DE102011106066A1 - Energieeffieziente Sorptionstrocknungsverfahren auf der Basis von dampfdrucksenkenden, konzentrierten Kaliumcarbonatlösungen unter Nutzung selektiver Chemiesorption mit Niedertemperatur-Wärmequellen - Google Patents

Abstract

Das nachfolgend beschriebene Verfahren ermöglicht das Trocknen flüssiger und fester Güter unter Nutzung von Sorptionsspeichern. Die Sorptionsspeicher wirken dabei als chemische Wärmepumpe und als selektives Chemiesorbens. So kann bei hohen Temperaturen, also mit hoher Kinetik getrocknet werden, wobei als Hauptwärmequelle Niedertemperaturwärme zwischen 50°C und 100°C eingesetzt werden kann. Die Trocknung kann bei etwa Umgebungsdruck (Normaldruck von 101,3 kPa ± Luftdruckschwankungen) durchgeführt werden. Kennzeichnend ist, das durch die Sorption des Wasserdampfes in Verbindung mit dessen Phasenübergang Latentwärme in physikalische Wärme umgewandelt wird (Temperaturerhöhung), welche wieder als Verdampfungswärme im Prozess eingesetzt wird. Bei dieser Sorption wird im Fall von Begleitstoffen wie Ammoniak, organischen Säuren usw. entweder eine Salzbildung und Sorption in der Lösung (Säuren) oder eine Stofftrennung (z. B. bei Ammoniak) durch die Selektive Sorption des Wassers erreicht. Der Wärmeeintrag in das System zum Ausgleich von Umgebungsverlusten muss auf Hochtemperaturniveau (100°C) erfolgen, der Hauptanteil der Wärme wird jedoch auf Niedrigtemperaturniveau zum Austreiben des Wassers aus dem Sorptionsspeicher (Regeneration) benötigt. Dabei stellt der Sorptionsspeicher im Prozess einen Kurzzeitenergiespeicher (physikalische Wärme) dar. Durch die Möglichkeit der zeitlichen und räumlichen Entkopplung von Sorptionstrocknung und Regeneration kann der Sorptionsspeicher auch als Langzeit-Energiespeicher genutzt werden. Wenn keine Abwärme zur Verfügung steht, besteht auch die Möglichkeit der Regeneration über Wärmepumpen (Brüdenverdichtung). So können die Vorteile der selektiven Chemiesorption auch an solchen Standorten ohne Abwärme ausgenutzt werden. Grundlage für die Sorptionstrocknung sind die kolligativen Eigenschaften von Alkalilösungen, bevorzugt Kaliumkarbonatlösungen, die zu einer Verschiebung des Dampfdruckgleichgewichtes von Wasser führen. Zur schnellen Einstellung dieser Gleichgewichte sind große Grenzflächen nötig. Diese werden durch Füllkörperkolonnen oder elektrostatisch geladene Aerosole realisiert. Die technische Durchführung der Regeneration erfolgt durch Kontakt von beheizter Salzlösung mit Luft und der damit verbunden Verdunstung in Rieselkolonnen oder Scheibenverdampfern. Bei Fehlen von günstigen Wärmequellen können auch Wärmepumpen in Verbindung mit Walzenverdampfern (oder ggf. auch elektrostatische Sprühtrockner) zum Einsatz kommen.

Description

• Einleitung
• Einsatzgebiet des Verfahrens stellen Trocknungs- und/oder weitere Stofftrennungsanwendungen dar. Dabei wird die wasserdampfdruck-senkende Wirkung von Kaliumcarbonatlösung sowie die selektive Chemiesorption zum gekoppelten Stoff- und Energietransport genutzt.
• Bevorzugt sind dabei Fälle, in denen Wärmequellen zum Einsatz kommen, deren Temperaturniveau unter 100°C liegt.
• Beispiele, bei denen eine solche Kombination besonders sinnvoll ist, stellen folgende Anwendungsfälle dar:
• • quantitative oder anteilige Entfernung von Wasser aus Gülle, Gärresten, ammoniumhaltigen Abwässern, Klärschlamm u. ä, insbesondere in Verbindung mit der Herstellung von Düngemitteln und/oder Energierohstoffen.
• • Abreicherung von Wasser aus festen Rohstoffen, Energieträgern, Futtermitteln, Nahrungsmitteln, Wirtschaftsgütern o. ä. insbesondere dann, wenn bei der Trocknung mit Gerüchen oder anderen Emissionen zu rechnen ist.
• • Rückgewinnung von Wasser und Wärmeenergie aus dem Wasserdampf von Abluft bzw. Brüden bei gleichzeitiger Chemiesorption von Geruchstoffen oder anderen Emissionen.
• Stand der Technik
• Trocknungsverfahren für wasserhaltige Stoffe, die Wärmequellen nutzen, deren Temperatur unterhalb des Siedepunktes von Wasser liegt (bei Normaldruck also unter 100°C) arbeiten meist nach dem Prinzip der Konvektionstrocknung (Wärmetransport über Luft), als Kontakttrocknung/Eindampfverfahren unter Absenkung des Druckes (Siedepunktverschiebung). Letzteres kann mit Sorptionsspeichern (z. B. Zeolithe) kombiniert werden.
• Nachteile des Standes der Technik
• Alle o. g. Methoden ist zu eigen, das entweder große Mengen an Wärmeenergie zum Aufheizen von Luft (bei Konvektionstrocknung) oder höherwertige Energieformen wie z. B. elektrische/mechanische Energie zum Verrichten von Volumenarbeit (Gasarbeit) aufgewendet werden müssen. Bei der Verwendung von Zeolith basierten Sorptionsspeichern wird zur Regeneration der Sorptionspeicher Wärme auf sehr hohem Temperaturniveau benötigt. Durch das niedrige Temperaturniveau ist die Kinetik der Trocknung bzw. Stofftrennung gering, was geringe Raum-Zeit-Ausbeuten der Apparaturen und damit hohe spezifische Investitionskosten zur Folge hat.
• Brüden, Abluft, Kondensate o. ä. müssen in der Regel aufwendig nachbehandelt werden (z. B. Ammoniakentfernung aus Brüden der Gärresttrocknung oder Geruchsbeseitigung aus Abluft von Futtertrocknung). Die Abluft von Trocknungsprozessen und deren Ableiteinrichtungen stellen zudem oft eine Quelle unerwünschter Keimentwicklung dar.
• Aufgabe des Verfahrens
• Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit auf der Basis von Niedertemperatur-Wärme Trocknungsvorgänge bei höheren Temperaturen zu fahren als sie die Wärmequelle selbst aufweist. Dabei weisen die Stoff- und Energietransporte aufgrund der hohen Temperaturen auch eine höhere Kinetik auf, wodurch die Raum-Zeit-Ausbeute der Apparaturen steigt. Dies wirkt sich kastendämpfend auf die Investition in die dazu notwendige Apparaturen aus. Die gleichzeitige Realisierung von Wärmerückgewinnung (Latentwärme) und Stofftrennung in einem Prozessschritt stellt eine starke Verkürzung der Prozessketten durch den Wegfall von Abluftbehandlungen o. ä. dar.
• Hygienische Probleme durch Bakterien und Pilze werden minimiert. Bei vielen Anwendungen werden Rohstoffe gewonnen, die in herkömmlichen Verfahren auf Grund ihrer Verdünnung oder Vermischung als Abfall entsorgt oder teuer behandelt werden müssen.
• Lösung der Aufgabe
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass:
• • das zu entwässernde Gut (bei festen oder flüssigen Gütern) erwärmt wird, sodass sich ein erhöhter Wasserdampf-Partialdruck in der umgebenden Gasphase ausbildet. Im Grenzfall ist das reiner Wasserdampf. Der Wärmeeintrag in das zu trocknende Gut erfolgt bevorzugt durch folgende technische Ausführungen:
• • überwiegend Kontaktübertragung, also durch Wärmeleitung, dabei wird das Gut auf der einen Seite einer wärme-leitfähigen Trennwand vorbeigeführt und warme Kaliumcarbonatlösung oder ein Wärme-Vermittlungsmedium (z. B. Dampf der von der heißen Kaliumcarbonatlösung erzeugt wurde) auf der anderen Seite der Trennwand vorbeigeführt wird. Beispiele dafür sind die in den technischen Ausführungsbeispielen genannten Walzentrockner (Innenbeheizt) oder Spiralentrockner/Trommeltrockner (außen beheizt). Elemente von Konvektions- und Strahlungstrocknung sind in diesen Ausführungen ebenfalls vorhanden, jedoch dominiert die Wärmeleitung.
• • Konvektionstrockner, bevorzugt solche, bei denen die zum Stoff- und Energietransport notwendige Luft (oder ein anderes gasförmiges Trägermedium) im Kreislauf gefahren wird.
• • Das von Wasser abgereicherte Zielprodukt wird ausgeschleust.
• • Die Gasphase wird mit Kaliumcarbonatlösung in Kontakt gebracht, wobei große Kontaktflächen geschaffen werden. Dazu sind folgende technische Ausführungen bevorzugt:
• • Verrieselung in die Gasphase mit oder ohne Füllkörper, wobei die nachfolgende Trennung von Gas- und Flüssigphase durch mechanische Effekte wie Schwerkraft, Fliehkraft o. ä. erfolgt.
• • feines Versprühen von Kaliumcarbonatlösung in die Gasphase, bevorzugt wird die Lösung zuvor elektrostatisch aufgeladen, wobei Feldionisation oder Leitungsionisation (die Flüssigkeit stellt den technischen Pluspol dar), besonders bevorzugt Leitungsionisation angewendet wird. Die Trennung von der Gas- und Flüssigphase erfolgt dann an der Abscheideelektrode, die bevorzugt als Strömungsreaktor (Rohr) und/oder als Fliehkraftabscheider (Zyklon) ausgeführt ist. Der Vorteil der Fliekraftabscheidung besteht neben zusätzlichen mechanischen Abscheidungseffekten darin, dass sich die Stoffströme der Gas- und Flüssigphasen nach der Abscheidung nicht mehr kreuzen und so eine Rückvermischung minimiert wird.
• • einen Film bildende, rotierende Scheiben oder saugfähige, umlaufende Gewebe und ähnliche mechanische Vorrichtungen
• Durch den Kontakt der Kaliumcarbonatlösung mit der Gasphase kommt es an der Grenzfläche zu einer Wechselwirkung. Diese wird bestimmt durch das Dampfdruckgleichgewicht zwischen der konzentrierten (50–100% Sättigung, bevorzugt 95% Sättigung) Kaliumcarbonatlösung und dem Wasserdampf (Partialdruck) in der Gasphase. Die Wechselwirkung besteht in einer Absenkung des Dampfdrucks bzw. des Partialdrucks des Wassers in der Gasphase. So kommt es zu einer teilweisen bis quantitativen Abscheidung von Wasser in der Kaliumcarbonatlösung. Damit einhergehend kommt es durch den Phasenübergang des Wassers zur Umwandlung von latenter Wärme in physikalische Wärme. Dies bewirkt einen Temperaturanstieg in der Kaliumcarbonatlösung und, wenn vorhanden, in der Gasphase (bei quantitativer Abscheidung von reinem Dampf verschwindet die Gasphase).
• • Im Falle einer verbleibenden Gasphase wird diese entweder als Umlaufgas genutzt (Konvektionstrocknung) bzw. einem weiteren Reaktor zugeleitet, in welchem die verbleibenden Gase zu Produkten umgesetzt (z. B. zu Ammoniumhydrogencarbonat im Falle von Gülleeindampfung) oder von einem weiteren Sorptionsmittel (z. B. einer Säure) resorbiert werden.
• • die Energie der erwärmten Lösung bzw. der erwärmten Gasphase dem zu trocknenden Gut zugeführt wird.
• • Die sich durch die Resorption von Wasser verdünnende Lösung durch Zugabe von kristallinem Kaliumcarbonat auf hoher Konzentration gehalten wird. Wobei das Überschussvolumen zur Herstellung des kristallinen Kaliumcarbonates einer Regeneration (Wasserabreicherung) zugeführt wird, wobei
• • die Regenration bevorzugt mit Niedertemperaturwärme, besonders bevorzugt mit Abwärme aus Energieumwandlungsprozessen (z. B. Abwärme aus Biogasanlagen, Kraftwerken etc.) oder Industrieprozessen durchgeführt wird, wobei der Regenerator gleichzeitig die Funktion eines Kühlturms übernehmen kann. Die Regeneration erfolgt durch Verdunstung von Wasser in Luft an der Grenzfläche Kaliumcarbonatlösung-Luft. Die dafür notwendige Phasenumwandlungswärme wird dabei in die Flüssigkeit eingekoppelt. Dazu wird in einem Reaktor die Kaliumcarbonatlösung so mit Luft zusammen gebracht, dass eine möglichst große Grenzfläche zu einer schnellen Einstellung des Dampfdruckgleichgewichtes (welches bei ca. 40% rel. Luftfeuchte liegt) führt. Hierzu werden bevorzugt Rieselverdampfer, Scheibenverdampfer o. ä. benutzt, bei denen die Separation des gebildeten kristallinen Kaliumcarbonates gut gelingt. Die Abluft der Regenration wird bevorzugt zur Vorwärmung der in den Regenerator zugeführten Luft genutzt. Weiterhin kann die in der Abluft enthalte Wärme (vorwiegend Latentwärme) für Niedertemperaturanwendungen (Fussbodenheizung, Fermenterheizung o. ä.) nochmals genutzt werden (Kaskadennutzung). Dabei fällt zusätzlich Kondensat an, welches – ggf. nach Mineralisierung – als Brauchwasser genutzt werden kann. Die zur Regeneration notwendige Abwärme muss nicht zwingend am Standort zur Verfügung stehen, da die Kaliumcarbonatlösung zur Wärmequelle und das kristalline Kaliumcarbonat zur Apparatur transportiert werden kann. Das Kaliumcarbonat dient somit als Sorptionsspeicher hoher Speicherdichte.
• • die Regeneration mit Hilfe von Brüdenkompression (siehe technisches Ausführungsbeispiel) stattfindet, bevorzugt in den Fällen, bei denen keine Abwärme zur Verfügung steht (z. b. bei der Gülleindampfung).
• • Die Kaliumcarbonatlösung bei Erschöpfung des basischen Puffers durch thermische Läuterung recycelt wird, d. h. die Lösung wird eingedampft und die organischen Bestandteile werden verbrannt, so dass danach Kaliumcarbonat als Asche verbleibt, welches wieder eingesetzt wird.
• • Oder an Stelle der thermischen Läuterung eine nasschemische Oxidation mit Hilfe von Oxidationsmitteln wie Wasserstoffperoxid – ggf. unter Zufuhr von energiereicher Strahlung zur Bildung von Hydroxylradikalen- bzw. durch elektrolytische Oxidation der Organik, bevorzugt an Diamantelektroden bei Stromdichten von 70–300 mA/cm² erfolgt.
• • Sulfide aus der Lösung durch Fällungsrektionen, bevorzugt durch Fe(II)-Ionen ausgefällt und separiert werden.
• Vorteile gegenüber dem Stand der Technik
• Für den Energieverbrauch des Gesamtprozesses (Sorption und Regeneration) ist der Regenerationsprozess maßgeblich. Durch die Einkopplung der Wärme in die Flüssigkeit – an Stelle von Luft – ist neben der geringeren notwendigen Wärmetauscherfläche (durch den besseren Wärmeübergangswert) auch der notwendige Energiebetrag zur Entfernung des Wassers geringer als bei Konvektionstrocknung von Gütern, da der Anteil mit erwärmter Luft wesentlich geringer ist. Hier entfällt nämlich der Nachteil der geringen Wärmekapazität von Luft. Außerdem ist auch die Rückgewinnung der physikalischen Wärme der Abluft wesentlich vereinfacht (geringere Volumenströme, verschmutzungsarme Abluft). Durch die höheren Temperaturen während der Trocknung und der Chemiesorption kann bei der erhöhten Temperatur (Die Lösung wirkt als „chemische Wärmepumpe”) eine verbesserte Kinetik zur Verkleinerung der Apparatur bzw. zur Erhöhung der Raum-Zeit-Ausbeute gegenüber herkömmlichen Konvektionstrocknungsverfahren genutzt werden.
• Aufgrund der hohen Basizität der Kaliumcarbonatlösung bleiben – durch für Bakterien und Pilze lebensfeindliche Bedingungen – stets hygienische Bedingungen gewahrt. Eine zeitliche und/oder räumliche Entkopplung von Wärmebereitstellung und Sorptionstrocknung/Chemiesorption ist auf Grund der hohen Speicherdichte des Sorptionsspeichers Kaliumcarbonat und der daraus resultierenden Transportwürdigkeit gegeben.
• Es gibt keine direkte Verbindung zwischen zu trocknendem Gut und der Umgebungsluft. Das Wasser geht immer den „Umweg” über die Lösung. Dort werden viele Geruchsstoffe in Folge Chemiesorption (meist Salzbildung) zurückgehalten, sodass insgesamt eine starke Reduktion der Immissionen in die Umwelt resultiert. Stofftrennungen wie z. B. Wasserdampf/Ammoniak erfolgen in einem Arbeitschritt mit der selektiven Sorption von Wasser an der Kaliumcarbonatlösung. In diesem Beispiel wird Ammoniak aufgrund der geringen Löslichkeit von Ammoniak in Wasser bei hoher Temperatur und der hohen Basizität (Gleichgewichtsverschiebung NH₄ ⁺/NH₃ auf die Seite des NH₃) der Kaliumcarbonatlösung kaum in dieser gelöst.
• Beschreibung an Hand von Ausführungsbeispielen
• 1.0. Gärrest-, Gülle oder Klärschlammeindampfung im Kontakttrocknungsverfahren und die Weiterverarbeitung der verbleibenden Gasphase (NH₃/CO₂) nach der selektiven Sorption von Wasser aus Wasserdampf/Ammoniak/CO₂-Gemischen zu Düngemitteln oder chemischen Rohstoffen oder Energierohstoffen (Fig. 1)
• 1.1. Verdampfung von Wasser unter Verbrauch von kristallinem oder gesättigtem Alkali:
• Für die Behandlung von flüssigem Ausgangsmaterial wird hier – als Spezialfall der Kontakttrocknung von flüssigen Gütern – das Eindampfen von Gärrest, Gülle oder kommunalen Klärschlamm beschrieben. Diesen Substraten ist gemeinsam, dass sie – je nach Vorbehandlung – nur geringe Feststoffgehalte aufweisen und bei der Eindampfung neben Wasserdampf auch große Mengen CO2, Ammoniak und flüchtige organische Verbindungen frei gesetzt werden. So stellt der Brüden stets ein Stoffgemisch mindestens dieser Komponenten dar. Weiterhin haben die Ausgangssubstrate die Eigenschaft bei Erwärmung stark zu schäumen. Diese Schaumbildung hat ihre Ursache in der Bildung von Gasblasen (z. B. durch den wärmeinduzierten Zerfall von Ammoniumverbindungen wie Ammoniumcarbonat), sowie von Dampfblasen bei Erreichen des Siedepunktes in Verbindung mit oberflächenaktiven Substanzen, die im Substrat enthalten sind. Diese setzen die Oberflächenspannung des Wassers stark herab, sodass es zu einer extremen Schaumbildung kommt. Diese Schaumbildung gestaltet eine Eindampfung in offenen Reaktoren extrem schwierig. Daher werden in der hier beschriebenen technischen Lösung Walzenverdampfersysteme (52) eingesetzt. Auf die Walzen wird jeweils nur ein dünner Film des Substrates aufgebracht (3). Bei der Aufbringung kann das Substrat (1) bereits im Wärmetauscher (5), sowie ggf. zusätzlich im Wärmetauscher (55) durch Vorwärmung zur Schaumbildung gebracht werden, sodass der Auftrag auf die Walze (6) als dünne Schaumschicht erfolgt. Durch den Kontakt mit der Verdampferwalze (6), welche auf über 100°C beheizt wird, wird das Wasser aus dem Substrat durch die Verdampfung ausgetrieben. Es verbleibt ein fester Rückstand, welcher vom Abstreifmesser (4) von der Walzenoberfläche entfernt wird, nach unten fällt und über die Austrageinrichtung (8) aus dem System ausgeschleust wird. Das feste Zielprodukt (21) enthält alle Wertstoffe (im Fall von Gülle/Gärrest) bzw. alle festen Bestandteile (Klärschlamm) außer den flüchtigen Ammoniumverbindungen. Flüchtige organische Verbindungen, H2S, sowie ggf. staubförmigen Mitriss kann direkt als Dünger verwendet werden oder ggf. nach thermischer Weiterverarbeitung zu Mineraldünger aufgearbeitet werden.
• Das Wasserdampf, Ammoniak, CO2, flüchtige organische Verbindungen und den Mitriss enthaltende Gasgemsich (16), – welches eine Temperatur von etwa 100°C hat –, wird im Gegenstrom durch eine Füllkörperkolonne (15) geleitet, wo sie mit konzentrierter, wässriger, Alkalilösung, – bevorzugt Kaliumcarbonatlösung – unter großer Grenzfläche in Kontakt gebracht wird. Aufgrund der kolligativen Eigenschaften der konzentrierten Alkalilösung, d. h. insbesondere der Absenkung des Wasserdampfpartialdruckes unter den Atmosphärendruck kommt es zur Kondensation des Hauptanteils des Wassers (es verbleibt nur die „Gleichgewichtsfeuchte” entsprechend dem abgesenkten Partialdrucks. Durch die Kondensation des Wasserdampfs wird dessen Phasenumwandlungswärme frei. Dies äußert sich als physikalische Wärme in einer Temperaturerhöhung der Alkalilösung. Diese Temperaturerhöhung würde bis zu einem neuen Gleichgewichtszustand bei höherer Temperatur, also bis zum Sieden der Alkalilösung führen. Dieser neue Gleichgewichtszustand wird jedoch verhindert, indem die durch das Leitblech (14) in den Lösungssumpf (67) geleitete, heiße (ca. 120°C) durch das Innere der Verdampferwalze (6) geleitet wird und so die Wärme über diese Walze an die bei etwa 100°C siedende, auf der Walze befindliche Flüssigkeit als Verdampfungswärme abgibt. Die abgekühlte Lösung wird über Leitung (20) dem Behälter (19) zugeführt, dem wiederum regelmäßig Salz oder Salzsuspension zugeführt wird. Dort wird die Konzentration bis maximal zur Sättigung „aufgefüllt” und die so gesättigte Lösung wird über Leitung (18) wieder in die Kolonne verrieselt. Der durch die Aufnahme von Wasser entstehende Volumenüberschuss wird statistisch über die Überlaufleitung (32) dem Wärmetauscher (5) zugeführt, wo er seine Restwärme – wie oben beschrieben – an das Ausgangssubtrat übergibt. Anschließend wird die Salzlösung über die Leitung (33), mit Hilfe der Pumpe (62) der Regeneration (Konzentrationserhöhung) zugeführt. Unter adiabatischen Bedingungen wäre so (abgesehen von einer anfänglichen Aufheizung) keine äußere Energiezufuhr notwendig. Jedoch lässt sich ein solches System in der Praxis nicht realisieren, so muss über den Wärmetauscher (12) Wärme, auf einem höheren Temperaturniveau als die der Alkalilösung, zum Ausgleich von Verlusten und zum Start über den Heizkreisvorlauf (11) und den Heizkreisrücklauf (10) zugeführt werden. Hier können auch gasförmige Wärmeträger wie z. B. Abgas zum Einsatz kommen. Die Salzlösung in der Rieselkolonne ist aufgrund der Temperatur und des hohen PH-Wertes (Ammoniak/Ammonium-Gleichgewicht nahezu komplett auf der Ammoniakseite) nur zur Aufnahme geringer Mengen an Ammoniak befähigt. Durch das Vorhandensein von CO2 im Überschuss (Zuführung über Leitung (9)) wird auch dieser geringe Teil noch nahezu vollständig ausgestrippt. So wird gewährleistet, dass sich in der Salzlösung praktisch kein Ammoniak/Ammonium findet. So kann auch später bei der Regeneration kein Ammoniak gasförmig in die Umgebung gelangen oder im Kondensatwasser verbleiben.
• Die Stofftrennung und die „chemische Wärmepumpe” werden so in einem Verfahrensschritt realisiert.
• Das nunmehr als Volumenüberschuss vorhandene aus CO2, Ammoniak und Gasfeuchte bestehende Gasgemisch (flüchtige, saure organische Verbindungen und H2S wurden im Alkali gebunden) wird durch Abkühlung im Wärmetauscher (53) zunächst auskondensiert. Dabei löst sich das Ammoniak im Kondensatwasser und reagiert dann im Reaktor (54) mit dem im Überschuss vorhandenen CO2 zu Ammoniumhydrogencarbonat bzw. zu einer wässrigen Lösung derselben. Die Kühlung mit dem Vorlauf (28) und dem Rücklauf (29) kann durch Wärmepumpen oder klassische Kühlverfahren erfolgen.
• 1.2. Regeration (Konzentrationserhöhung) des Alkali
• Da der oben beschriebene Prozess unter Verbrauch kristallinen Alkali oder gesättigter Alkali-Lösung arbeitet, muss an einer anderen Stelle die Konzentration des Alkali durch Entzug von Wasser erhöht werden. Dieser Prozess kann jedoch durch Pufferung zeitlich oder räumlich getrennt vom o. g. Prozess erfolgen. So kann die Aufkonzentration des Alkali mit Hilfe von Abwärme (z. B. aus Kraftwerken und Blockheizkraftwerken oder auch aus technischen Prozessen) erfolgen. So stellt das Alkali einen Sorptions-Wärmespeicher dar.
• Für die technische Durchführung der Regeneration gibt es aber nicht nur den Weg über die Nutzung von Abwärme (35) sondern auch den Weg über Brüdenverdichtung (36), welcher letztlich einen Wärmepumpenprozess darstellt, bei dem die Kondensationswärme des ausgetrieben Wassers wieder als Verdampfungswärme zurückgewonnen wird.
• 1.2.1. Regeneration unter Nutzung von Abwärme:
• Über die Leitung (35) wird in dem Rieselverdampfer (50) Alkali-Lösung eingebracht und verrieselt. Im Gegenstrom wird Luft (24), angerieben durch das Gebläse (64) in den Rieselverdampfer eingeleitet (welche ggf. unter Wärmerückgewinnung der Abluft (26) vorgewärmt wird). Die Luft erwärmt sich an der herabrieselnden Lösung (25) und nimmt Wasser bis zur Gleichgewichtsfeuchte auf. Durch die Verdunstung von Wasser kühlt sich die Alkali-Lösung ab und gelangt über das Leitblech (46) in den Sumpf (49). Auf dem Weg durch den Rieselkühler hat sich an der herabrieselnden Alkali-Lösung Salz gebildet. Einmal durch den Verlust des Wassers bis über die Sättigungsgrenze hinaus, aber auch in Folge der Abkühlung (die Löslichkeit des Salzes nimmt mit fallender Temperatur ab). Diese Kristalle sedimentieren nunmehr im Sumpf (49) als Bodenkörper (65). Von dort aus wird der Bodenkörper über Schnecken oder Breipumpen als Suspension ausgetragen. Über die Leitung (22) und die Pumpe (61) wird die Suspension dosiert (Dosierventil 23) in den Behälter (19) gebracht, sodass die Konzentration im Behälter (19) eingestellt werden kann. Als Messgröße der Konzentration lässt sich die Leitfähigkeit oder die Dichte der Alkali-Lösung nutzen.
• Eine Nachnutzung der Abwärme der feuchten Luft, insbesondere deren Latentwärme wird hier im Wärmetauscher (57) angedeutet. Hier kann Wärme – insbesondere durch Auskondensation – auf geringerem Niveau ausgekoppelt werden. Dabei ist besonders die Hintereinanderschaltung von Regeneratoren interessant, da hier der spezifische Trocknungswärmeverbrauch noch weiter gesenkt werden kann. Ebenfalls kann auf diese Weise ein Teil des Wassers (ggf. nach Mineralisierung) als Brauchwasser wieder verwendet werden.
• 1.2.2. Regenration unter Nutzung von Brüdenverdichtern Ausführungsbeispiel mit Walzenverdampfern.
• Wenn keine oder zu geringe Mengen an Abwärme zur Verfügung stehen kann die Regenration der Lösung durch Brüdenkondensation (Wärmepumpe) erfolgen. Dies trifft insbesondere dort zu, wo Gülle beseitigt werden muss, jedoch keine Biogasanlage mit Abwärme oder andere Abwärmequellen zu Verfügung stehen. Bei optimaler Auslegung benötigt die Apparatur dann etwa 5–10% der notwendigen Verdampfungswärme in Form von mechanischer Energie. (Elektroenergie) Die über Leitung (36) zugeführte Lösung wird im Wärmetauscher (38) mit Hilfe der physikalischen Wärme des Kondensates (4) vorgewärmt und anschließend auf die Verdampferwalze (6) in dünner Schicht (3) aufgetragen. Dort verdampft der Wasseranteil bei etwa 135°C (Siedepunkt der gesättigten Lösung ohne Übersättigung). Es verbleibt an der Oberfläche der Walze ein fester Rückstand aus Salz (7) oder ein teileingedampftes breiiges Produkt, welches durch das Abstreifmesser (4) abgetragen und über die Austrageinrichtung (48) ausgetragen wird. Über die Leitung (22) wird dann mit dem Salz wie oben verfahren. Der ausgetriebene Wasserdampf von etwa 135°C, welcher unter Atmosphärendruck steht, stellt physikalisch gesehen überhitzten Wasserdampf dar. Dieser ist nun auf eine Temperatur zu bringen, die eine Wärmeübertragung über die Walze ermöglicht. Der durch die die Walze über Leitung (41) geleitete überhitzte Dampf wird daher durch den Verdichter (41) auf etwa 4 bar (abs.) verdichtet. Damit ist er dann im Bereich des Sattdampfes und die Temperatur des Dampfes erhöht sich auf etwa 140–145°C. Nun ist ein Temperaturgradient vorhanden und die Wärme kann durch die Walzenoberfläche übertragen werden. Dabei wird der Dampf im Inneren der Walze kondensiert und gibt seine Kondensationswärme als Verdampfungswärme auf der Walzenoberfläche ab. Die physikalische Wärme des entstehenden Kondensats wird – wie bereits beschrieben – über den Wärmetauscher (38) z. T. zurückgewonnen. Verbleibende Restwärme (statistisch die Energiemenge der eingesetzten mechanischen Energie) wird dann für die Vorheizung des Substrates (1) im Wärmetauscher (55) genutzt. Über das Druckregelventil (39) wird dann das gekühlte Kondensat (2) und ggf. vorhandene Gase bei einem Gegendruck von ca. 4 bar (abs.) ausgeschleust und kann ggf. als Brauch- oder Prozesswasser wieder verwendet werden.
• 1.2.3. Die Regenration unter Nutzung von Brüdenverdichtern Ausführungsbeispiel mit Rieselverdampfern (Fig. 4).
• Alternativ kann diese Form der Regenration auch in Verdampferbehältern mit Verrieselung der durch Brüdenverdichter beheizten Lösung erfolgen.
• Dazu wird über die Leitung (93) die zu regenerierende Lösung in den durch die Pumpe (56) angetriebenen Kreislauf eingebracht und mit der ca. 140–150°C warme Umlaufflüssigkeit vermischt. Die Mischtemperatur ändert sich auf Grund der Mengenverhältnisse nur unwesentlich. Am Ventil (91), welches einen Gegendruck von mindestens 1 bar, bevorzugt mehr als 4 bar, gewährleistet wird die Lösung verrieselt. Sobald die überhitzte Lösung die Druckleitung über das Ventil verlässt verdampft ein Teil des Wassers und zwar so lange bis eine Temperatur von etwa 135°C erreicht ist. In Folge der Verdampfung kristallisiert Salz während der Rieselzeit aus. Dieses sedimentiert am Boden des Behälters (92) und wird als Bodenkörper (65) über die Austrageinrichtung (47) ausgeschleust. Die überstehende Lösung (49) wird über die Leitung (68) dem Wärmetauscher (92) zugeführt, wo diese wieder auf ca. 140–145°C erwärmt wird. Der bei der Verdampfung im Behälter (92) entstandene überhitzte Dampf wird über die Leitung (89) zum Brüdenverdichter (90) geleitet und auf etwa 4 bar (abs.) verdichtet, wodurch der Dampf sich etwa auf 140–145°C erwärmt und in den gesättigten Zustand übergeht. Im Wärmetauscher (92) kondensiert der Dampf aus und übergibt seine Kondensationswärme an die Salzlösung, die auf Grund des Drucks in der Leitung nicht sieden kann, sondern erst wenn sie sich im Behälter (92) entspannt. Das Ventil (39) sorgt für den notwendigen Gegendruck beim Ausschleusen des Kondensates (2).
• 1.2.4. Ausführungsbeispiel Anwendung von Scheibenverdampfern zur Regeneration von Kaliumcarbonatlösung
• Neben den bereits oben beschriebenen Möglichkeiten zur Regeneration (Aufkonzentration) des Alkalis durch Walzenverdampfer (51) oder Rieselverdampfer (50) soll hier noch eine weitere Form der Aufkonzentration erwähnt werden, nämlich den Scheibenverdampfer.
• Diese stellen – neben den Rieselverdampfern – eine weitere Möglichkeit dar, mit der Niedertemperatur-Abwärme zu regenerieren. Dabei handelt es sich um vertikal angeordnete, um eine Achse rotierende Scheiben, die mit der unteren Hälfte in die Salzlösung (Sumpf) eintauchen, mit dieser benetzt werden und im Gegenstrom zur Rotation mit Luft beaufschlagt werden. Die Verdampfung geschieht hier ebenso wie beim Rieselverdampfer, jedoch werden die an den Scheiben kristallisierenden Salze mit einem Messer abgetrennt. Das interessante bei dieser Möglichkeit ist, dass die Scheiben einen Wärmespeicher darstellen. Insbesondere dort, wo für Rieselkolonnen keine ausreichenden Bauhöhen zur Verfügung stehen stellen die Scheibenverdampfer eine Alternative dar. Die Einbindung der Wärme erfolgt bei den Scheibenverdampfern im Sumpf direkt in die Flüssigkeit durch Wärmetauscher.
• 2.0. Ausführungsbeispiel 2: Trocknung von Schüttgut (z. B. Energierohstoffe, Futter, Holzspäne o. ä.) im Kontakttrocknungsverfahren (Fig. 2)
• 2.1. Verdampfung von Wasser unter Verbrauch von kristallinem oder gesättigtem Alkali:
• Ähnlich wie im Ausführungsbeispiel 1 wird auch bei der Kontakttrocknung von Schüttgütern ein gesättigter Dampf erzeugt, indem dem zu trocknenden Gut durch Wärmeleitung Wärme zugeführt wird. Dieser gesättigte Dampf wird wieder – unter Salzverbrauch – in der gesättigten Lösung kondensiert, sodass die zurückgewonnene Kondensationswärme eine Temperaturerhöhung in der Lösung bewirkt und die Lösung dann zur Beheizung der Verdampfungsapparatur genutzt wird. Jedoch werden hier keine Walzenverdampfer eingesetzt, sondern Rekuperatoren, bei denen das Schüttgut durch eine Fördereinrichtung (74) – bevorzugt eine Förderspirale, besonders bevorzugt eine achsenlose Förderspirale – im Gegenstrom zum Heizmedium, welches den äußeren Mantel durchfließt – bewegt wird. Der Antrieb (73) regelt dabei die Verweilzeit des Gutes in der Verdampfereinrichtung. Durch Schleusensysteme – hier im Beispiel durch Schieber (72) realisiert – wird verhindert, dass der Sattdampf (76) in die Umgebung austritt. Die zur Verdampfung des Wassers des Schüttgutes notwendige Wärme wird auf 3 Wegen von der Wandung her übertragen:
• • durch Wärmeleitung der an der inneren Wandung des Rekuperators anliegenden Schüttgutpartikel
• • durch Konvektion, indem Sattdampf an der inneren Wandung des Rekuperators überhitzt wird und so Wärme über das gasförmige Trägermedium an das Schüttgut übertragen wird
• • durch Strahlung (vorwiegend im langwelligen IR-Bereich) und Sorption der Strahlung vom Schüttgut unter Wärmeentwicklung.
• Jedoch besteht der Haupteffekt des Wärmetransportes durch Wärmeleitung. Zusammenfassend wird der Weg des Schüttgutes und der Salzlösung folgendermaßen beschrieben:
  Das Schüttgut wird über die Aufgabe (77) durch ein Schleusensystem mit den Schleusenschiebern (72) geführt, welches einen minimalen Lufteintrag gewährleisten soll. Die Förderung des Gutes innerhalb des als Rekuperator ausgeführten Verdampfers erfolgt durch die Transporteinrichtung (74). Im Doppelmantel (78) des Verdampfers fließt in umgekehrter Bewegungsrichtung heiße Salzlösung aus dem Sumpf (67) – welche ggf. vom Wärmetauscher (12) nachgeheizt wird –. Nach Abgabe von Wärme (physikalische Wärme) an das Gut (als Verdampfungswärme) wird die Salzlösung über Leitung (20) – angetrieben durch Pumpe (63) – in den Flüssigkeitskreislauf der Füllkörperkolonne (52) eingebunden. Wie im Ausführungsbeispiel 1 wird hier im Behälter (19) die Regulation der Konzentration der Lösung organisiert. In der Füllkörperkolonne wird dann der aus der Verdampferapparatur austretende Brüden (Sattdampf) (76) über die Leitung (75) durch die Füllkörper geleitet und so mit der Salzlösung in Kontakt gebracht. Nicht kondensierbare Bestandteile der Brüden (z. B. eingetragene Luft) werden über die Leitung (71) an die Umgebung abgegeben.
• Die durch die Kondensation des Wasserdampfes verursachte Temperaturerhöhung der nach unten abrieselnden Salzlösung, die sich im Sumpf (67) sammelt wird zum Beheizen der Verdampferapparatur genutzt. Aus der Verdampferapparatur wird das getrocknete Schüttgut über Schleusen ausgetragen.
• 2.2. Regeneration (Konzentrationserhöhung) des Alkali
• Hier wird genauso wie im Punkt 1.2. verfahren.
• 3.0. Ausführungsbeispiel 3: Trocknung von Schüttgut (z. B. Energierohstoffe, Futter, Holzspäne o. ä.) oder nicht schüttfähigen Gütern im Konvektionstrocknungsverfahren (Fig. 3)
• 3.1. Verdunstung von Wasser unter Verbrauch von kristallinem oder gesättigtem Alkali:
• Nicht alle zu trocknenden Güter können wie unter Ausführungsbeispiel 3 ausgeführt mit Stetig Förderern durch den Prozess geführt werden. Auch können nicht alle Güter bei Temperaturen von über 100°C getrocknet werden (z. B. Saatgut).
• Hier kann das Wasser aus dem Gut nicht verdampft werden, es muss verdunstet werden. Dabei erfüllt der umlaufende Brüden, der dabei stets ein Gemisch von Wasserdampf und Gas darstellt, das Wärmeträgermedium dar. Die Trocknung des Gutes beruht dabei ebenfalls auf dem dampfdrucksenkenden Effekt der Salzlösung. Das Kreislaufgas wird dabei sozusagen „entfeuchtet”.
• Die 3 weist hier als Anwendungsbeispiel einen Hordentrockner aus, jedoch sind auch Bandtrockner oder ähnliche Trocknungsvorrichtungen anwendbar.
• Zur Trocknung des Gutes wird dieses in ein gegen die Umgebung weitestgehend abgeschlossenes System – hier einen Hordentrockner (86) eingebracht. Ein Druckausgleich durch Wärmeausdehnung von Gasen bzw. Phasenübergänge wird durch das Ventil (87) und die Leitung (88) realisiert, sodass der Trockner auch unter Umgebungsdruck betrieben werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich mit Druckdifferenzen zu arbeiten (umso weitere Effekte zu nutzen), jedoch verursachen druckfeste Systeme höhere Anschaffungs- und Betriebskosten.
• Die Vorteile dieser Form der Sorptionstrocknung gegenüber herkömmlichen Konvektionstrocknungsverfahren (Abluftbetrieb) liegen hier im geringeren spezifischen Wärmeverbrauch, den geringen Abluftströmen (nahe Null), und der Chemiesorption von sauren Brüdenbestandteilen (viele Geruchstoffe). Der geringere spezifische Wärmebedarf ergibt sich aus der Tatsache, dass im eigentlichen Trocknungsprozess die Verdampfungswärme zurück gewonnen wird – und bedingt durch den Gasumlauf – praktisch keine Luft zusätzlich mit aufgeheizt wird. Die „energieverbrauchenden” Prozesse laufen bei der Regeneration ab. Hier wird aber die Wärme direkt in die Flüssigkeit eingebunden und nicht über die Luft mit Ihrer geringen Wärmekapazität transportiert. So kann die Luft bis zum jeweiligen Feuchte-Gleichgewichtszustand mit Wasser angereichert werden. So ergibt sich ein günstigeres Luft/Wasserdampfverhältnis, also es wird insgesamt weniger Luft mit erwärmt.
• Beschreibung der Konvektionstrocknung:
• Das in den Hordentrockner (86) eingebrachte Gut (86) wird von einem warmen Wasserdampf/Gasgemisch, dessen relative Feuchte < 100% beträgt, durchströmt.
• Dabei nimmt das Gasgemisch Wasser bis zum Erreichen der Gleichgewichtsfeuchte (im Grenzfall 100% Feuchte) auf. Dabei kühlt sich das Gasgemisch ab, da die Verdampfungswärme des Wassers aufgebracht werden muss. Wie bei allen Konvektionstrocknungsverfahren handelt es sich hier um einen gekoppelten Stoff- und Energietransport. Das so mit Wasserdampf angereicherte Gasgemisch wird über die Leitung (84) zur Rieselkolonne (52) geführt, wo es – in aus den vorherigen Beispielen bekannter Weise – mit der Alkalilösung in Kontakt gebracht wird und so der Partialdruck des Wasserdampfes abgesenkt wird. Das bedeutet dass (im neuen Gleichgewicht) überschüssiger Wasserdampf kondensiert und zu einer Erhöhung der Temperatur der Salzlösung – und auch einer Temperaturerhöhung des verbleibenden Gasgemisches führt.
• Jedoch wird nicht – wie in den Beispielen zuvor – der Wärmeinhalt der Salzlösung genutzt, sondern letztlich der des Gasgemisches. Das so erwärmte und entfeuchtete Gasgemisch wird jetzt wieder über die Leitung (83) dem Hordentrockner zugeführt. Die Aufrechterhaltung der Konzentration der Salzlösung erfolgt nach den – aus den vorherigen Beispielen bekannten – Mechanismen.
• 3.2. Regeneration (Konzentrationserhöhung) des Alkali
• Hier wird genauso wie unter Punkt 1.2. verfahren.
• 4.0. Ausführungsbeispiel Anwendung elektrostatischer Sprühwäscher zur Sorptionstrocknung/Chemiesorption
• Um Grenzphasenreaktionen von Wasserdampf/Wasserdampf-Gasgemischen mit der Alkalilösung bei möglichst großen Oberflächen und somit hoher Kinetik ablaufen zu lassen wurden in den obigen Beispielen Füllkörperkolonnen beschrieben.
• Insbesondere im Bereich der Konvektionstrocknung ist jedoch auch die Möglichkeit des Versprühens der Alkalilösung in den Gasstrom zur Schaffung großer Grenzflächen möglich. So können auch höhere Gasgeschwindigkeiten als in den Kolonnen realisiert werden. Jedoch stößt man hier auf ein Problem: je kleiner die Tropfen sind, umso größer ist zwar die Grenzfläche für die beabsichtigten Reaktionen, allerdings wird die auch die Trennung der Aerosole vom Gasstrom umso schwieriger. Eine Möglichkeit dieses Problem zu lösen stellt die aus der elektrostatischen Lackierung bekannte Ionisierung der Nebel-Tröpfchen mit anschließender Abscheidung an einer Niederschlagselektrode dar. Da es sich bei der Alkalilösung um einen sehr gut leitfähigen Elektrolyt handelt, ist hier insbesondere die Leitungsionisation, bei der die Flüssigkeitssäule einen Pol des Hochspannungsfeldes darstellt, gegenüber der Feldionisation bevorzugt. Durch den hohen Grad der Ionisation können auch feine Nebel sicher wieder abgeschieden werden.
• Bezugszeichenliste

1

Zuführung des zu trocknenden Gutes (z. B. Gärrest, Gülle, Schlamm etc.)

2

Kondensatablauf

3

Gutaufgabe

4

Abstreifmesser

5

WT Gutvorwärmung/Wärmerückgewinn aus Überlauf Salzlösung

6

Walzenverdampfer-Ausführungsbeispiel direkte Beheizung mit Salzlösung

7

Abgestreiftes trockenes Gut/festes Zielprodukt

8

Austrageinrichtung festes Zielprodukt

9

CO2-Zuführung

10

Rücklauf Startbeheizung/Nachheizung Verlustausgleich

11

Vorlauf Startbeheizung/Nachheizung Verlustausgleich

12

Wärmetauscher Startbeheizung/Nachheizung Verlustausgleich

13

heiße Salzlösung zur Beheizung des Walzenverdampfers

14

Leitblech Rieselkolonne Rücklauf

15

Füllkörper Rieselkolonne zur Kondensation des Wasserdampfes/Stofftrennung Wasser/Ammoniak, CO2 und andere Gase

16

Wasserdampf/Ammoniak/CO2-Gemisch und Begleitgase bzw. -dämpfe

17

Flüssigkeitsverteiler Ausführungsbeispiel als Düsenverteiler

18

Leitung vom Flüssigkeitspuffer für Salzlösung-Salz-Suspension

19

Flüssigkeits- bzw. Suspensionsvorrat

20

Rücklaufleitung vom Walzenverdampfer

21

festes Zielprodukt aus Prozess ausgeschleust

22

Leitung Suspension Salz in Salzlösung

23

Ventil Zuleitung Suspension Salz in Salzlösung

24

Aussenlufteinlass

25

herab rieselnde und sich dabei aufkonzentrierende und abkühlende Salzlösung

26

feuchte Abluft (Feuchte entsprechend Gleichgewichtsfeuchte in Abhängigkeit von Temperatur der Luft und Konzentration der Salzlösung)

27

Kühlkreislauf Rücklauf

28

Kühlkreislauf Vorlauf

29

Restgase (CO2-Überschuss) Austritt

30

flüssiges Zielprodukt Ammoniumhydrogencarbonatlösung/Suspension

31

Ammoniak/CO2/Wasserdampf-Gasgemisch

32

Überlauf Salzlösung (Volumenüberschuss)

33

Salzlösung zum Regenerieren (Regeneriereren = Konzentrationserhöhung)

34

Zuführung Trocknungsgut zur Vorwärmung im WT 5

35

Salzlösung zum Regenerieren – hier Regenerierung über Rieselverdampfer-Einsatz von Wärme zur Regeneration der Salzlösung

36

Salzlösung zum Regenerieren – hier Regenerierung über Wärmepumpe (Brüdenverdichter), Einsatz von mechanischer (elektrischer) Energie zur Regeneration der Salzlösung

37

Kondensat zur Restwärmenutzung im WT 55 zur Vorwärmung des zu trocknenden Gutes

38

WT zur zur Wärmerückgewinnung aus Kondensat bzw. Brüden zur Vorwärmung der zu regenerierenden Salzlösung

39

Ventil zur Aufrechterhaltung des Drucks bei Ausschleusung von nichtkondensierbaren Gasen die während der Regeneration entstanden sind.

40

Kondensat/Brüden nach Auskondensation in der Walze

41

Brüdenverdichter

42

Leitung für Brüden nach Verdichtung zur Beheizung der Walze

43

Heizung Vorlauf (z. B. Kühlwasser aus Blockheizkraftwerk)

44

Heizung Rücklauf (z. B. Kühlwasser aus Blockheizkraftwerk)

45

Leitung zur Rückfühlung der erwärmten Salzlösung in die Rieselkolonne

46

Schräge/Leitblech zur Verringerung der Spritzwirkung beim Auftreffen der Flüssigkeitstropfen (Aerosolvermeidung)

47

Austragvorrichtung für Salz/Supension in Salzlösung

48

Austragvorrichtung für Salz/Supension in Salzlösung

49

überstehende Salzlösung

50

Regenerator, Ausführungsbeispiel Rieselkolonne

51

Regenerator, Ausführungsbeispiel Walzenverdampfer mit Brüdenverdichtung

52

Eindampfanlage für flüssige Güter z. B. Gärreste, Gülle, Klärschlamm o. ä.

53

WT zur Auskondensation und Kühlung der Reaktionspartner und Begleitgase für Ammoniumcarbonatherstellung

54

Ammoniumhydrogencarbonat-Reaktor und Vorratsbehälter

55

im Fall Brüdenverdichter WT Restwärme Brüden/zu trocknendes Material

56

Pumpe für Salzlösungskreislauf

57

WT Wärmenachnutzung z. B. für Heizung oder Kaskadennutzung mit weiteren in Reihe geschalteten Regenerator(en)

58

WT Luftvorwärmer

59

Rücklauf Wärmenachnutzung

60

Vorlauf Wärmenachnutzung

61

Pumpe für Suspension Salz in Salzlösung

62

Pumpe Zuführung der Salzlösung zur Regeneration

63

Rücklauf Salzlösung zur Walzenbeheizung

64

Gebläse zur Förderung der Abluft aus dem Regenerator

65

sedimentiertes Salz

66

WT zur Einkopplung von Wärme

67

Salzlösung/Suspension

68

Salzlösung zum Kreislauf

69

Abluft zur Wärmerückgewinnung/Kaskadennutzung

70

Abluft Austritt in die Umgebung

71

Abluft

72

Schieber der Kammerschleuse

73

Anriebsmotor der Förderspirale

74

Fördersprirale

75

Brüdenleitung

76

Brüden

77

zu trocknendes Schüttgut

78

Doppelmantel als Wärmetauscher

79

Rücklaufleitung Alkali

80

Heiße Salzlösung zur Beheizung des Spiraltrockners

81

Salzlösung zur Verrieselung – ggf. nachgeheizt

82

Salzlösung mit eingestellter Konzentration

83

Wasserdampf/Gas-Gemisch mit < 100% rel. Gasfeuchte

84

Wasserdampf/Gas-Gemisch mit ca. 100% rel. Gasfeuchte

85

zu trocknendes Gut

86

Hordentrockner

87

Druckausgleich

88

Lufteintritt bzw. Gasaustritt zum Druckausgleich

89

Brüdenleitung

90

Brüdenverdichter

91

Austrittsventil

92

Verdampferapparatur

93

Salzlösung zur Regeneration

Claims (1)

1. Sorptionstrocknungsverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass: 1. Das in das zu trocknende Gut durch Wärmeleitung, oder/und durch einen gasförmigen Wärmeträger oder/und durch Wärmestrahlung erwärmt wird, und der entstehende Brüden über ein Sorbens aus alkalischer Lösung, – bevorzugt einer konzentrierten, wässrigen Lösung von Kaliumcarbonat (50%–100% Sättigung), – geleitet wird, wobei die Grenzfläche zwischen Brüden und Lösung durch technische Maßnahmen flächenmäßig groß gehalten wird. 2. Als technische Maßnahmen zur Vergrößerung der Grenzfläche Brüden/Alkalilösung Füllkörperkolonnen, Versprühen oder Vernebeln in oder ohne Verbindung mit Ionisation (bevorzugt Leitungsionisation) zur anschließenden elektrostatischen Abscheidung (ggf. zusätzlich durch Fliehkraftabscheidung unterstützt) oder durch Benetzung fester und bewegter Rächen zum Einsatz kommen. 3. Die durch die Kondensation oder Teilkondensation des Brüdens – in Folge der Dampfdruckabsenkung über der Lösung (kolligative Eigenschaften) – verursachte Temperaturerhöhung (bis max. 135°C abs.) der Lösung und/oder des nichtkondensierten Restbrüden zur Übertrag von Wärme auf das zu trocknende gut gem. Anspruch 1 erfolgt (Wärmerückgewinnung). 4. Das Sorbens (Alkali-Lösung) nicht zur zur Kondensation oder Teilkondensation des Wassergehaltes des Brüdens genutzt wird, sondern zeitgleich eine Stofftrennung, d. h. Separation von Bestandteilen des Brüden, welche nicht vom Brüden aufgenommen werden (z. B. Ammoniak, CO₂) und eine Sorption von Stoffen (z. B. organische Säuren) in der Alkalilösung stattfindet. 5. Die separierten Brüdenbestandteile (z. B. CO2, H₂O) einer stofflichen Weiterverarbeitung zugeführt werden. 6. Die von der Alkali-Lösung aufgenommen Brüdenbestandteile durch Fällung (z. B. Sulfid) oder/und thermische Läuterung oder/und nasschemische Oxidation, bevorzugt durch Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid oder durch elektrochemische Oxidation abgereichert werden. 7. Wärmeverluste des Systems an die Umgebung durch Zufuhr von Wärme ausgeglichen werden. 8. Das Sorptionsmittel durch Erhöhung der Konzentration, d. h. durch Austreiben von Wasser regeneriert wird. Die Regeneration erfolgt entweder durch Durchleiten von Luft durch die, – bevorzugt durch Niedertemperatur-Abwärme (50–100°C) beheizte, -Alkali-Losung, – wobei die Grenzfläche zwischen Alkali-Lösung und Luft durch technische Maßnahmen wie Verrieselung oder durch Benetzung bewegter Flächen vergrößert wird – oder durch Wärmepumpenprozesse, wobei das Verfahren der Brüdenverdichtung zur Anwendung kommt um die Kondensationswärme als Verdampfungswärme zurück zu gewinnen. 9. Sowohl die Apparaturen für die Trocknung, als auch die Apparaturen für die Regeneration gegen Gasdiffussion und Wärmetransmission an die Umgebung isoliert sind. 10. Speziell für die Eindampfung von Gülle, Gärrest, Klärschlamm oder ähnlichen (ammoniumhaltigen) Substanzen Walzenverdampfer zum Einsatz kommen. 11. Bei der Eindampfung von Gülle, Gärrest, Klärschlamm oder ähnlichen (ammoniumhaltigen) Substanzen im Zuge der Sorption des Wasserdampfes und der organischen Säuren verbleibende Restbrüden, – welcher hauptsächlich aus Ammoniak, CO₂ und Wasserdampf (Gasfeuchte) besteht –, zu Ammoniumhydrogencarbonat weiterverarbeitet wird. Wobei der Apparatur während des Eindampfprozesses mindestens so viel CO₂ von Aussen zugeführt wird, wie stöchiometrisch zur Bildung des Ammoniumhydrogencarbonats notwendig ist, bevorzugt jedoch ein Überschuss an CO₂. Dabei muss es sich nicht um reines CO₂ handeln, sodern es können auch CO₂-reiche Gasgemische wie z. B. Biogas zum Einsatz kommen. 12. Bei der Eindampfung von Gülle, Gärrest, oder ähnlichen (ammoniumhaltigen) Substanzen biogenen Ursprungs ein festes, getrocknetes Produkt erhalten wird, das als Dünger verwendet, oder durch Abreicherung der Organik (z. B. durch thermische Prozesse) zu Mineraldünger weiterverarbeit wird. 13. Die Trocknungsprozesse und die Regeneration (Konzentrationserhöhung) des Sorbens zeitlich und/oder räumlich getrennt ablaufen können und das Alkali bzw. die Alkali-Lösung hier als Sorptionsspeicher fungieren. Dadurch wird Abwärme z. B. aus Kraftwerken für Trocknungsprozesse zugänglich gemacht. Die Regeneratoren können in Kraftwerken gleichzeitig die Funktion des Kühlturms übernehmen.

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