reproduzierbar beeinflussen. Es können jedoch auch mehr als zwei, insbesondere drei, vier, fünf, sechs oder mehr Komponenten zusammengegeben werden. Sichergestellt sein muss dabei lediglich, dass die Eigenschaften in Bezug auf die Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung definiert und vorzugsweise reproduzierbar eingestellt werden können.In particular, the feedstock is at least substantially formed from two or more components, in particular organic components. In this case, the components are preferably different, ie in particular have different chemical constituents and / or a different structure and / or composition and / or consistency, etc. By only two components as main components, the properties of the composition of the feed can be particularly well reproducible influence. However, more than two, in particular three, four, five, six or more components can be combined. All that needs to be ensured is that the properties with regard to the implementation of the hydrothermal carbonization can be defined and preferably set reproducibly.
Bevorzugt wird das Einsatzmaterial wenigstens aus zumindest einer nassen bzw. wässrigen vorzugsweise organischen Komponente und zumindest einer trockenen vorzugsweise organischen Komponente gebildet. Weiter bevorzugt werden zumindest im Wesentlichen jeweils genau eine wässrige Komponente und eine trockene Komponente zusammengegeben. Als wässrige Komponente bzw. nasse (wässrige) Biomasse werden wasserhaltige organische Materialien bzw. Stoffe bezeichnet. Der Wassergehalt beträgt dabei im Allgemeinen wenigstens 15 Prozent, kann aber auch geringer sein. Das Wasser kann in angelagerter oder auch gebundener Form in dem Einsatzmaterial vorhanden sein. Als sogenannte trockene Komponenten bzw. trockene Biomasse bezeichnet man organische Materialien mit einem geringen Wassergehalt von insbesondere höchstens 15 Prozent, wie vorzugsweise Holz, abgestorbene bzw. trockene Pflanzenteile etc. Es können bevorzugt sowohl feste (z. B. Holz, Biomüll, Pflanzenbestandteile) wie auch flüssige (z. B. Öle, wie Rapsöl etc.) als wässrige bzw. trockene Komponenten einzeln oder in Kombination miteinander verwendet werden.Preferably, the feedstock is formed from at least one of a wet or aqueous, preferably organic, component and at least one dry, preferably organic, component. More preferably, at least substantially each exactly one aqueous component and a dry component are combined. As an aqueous component or wet (aqueous) biomass, water-containing organic materials or substances are referred to. The water content is generally at least 15 percent, but may also be lower. The water may be present in attached or bound form in the feedstock. As so-called dry components or dry biomass is called organic materials with a low water content of in particular at most 15 percent, such as preferably wood, dead or dry plant parts, etc. It can Preferably both solid (eg wood, organic waste, plant constituents) and liquid (eg oils, such as rapeseed oil etc.) are used as aqueous or dry components individually or in combination with each other.
Als eine der Komponenten wird bevorzugt eine trockene Komponente verwendet. Es wird dabei insbesondere ein aus Zellulose bestehendes Einsatzmaterial verwendet. Dabei handelt es sich vorzugsweise zumindest teilweise um Holz, insbesondere um zerkleinertes Holz, beispielsweise in Form von Sägespänen. Holz weist einen hohen Zellulosegehalt auf bzw. besteht praktisch nahezu vollständig aus Zellulose. Diese Kohlenstoffverbindungen bzw. polymeren Kohlenhydrate lassen sich gut und insbesondere nahezu vollständig bei der hydrothermalen Karbonisierung umsetzen. Durch eine Zerkleinerung, beispielsweise als Sägespäne oder Ähnlichem, wird vorzugsweise für eine feine Verteilbarkeit gesorgt. Außerdem wird die chemisch aktive Oberfläche des Einsatzmaterials vergrößert. Vorzugsweise findet eine Vermischung der Komponenten vor Beginn der hydrothermalen Karbonisierung statt.As one of the components, a dry component is preferably used. In particular, a feedstock consisting of cellulose is used. These are preferably at least partially wood, in particular comminuted wood, for example in the form of sawdust. Wood has a high cellulose content or consists almost completely of cellulose. These carbon compounds or polymeric carbohydrates can be reacted well and in particular almost completely in hydrothermal carbonation. By comminution, for example, as sawdust or the like, is preferably provided for a fine dispersibility. In addition, the chemically active surface of the feedstock is increased. Preferably, a mixing of the components takes place before the start of the hydrothermal carbonization.
Bevorzugt wird als eine der Komponenten ein nasses bzw. wässriges Material, insbesondere Biomasse, verwendet. Es handelt sich dabei beispielsweise um organische, insbesondere pflanzliche und tierische Reststoffe bzw. Abfälle. Außerdem kommen vorzugsweise Lebensmittelreste in Betracht, wie insbesondere Biomüll, also der Inhalt der so genannten Biotonnen bzw. Biomülltonnen. Vorzugsweise wird aber Klärschlamm verwendet. Die Bestandteile der wässrigen Biomasse sind unter anderem insbesondere Kleinstlebewesen, Bakterien, Algen etc. In der wässrigen Biomasse ist vorzugsweise eine Trockenmasse von höchstens 85 Prozent enthalten, also umgekehrt ein Wassergehalt von mindestens 15 Prozent vorhanden. Bevorzugt sind höchstens 50 Prozent, besonders bevorzugt höchstens 10 Prozent Trockenmasse enthalten.A wet or aqueous material, in particular biomass, is preferably used as one of the components. These are, for example, organic, in particular vegetable and animal residues or waste. In addition, preferably food residues come into consideration, such as in particular organic waste, so the content of the so-called biotones or biowaste bins. Preferably, however, sewage sludge is used. The constituents of the aqueous biomass include, in particular, microorganisms, bacteria, algae, etc. The aqueous biomass preferably contains a dry mass of not more than 85 percent, that is, conversely, a water content of at least 15 percent. Preferably, at most 50 percent, more preferably at most 10 percent dry matter are included.
Die beiden Komponenten werden vorzugsweise in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander zum Einsatzmaterial zusammengegeben. Es können jedoch auch noch zusätzliche mehr oder weniger geringere Mengen einer weiteren, insbesondere organischen Komponente hinzugefügt werden. Das Verhältnis der Anteile der Komponenten zueinander wird üblicherweise über das Verhältnis der Massen-, Molmassen- und/oder Volumenanteile bestimmt. Bevorzugt wird hier das Verhältnis der organischen Komponenten zueinander auf zwischen 1 zu 99 und 99 zu 1 bestimmt. Dies bedeutet, dass zwischen 1 und 99 Prozent der einen Komponente und entsprechend zwischen 99 und 1 Prozent der anderen Komponente zusammengegeben werden. Insbesondere kann das Verhältnis auch zwischen 5 zu 95 und 50 zu 50 betragen. Weiter bevorzugt beläuft sich das Verhältnis auf zwischen 10 zu 90 und 30 zu 70. Besonders bevorzugt beträgt das Verhältnis etwa 20 zu 80. Vorzugsweise wird für den größeren Anteil die wässrige Komponente verwendet, während lediglich der kleinere Anteil von typischerweise etwa 1 Prozent bis 30 Prozent der trockenen Komponente zugegeben wird. Damit lassen sich die Eigenschaften des aus der Zusammengabe der Komponenten resultierenden Einsatzmaterials bzw. organischen Materials variieren. Außerdem wird lediglich ein vergleichsweise geringerer Anteil der hochwertigen trockenen Biomasse benötigt. Vorzugsweise beträgt dieser Anteil nicht mehr als etwa 30 Prozent der Gesamtmasse des Einsatzmaterials. Gegebenenfalls können die Komponenten aber auch außerhalb der angegebenen Grenzen in einem beliebigen Mischungsverhältnis zugegeben werden, sofern sich entsprechende Vorteile ergeben.The two components are preferably combined in a predetermined ratio to each other to the feedstock. However, it is also possible to add additional more or less smaller amounts of a further, in particular organic component. The ratio of the proportions of the components to one another is usually determined by the ratio of the mass, molar mass and / or volume fractions. Preferably, the ratio of the organic components to one another is determined to be between 1: 99 and 99: 1. This means that between 1 and 99 percent of one component and accordingly between 99 and 1 percent of the other component are merged. In particular, the ratio may also be between 5 to 95 and 50 to 50. More preferably, the ratio is between 10 to 90 and 30 to 70. More preferably, the ratio is about 20 to 80. Preferably, the aqueous component is used for the major portion, while only the minor portion is typically about 1 to 30 percent the dry component is added. This makes it possible to vary the properties of the feedstock or organic material resulting from the combination of the components. In addition, only a relatively small proportion of the high-quality dry biomass is needed. Preferably, this proportion is not more than about 30 percent of the total mass of the feedstock. Optionally, however, the components may also be added outside the specified limits in any desired mixing ratio, provided that corresponding advantages result.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird wenigstens eine der Komponenten behandelt bzw. vorbehandelt. Dies erfolgt vorzugsweise vor Zugabe zum Einsatzmaterial. Das Behandeln bzw. Vorbehandeln erfolgt insbesondere durch einen Faulprozess, ein Mischen, ein Trocknen, ein Wässern, ein Zerkleinern und/oder ein Homogenisieren. Grundsätzlich können alle denkbaren chemischen und/oder biologischen und/oder mechanischen Behandlungen allein oder in Kombination Anwendung finden. Sofern es sich bei der Komponente um Klärschlamm handelt, kann vorzugsweise eine Vorbehandlung in einer Kläranlage durch die dort üblichen Verfahren erfolgen. Somit wird wenigstens ein Klärprozess durchgeführt. Dies bedeutet, dass wenigstens einer der üblichen Umwandlungsprozesse einer Kläranlage, also insbesondere Fermentationen, Filtrationen, biologische Umwandlungen mittels Bakterien, Trocknungen etc. auch hier geführt werden. Insbesondere wird Klärschlamm als Komponente einer Kläranlage entnommen.In a preferred embodiment of the invention, at least one of the components is treated or pretreated. This is preferably done before adding to the feed. The treatment or pretreatment is carried out in particular by a digestion process, mixing, drying, watering, comminution and / or homogenization. In principle, all conceivable chemical and / or biological and / or mechanical treatments can be used alone or in combination. If the component is sewage sludge, a pretreatment in a sewage treatment plant can preferably be carried out by the processes customary there. Thus, at least one clarification process is performed. This means that at least one of the usual conversion processes of a sewage treatment plant, ie in particular fermentations, filtrations, biological conversions by means of bacteria, Drying, etc. are also performed here. In particular, sewage sludge is taken as a component of a sewage treatment plant.
Bevorzugt wird das Einsatzmaterial vor dem und/oder während des Prozesses der hydrothermalen Karbonisierung behandelt bzw. vorbehandelt. Dies erfolgt vorzugsweise vor Zugabe zum Einsatzmaterial. Das Behandeln bzw. Vorbehandeln erfolgt insbesondere durch einen Faulprozess, ein Mischen, ein Trocknen, ein Wässern, einem Zerkleinern und/oder einem Homogenisieren. Grundsätzlich können alle denkbaren chemischen und/oder biologischen und/oder mechanischen Behandlungen allein oder in Kombination Anwendung finden. Sofern es sich bei dem Einsatzmaterial zumindest teilweise um Klärschlamm handelt, kann vorzugsweise eine Vorbehandlung in einer Kläranlage durch die dort üblichen Verfahren erfolgen. Somit wird insbesondere wenigstens ein Klärprozess bzw. Kläranlagenprozess durchgeführt. Dies bedeutet, dass wenigstens einer der üblichen Umwandlungsprozesse einer Kläranlage, also insbesondere Fermentationen, Filtrationen, biologische Umwandlungen mittels Bakterien, Trocknungen etc. auch hier geführt werden. Insbesondere wird Klärschlamm als Komponente des Einsatzmaterials einer Kläranlage entnommen.Preferably, the feedstock is treated prior to and / or during the hydrothermal carbonation process. This is preferably done before adding to the feed. The treatment or pretreatment is carried out in particular by a digestion process, mixing, drying, watering, comminution and / or homogenization. In principle, all conceivable chemical and / or biological and / or mechanical treatments can be used alone or in combination. If the feedstock is at least partly sewage sludge, a pretreatment in a sewage treatment plant can preferably be carried out by the usual methods there. Thus, in particular, at least one clarification process or sewage treatment process is carried out. This means that at least one of the usual conversion processes of a sewage treatment plant, ie in particular fermentations, filtrations, biological conversions by means of bacteria, drying, etc., are also conducted here. In particular, sewage sludge is taken as a component of the feedstock of a sewage treatment plant.
Insbesondere wird der Wassergehalt des Einsatzmaterials und/oder der wenigstens einen Komponente vor Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung bzw. vor der Vermischung mit weiteren vorzugsweise organischen Komponenten verändert. Bevorzugt wird ein Wassergehalt von maximal 95 Prozent eingestellt. Dies entspricht folglich einer Trockenmasse von mindestens 5 Prozent. Vorzugsweise beträgt der Wassergehalt maximal 80 Prozent, besonders bevorzugt maximal 70 Prozent. Zur Veränderung bzw. Anpassung des Wassergehaltes muss insbesondere entsprechend Wasser zugesetzt oder entzogen werden. Dazu können einerseits eine Zugabe von Wasser und andererseits Prozesse wie eine Trocknung, eine Filtration, eine Verdampfung und/oder Ähnliches angewendet werden. Insbesondere wird der Wassergehalt derart eingestellt, dass eine Wasserzugabe zur Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung nicht erforderlich ist. Vorzugsweise entspricht der Wassergehalt des Einsatzmaterials gerade dem erforderlichen, idealen Wassergehalt zum Starten der Reaktion des Einsatzmaterials in Kohle und die flüssige Phase.In particular, the water content of the feedstock and / or the at least one component is changed before carrying out the hydrothermal carbonization or before mixing with further preferably organic components. Preferably, a maximum water content of 95 percent is set. This corresponds to a dry matter of at least 5 percent. Preferably, the water content is at most 80 percent, more preferably at most 70 percent. In order to change or adjust the water content, water must be added or removed in particular accordingly. For this purpose, on the one hand, an addition of water and, on the other hand, processes such as drying, filtration, evaporation and / or the like can be used. In particular, the water content is adjusted so that a water addition for carrying out the hydrothermal carbonization is not required. Preferably, the water content of the feedstock is just the required, ideal water content for starting the reaction of the feedstock into coal and the liquid phase.
Die zugrundeliegende Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens gelöst. Die Vorrichtung weist dazu einen Behälter zur Aufnahme des Einsatzmaterials zur Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung im Innern des Behälters auf. Bei dem Behälter handelt es sich dementsprechend insbesondere um einen Druckbehälter.The underlying object of the invention is also achieved by a device for carrying out the method described above. The device has for this purpose a container for receiving the feedstock for carrying out the hydrothermal carbonization in the interior of the container. Accordingly, the container is in particular a pressure vessel.
Vorzugsweise wird die hydrothermale Karbonisierung unter einem Druck von wenigstens 10 bar durchgeführt. Vorzugsweise beträgt der Druck jedoch zwischen 12 bar und 70 bar, weiter bevorzugt zwischen 15 bar und 40 bar, besonders bevorzugt etwa 32 bar. Die Reaktion wird vorzugsweise bei einer Temperatur von wenigstens 180°C durchgeführt, bevorzugt zwischen 200°C und 300°C, weiter bevorzugt zwischen 220°C und 280°C, besonders bevorzugt bei etwa 240°C.Preferably, the hydrothermal carbonization is carried out under a pressure of at least 10 bar. However, the pressure is preferably between 12 bar and 70 bar, more preferably between 15 bar and 40 bar, particularly preferably about 32 bar. The reaction is preferably carried out at a temperature of at least 180 ° C, preferably between 200 ° C and 300 ° C, more preferably between 220 ° C and 280 ° C, most preferably at about 240 ° C.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben: Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur hydrothermalen Karbonisierung von organischem Material bzw. Biomasse. Das organische Material als Einsatzmaterial wird dazu in Anwesenheit von Wasser unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur in Kohle und eine wässrige Flüssigkeit als Reaktionsprodukte umgesetzt. Dabei werden die komplexen Kohlenstoffverbindungen des Einsatzmaterials aufgebrochen und in mehr oder weniger andere komplexe Kohlenstoffverbindungen umgesetzt. Bei diesen Kohlenstoffverbindungen handelt es sich in der Regel um zwei oder mehr gebundene Kohlenstoffatome, häufig kettenförmig, gegebenenfalls aber auch netzförmig. An diesen können noch weitere chemische Bestandteile, aber im Regelfall als einzelne Reste, wie Sauerstoffatome, Wasserstoffatome, Stickstoffatome und Ähnliches, gebunden sein.In the following, a preferred embodiment of the invention is described: The method according to the invention serves for the hydrothermal carbonization of organic material or biomass. The organic material as a feed is reacted in the presence of water under elevated pressure and temperature in carbon and an aqueous liquid as reaction products. The complex carbon compounds of the feedstock are broken up and converted into more or less other complex carbon compounds. These carbon compounds are usually two or more bonded carbon atoms, often in a chain, but possibly also reticulated. At these other chemical constituents, but usually as individual radicals, such as oxygen atoms, hydrogen atoms, nitrogen atoms and the like, be bound.
Als Reaktionsedukte werden zumindest ein organisches Material bzw. Einsatzmaterial und Wasser benötigt. Das Wasser kann auch bereits im Einsatzmaterial enthalten sein, beispielsweise in eingelagerter oder auch teilweise gebundener Form. Dies ist beispielsweise bei nasser bzw. wässriger Biomasse der Fall, wie bei Biomüll, tierischen und/oder pflanzlichen Reststoffen, Algen, oder auch Klärschlamm. Schließlich kann unterstützend noch ein chemischer Katalysator in vergleichsweise geringer Menge (maximal wenige Prozent der Gesamtmasse) hinzugefügt werden, bei dem es sich im Regelfall um eine Säure, wie beispielsweise die Zitronensäure, handelt. Je nach Zusammensetzung des Einsatzmaterials sind allerdings häufig bereits katalytische Verbindungen in ausreichender Menge vorhanden, insbesondere in Form von Kohlensäure.At least one organic material or feedstock and water are required as reaction educts. The water may also already be contained in the feedstock, for example in stored or partially bound form. This is the case, for example, in wet or aqueous biomass, such as organic waste, animal and / or vegetable residues, algae, or sewage sludge. Finally, a relatively small amount of chemical catalyst (maximum of a few percent of the total mass), which is usually an acid such as citric acid, can be added as a support. Depending on the composition of the feedstock, however, catalytic compounds are often already present in sufficient quantities, in particular in the form of carbonic acid.
Im vorliegenden Fall besteht das Einsatzmaterial bzw. organische Material aus wenigstens zwei Komponenten bzw. organischen Komponenten. Es handelt sich hierbei insbesondere um eine wässrige Komponente als Material, wie dies bei Klärschlamm oder auch Algen der Fall ist. Allgemein können auch tierische und pflanzliche Abfälle bzw. Reststoffe gemischt zugegeben werden. Um auch bei diesen wässrigen Komponenten, den sogenannten nassen bzw. wässrigen Biomassen, zufriedenstellende Ergebnisse zu erzielen, wird erfindungsgemäß zusätzlich wenigstens eine zweite trockene (organische) Komponente hinzugegeben. Dabei handelt es sich beispielsweise um ein Zellulosematerial. Holz in Form von Sägespänen eignet sich hierzu besonders gut, weil eine gute Verteilung bei gleichzeitig idealer Eignung für die hydrothermale Karbonisierung gegeben ist. Die wässrige Komponente bzw. wässrige Biomasse bringt bei einer Trockenmasse von maximal etwa 20 Prozent bis 30 Prozent, häufig nur höchstens 10 Prozent, in der Regel hinreichend Wasser mit, um die zugegebene trockene Komponente bzw. trockene Biomasse ebenfalls mit ausreichend Wasser zur hydrothermalen Karbonisierung zu versorgen. Somit kann auf die Zugabe von zusätzlichem Wasser verzichtet werden.In the present case, the feedstock or organic material consists of at least two components or organic components. This is in particular an aqueous component as material, as is the case with sewage sludge or algae. In general, animal and vegetable waste or residues can be added mixed. In order to achieve satisfactory results even with these aqueous components, the so-called wet or aqueous biomasses, according to the invention, at least one second dry (organic) component is additionally added. This is, for example, a cellulosic material. Wood in the form of sawdust is particularly well suited for this purpose because of its good distribution and, at the same time, its ideal suitability for hydrothermal carbonation. The aqueous component or aqueous biomass brings at a dry matter of at most about 20 percent to 30 percent, often only at most 10 percent, usually sufficient water to the added dry component or dry biomass also with sufficient water for hydrothermal carbonation supply. Thus, the addition of additional water can be dispensed with.
Der Anteil der trockenen Komponente im gesamten Einsatzmaterial im Verhältnis zur wässrigen Komponente liegt üblicherweise im Bereich von etwa 10 zu 90 bis zu 30 zu 70. Dies bedeutet insbesondere, dass 10 bis 30 Teile der trockenen Komponente auf jeweils etwa zwischen 90 bis 70 Teile der wässrigen bzw. trockenen Komponente kommen. Das entsprechende Mischungsverhältnis dient zur Einstellung der jeweils gewünschten bzw. erforderlichen Beschaffenheit.The proportion of the dry component in the entire feedstock relative to the aqueous component is usually in the range of about 10 to 90 to 30 to 70. This means in particular that 10 to 30 parts of the dry component to each about 90 to 70 parts of the aqueous or dry component come. The appropriate mixing ratio is used to set the respectively desired or required condition.
Um die Reaktion der hydrothermalen Karbonisierung optimal durchführen zu können, erfolgt eine Behandlung bzw. Vorbehandlung des Einsatzmaterials bzw. der wenigstens einen Komponente desselben. Insbesondere die wässrigen Komponenten bzw. der Klärschlamm werden üblicherweise auf mechanischen, biologischen und/oder chemischen Wege vorbehandelt. Bei der mechanischen Behandlung handelt es sich insbesondere um Filtrationen, Mischungen, Zerkleinerungen, aber auch die Zugabe und/oder den Entzug von Wasser. Als chemische Behandlung kommen die Zugabe unterschiedlicher Chemikalien ebenso wie die teilweise Umsetzung in chemischen Prozessen in Betracht. Im Rahmen biologischer Prozesse können beispielsweise Umwandlungen bzw. Verstoffwechselungen durch Kleinstlebewesen, Bakterien, Algen etc. erfolgen, also Fermentationen. Sowohl die Kleinstlebewesen wie auch deren Abbauprodukte werden dann dem Einsatzmaterial als wässrige Komponente zugeführt.In order to carry out the reaction of the hydrothermal carbonization optimally, a treatment or pretreatment of the feedstock or of the at least one component thereof takes place. In particular, the aqueous components or the sewage sludge are usually pretreated by mechanical, biological and / or chemical means. The mechanical treatment is, in particular, filtrations, mixtures, comminutions, but also the addition and / or removal of water. As a chemical treatment, the addition of different chemicals as well as the partial implementation in chemical processes into consideration. In the context of biological processes, for example, transformations or metabolism can be carried out by microorganisms, bacteria, algae, etc., ie fermentations. Both the microorganisms and their degradation products are then fed to the feed as an aqueous component.
Das trockene Einsatzmaterial bzw. die trockene Komponente, beispielsweise das Holz, wird insbesondere zerkleinert, vorzugsweise kleingehäckselt und/oder in Form von Sägespänen zugegeben. Ebenfalls kann beispielsweise auch eine Vorbehandlung des Einsatzmaterials bzw. einer Komponente durch Zugabe von Chemikalien oder ähnlichem erfolgen.The dry feedstock or the dry component, for example the wood, is in particular comminuted, preferably chopped and / or added in the form of sawdust. Likewise, for example, a pretreatment of the feedstock or a component by addition of chemicals or the like can take place.
Auch das aus mehreren Komponenten bestehende Einsatzmaterial kann entsprechend auf mechanischen und/oder chemischen und/oder biologischen Wege vor- bzw. nachbehandelt werden. Um eine möglichst vollständige Reaktion zu ermöglichen, muss zumindest eine Vermischung der Komponenten miteinander erfolgen. Diese sorgt dafür, dass die Reaktionsbedingungen zumindest nahezu im gesamten Reaktorvolumen bezüglich der Mischung der Reaktionsedukte wenigstens im Wesentlichen gleich sind. Damit kann möglicherweise eine Änderung der lokalen Prozessparameter und/oder eine zeitabhängige Änderung derselben im Laufe der Reaktion, insbesondere Temperatur und Druck, entfallen, zumindest aufgrund einer uneinheitlichen Materialzusammensetzung.The multi-component feedstock may also be pre-treated or post-treated according to mechanical and / or chemical and / or biological means. In order to allow as complete a reaction as possible, at least a mixing of the components must be carried out together. This ensures that the reaction conditions are at least substantially the same in at least almost the entire reactor volume with respect to the mixture of Reaktionsedukte at least. This may possibly eliminate a change in the local process parameters and / or a time-dependent change in the course of the reaction, in particular temperature and pressure, at least due to a nonuniform material composition.
Die Bedingungen erhöhten Drucks und erhöhter Temperatur zur Durchführung der hydrothermalen Karbonisierung werden schließlich in einem gas- und druckdicht verschließbaren Druckbehälter hergestellt. Während der Reaktion herrscht ein Druck in dem Behälter von üblicherweise etwa 25 bar bis 35 bar und eine Temperatur von etwa 230°C bis 250°C. Da die Reaktion exotherm verläuft, also Wärme an die Umgebung abgibt, wird die Reaktion nach dem anfänglichen Anstoßen durch Aufheizen des Behälters in der Regel selbständig ablaufen, da mehr als hinreichend Wärmeenergie aus dem Prozess nachgeliefert wird. Im Allgemeinen wird sogar zusätzlich eine Kühlung wie beispielsweise durch einen Kühlkreislauf vorgesehen werden müssen, um die überschüssige Wärme abzuführen. Nach etwa 2 bis 8 Stunden befindet sich typischerweise mehr als 90 Prozent des Kohlenstoffs des Einsatzmaterials in der Kohle, so dass die Reaktionsprodukte entnommen werden können. Die resultierende Kohle wird dazu aus der wässrigen Flüssigkeit entnommen, beispielsweise durch Filtrieren, Zentrifugieren, Pressen, Trocknen und/oder Ähnlichem.The conditions of increased pressure and elevated temperature for carrying out the hydrothermal carbonization are finally produced in a gas and pressure-tight sealable pressure vessel. During the reaction, a pressure prevails in the container of usually about 25 bar to 35 bar and a temperature of about 230 ° C to 250 ° C. Since the reaction is exothermic, that is, gives off heat to the environment, the reaction after initial initiation by heating the container will usually be self-contained, as more than sufficient heat energy from the process will be replenished. In general, even cooling, such as through a cooling circuit, will have to be additionally provided to dissipate the excess heat. After about 2 to 8 hours, typically more than 90 percent of the carbon of the feed is in the coal so that the reaction products can be withdrawn. The resulting coal is for this purpose removed from the aqueous liquid, for example by filtration, centrifuging, pressing, drying and / or the like.
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