DE102013013724A1

DE102013013724A1 - Verfahren zur Erzeugung eines homogenen Feststoffs aus Biomasse

Info

Publication number: DE102013013724A1
Application number: DE201310013724
Authority: DE
Inventors: Tobias Wittmann
Original assignee: Suncoal Industries GmbH
Current assignee: Suncoal Industries GmbH
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-02-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines homogenen Feststoffes aus Biomasse, indem die Biomasse einer hydrothermalen Karbonisierung unterzogen wird, mechanisch entwässert wird, ggf. thermisch getrocknet wird, das in der mechanischen Entwässerung vom Feststoff abgetrennte Filtrat durch Eindampfung in einen Rückstand und ein Kondensat zerlegt wird, Rückstand und/oder Kondensat anteilig in den Prozess zurückgeführt werden und überschüssiges Kondensat bevorzugt als Abwasser sowie überschüssiger Rückstand bevorzugt als Abfall oder Dünger aus dem Prozess ausgetragen werden.

Description

Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erzeugung eines homogenen Feststoffes aus Biomassen. Weiteres Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Maximierung der Qualität des Wassers, welches während des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Biomasse in Kontakt war und von dieser abgetrennt und separat aus dem Prozess abgeführt wird.
Biomassen, die in dem vorgeschlagenen Verfahren eingesetzt werden können, werden im Weiteren mit den Begriffen Einsatzstoff oder Biomasse bezeichnet. Unter Einsatzstoff oder Biomasse soll vorliegend pflanzliche und tierische Biomasse sowie Stoffwechselprodukte verstanden werden, insbesondere nachwachsende Rohstoffe, wie Holzhackschnitzel, Grünschnitt aus der Landschaftspflege, Pflanzen, Stroh, Silage, und organische Reststoffe aus der Land- und Forstwirtschaft sowie der Nahrungsmittel-, Bioraffinerie- und Energieindustrie und Entsorgungswirtschaft, sowie auch Torf, Rohbraunkohle, Papier- und Klärschlämme, Melasse, Vinasse, Trester und dergleichen. Weiterhin sollen unter Biomassen Zucker, Stärke, Cellulose, Hemicellulose, Lignin und andere Bestandteile der Biomasse verstanden werden.
Soll der im erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Feststoff als Biobrennstoff genutzt werden, dann sind solche Biomassen besonders als Einsatzstoffe geeignet, die aufgrund ihres hohen Aschegehaltes, ihres hohen Anteils an Chlor, Stickstoffs oder Schwefels oder an anderen Inhaltsstoffen, oder ihres schlechten Ascheschmelzverhaltens nicht oder nur eingeschränkt für eine direkte Verbrennung oder Vergasung geeignet sind und/oder aufgrund ihrer physikalisch-mechanischen Beschaffenheit nicht oder nur eingeschränkt in Staubfeuerungen oder Flugstromvergasern genutzt werden können und/oder aufgrund ihrer niedrigen Schüttdichte nicht oder nur zu hohen Kosten transportiert werden können und/oder aufgrund der biologischen Aktivität und des damit verbundenen niedrigen Rottegrades nicht lagerstabil sind. Nach dem Stand der Technik ist der am weitesten verbreitete Festbrennstoff fossile Braun- und Steinkohle. Steinkohle wird überwiegend als trockenes Schüttgut weltweit gehandelt und meistens am Ort ihrer Nutzung zunächst gemahlen und dann in Staubfeuerungen oder Flugstromvergasern eingesetzt. Braunkohle wird als feuchte Rohbraunkohle überwiegend in unmittelbarer Nähe zum Tagebau verbrannt. Teilweise wird ein kleiner Anteil der Fördermenge durch Trocknung und Mahlung zu Braunkohlenstaub veredelt und dann über Entfernungen von bis zu 1.000 km transportiert und in Staubfeuerungen genutzt. Vorteil der Nutzung von fossiler Kohle als Brennstoff ist die Homogenität in Bezug auf die stoffliche Zusammensetzung, die innerhalb eines Fördergebietes nicht erheblich schwankt und auch weltweit gesehen – abgesehen von einigen Ausreißern – im Vergleich mit Biomasse deutlich weniger variiert, was die Beschaffung fossiler Kohle mit definierter Qualität sowie die Auslegung, Genehmigung und den Betrieb der entsprechenden Feuerungsanlagen erheblich vereinfacht. Weiterer Vorteil ist die Fluidisierbarkeit der trockenen, gemahlenen fossilen Kohle, die einen pneumatischen Transport in die Brennkammer ermöglicht und zur Etablierung von Staubfeuerungen und Flugstromvergasern geführt hat. Darüber hinaus hat Steinkohle und Braunkohlenstaub eine hohe Schüttdichte von zwischen 500 kg/m³ und 1300 kg/m³ und ist aufgrund der nicht vorhandenen biologischen Aktivität (Rottegrad I) lagerstabil.
Biobrennstoffe, wie sie zum Beispiel in der DIN EN 14961-1 definiert werden, haben diese Vorteile nicht, da Sie hinsichtlich ihrer stofflichen Zusammensetzung je nach Art und Herkunft deutlich stärker variieren als fossile Kohle. So liegt zum Beispiel der Stickstoffanteil von Biomasse, die von intensiv genutzten Flächen in der Landwirtschaft gewonnen wird, deutlich höher als bei Biomasse aus der Forstwirtschaft, was zu erheblichen Unterschieden bei der NOx Bildung in der Verbrennung führt. Weiterhin haben halmgutartige Biomassen einen deutlich höheren Anteil an Kalium als holzige Biomassen, was zu großen Unterschieden beim Ascheschmelzverhalten führt. Auch die physikalisch-mechanischen Eigenschaften der Biomasse variiert je nach Art, Herkunft und Aufbereitung, so dass sich heute unterschiedlichste Feuerungssysteme wie die Rostfeuerung, Wirbelschichtfeuerung, Schachtfeuerung, Vorofenfeuerung, etc. etabliert haben, die für einzelne Arten von Biomassen optimiert wurden. Eine Mahlung von Biomasse mit dem Ziel eine ähnlich gute Fluidisierbarkeit wie die von fossiler Kohle zu erreichen, ist nach dem Stand der Technik nicht möglich. Weiterhin befördert der teilweise hohe Wassergehalt die biologische Zersetzung, so dass eine dauerhafte Lagerung von feuchter Biomasse nicht gewährleistet werden kann. Auch die geringe Schüttdichte von frischer Biomasse, die in der Regel zwischen 150 kg/m³ bis 300 kg/m³ liegt, führt dazu, dass frische Biomasse aufgrund der sich daraus ergebenden hohen Transportkosten meist nur lokal gehandelt werden.
Die stark variierende stoffliche Zusammensetzung von Biomasse sowie deren unterschiedlichen physikalisch-mechanischen Eigenschaften haben dazu geführt, dass sich derzeit nur für holzige Biomasse ein relevanter Markt entwickelt hat. Holz wird überwiegend in Form von Hackschnitzeln oder Pellets gehandelt. Entsprechende Handelsplätze und Qualitätsnormen etablieren sich. Hintergrund ist die weitgehend von Art und Herkunft unabhängige stoffliche Homogenität des Holzes insbesondere in Bezug auf den geringen Aschegehalt, den Anteil an Chlor, Schwefel und Stickstoff, den geringen Schwermetallanteil sowie das definierte und gute Ascheschmelzverhalten, sowie die einfache Aufbereitbarkeit durch Trocknung, Zerkleinerung und ggf. Kompaktierung. Hierdurch kann eine ausreichende Lagerstabilität und insbesondere bei Pellets eine hohe Schüttdichte von über 500 kg/m³ gewährleistet werden.
Mit hohem Aufwand wurde und wird versucht, neben Holz auch Stroh, bzw. schnell wachsende Gräser wie Miscanthus als Biobrennstoff zu etablieren. Der hohe Chloranteil führt jedoch regelmäßig zu Hochtemperaturkorrosion, das undefinierte und schlechte Ascheschmelzverhalten zu Verschlackung, der hohe Stickstoffanteil zu hohen NOx-Emissionen und der schlechte Ausbrandt zu Staubemissionen. Auch die Herstellung von Mischpellets aus verschiedenen Arten von Stroh, schnell wachsenden Gräsern und Holz führte nicht zu der erforderlichen Verbesserung der oben genannten Probleme, so dass sich ein solcher Biobrennstoff nicht am Markt etablieren konnte.
Weitere Biomassen, wie Laub, Grasschnitt und Astschnitt aus der Garten- und Landschaftspflege, werden derzeit nur vereinzelt regional als Brennstoff eingesetzt, erzeugen jedoch erhebliche Probleme in der Verbrennung.
Vorhanden sind wissenschaftliche Grundlagen für die Umwandlung der Einsatzstoffe, wie Holz, Stroh, Gras, Grünschnitt, Landschaftspflegeholz, Schlempe, Gärreste, Maissilage, Ganzpflanzensilage und organischer Abfall, aber auch Torf und Rohbraunkohle durch hydrothermale Karbonisierung bei Temperaturen zwischen 150°C und 300°C in Anwesenheit von flüssigem Wasser in kohlenstoffreiche und sauerstoffarme Feststoffe. Danach muss während der Reaktion der Druck mindestens dem Sattdampfdruck des Reaktionsgemisches bei der gewählten Reaktionstemperatur entsprechen oder darüber liegen.
Bei der hydrothermalen Karbonisierung finden eine Reihe von Nebenreaktionen statt, die dazu führen, dass sich unter anderem wasserlösliche Kohlenwasserstoffe bilden. Ein Anteil der wasserlöslichen Kohlenwasserstoffe sind organische Säuren, deren Bildung zu einer Absenkung des pH-Wertes führt. Obwohl die Karbonisierungsreaktion auch ohne Katalysator stattfindet, ist die gezielte Wahl eines passenden Katalysatorsystems für eine optimale Prozessführung vorteilhaft, um eine sinnvolle Kombination aus Reaktionstemperatur und Verweilzeit in Verbindung mit einer hohen Ausbeute, optimierter Kohlenstoffbilanz sowie guten Produkteigenschaften einzustellen.
Eine der ersten technischen Umsetzungen der hydrothermalen Karbonisierung von Industrieschlempen in Druckreaktoren bei 250°C–300°C aus der Zellstoffindustrie wurden von Friedrich Bergius 1921 beschrieben ( AT86234 ).
Weiterhin offenbart die US 3,552,031 eine Vorrichtung zur Abspaltung von Wasser aus organischen Material zusammen mit flüssigem Wasser am Beispiel von Braunkohle bei Temperaturen zwischen 100°C und 300°C in einem liegenden Druckreaktor, der durch eine Fördervorrichtung beschickt wird und an dessen Ende die dehydratisierte Kohle wieder abgezogen wird. Der Reaktor ist isoliert und wird von außen geheizt.
Auch die US 3,992,784 offenbart ein Verfahren zur Dehydratation von organischem Material zusammen mit flüssigem Wasser bei mehr als 150°C am Beispiel von Braunkohle. Die Braunkohle wird mit Wasser vermischt und mit Hilfe einer Pumpe in einen Druckreaktor gefördert. Das Gemisch aus Wasser und Braunkohle wird durch Wärmeübertrager/-tauscher vorgewärmt, die die Wärme des aus dem Reaktor abgeführten Produkts nutzen. Weiterhin wird das Kondensat des Trockners wieder zusammen mit der Kohle in den Prozess eingebracht. Die Erwärmung der Edukte erfolgt ausschließlich über einen indirekten Wärmeübergang in Wärmeübertragern/-tauschern.
WO 2008081409 A2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dehydratation von Biomasse zusammen mit flüssigem Wasser bei Temperaturen über 150°C in einem Druckreaktor, die im Wesentlichen aus einem Schlaufenreaktor besteht, in den das Ausgangsprodukt eingebracht wird. Das im Reaktor befindliche Reaktionsgemisch wird kontinuierlich umgewälzt und ein Teil aus dem Reaktor entnommen und anschließend getrocknet. Es werden weiterhin Nebenaggregate offenbart.
Darüber hinaus offenbart EP 1970431 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Dehydratation von Biomasse zusammen mit flüssigem Wasser bei Temperaturen über 100°C. Die Biomasse wird dabei ggf. vorgewärmt und mit einer Pumpe oder Schleuse in einen liegenden Druckreaktor eingebracht, durch den sie mit Hilfe eines Schneckenförderers bewegt wird. Der Druckreaktor ist extern beheizt. Die reagierte Biomasse wird am Ende des Druckreaktors entweder über eine Pumpe oder eine Druckschleuse ausgetragen.
Weiterhin offenbart WO 2008095589 A1 einen S-förmigen Reaktor zur Dehydratation von Biomasse in flüssigem Wasser, der in einem Bad aus Thermalöl liegt, welches bei Bedarf gekühlt und geheizt werden kann.
Darüber hinaus offenbart WO/2010/112230 ein energetisch optimiertes Verfahren zur hydrothermalen Karbonisierung der Einsatzstoffe.
Die oben zitierten Druckschriften offenbaren verschiedene Umsetzung einer hydrothermalen Karbonisierung nebst Nebenaggregaten. Es wird jedoch kein Verfahren zur Sicherung der Qualität des erzeugten Feststoffes offenbart.
Weiterhin sind wissenschaftliche Grundlagen zur Aufbereitung des als Abwassers aus einer hydrothermalen Karbonisierung ausgetragenen Prozesswassers durch eine anaerobe oder aerobe biologische Behandlung vorhanden. Darüber hinaus wurde die Aufbereitung durch Aktivkohlefilter sowie einer Kombination dieser Verfahren untersucht. Weiterhin beschreibt EP 2 206 688 eine Vorbehandlung des Abwassers durch Nassoxidation.
Aufgabe der Erfindung beim Einsatz des erzeugten Feststoffes als Biobrennstoff ist somit, ein gegenüber dem Stand der Technik überlegenes Verfahren zur Aufbereitung von Biomasse zu einem homogenen, festen und trockenen Biobrennstoff anzubieten, welcher in Bezug auf seine stoffliche Zusammensetzung so homogen ist, dass die vorhandenen Probleme bei der Verbrennung der unbehandelten Biomasse überwunden werden, indem z. B. der Anteil an Chlor soweit reduziert wird, dass keine Hochtemperaturkorrosion bei der Verbrennung oder Vergasung stattfindet, der Anteil an Schwefel soweit reduziert wird, dass eine Entschwefelung nach dem Stand der Technik genutzt werden, bzw. entfallen kann, der Anteil an Stickstoff soweit reduziert wird, das eine Entstickung nach dem Stand der Technik genutzt werden kann, bzw. entfallen kann, die Asche definiert schmilzt und keine Verschlackung bei den üblichen Betriebstemperaturen von Trockenfeuerungen stattfindet, der Gehalt an Schwermetallen soweit gesenkt wird, dass die Emissionen in die Asche und das Rauchgas nicht von denen beim Einsatz von fossiler Kohle oder Holz abweichen und welcher in Bezug auf seine physikalisch-mechanischen Eigenschaften nach einer Mahlung fluidisierbar ist, so dass er in Staubfeuerungen oder Flugstromvergasung genutzt werden kann, direkt oder ggf. nach einer Kompaktierung eine mit fossiler Kohle vergleichbare Schüttdichte aufweist und aufgrund der nicht mehr vorhandenen biologischen Aktivität und des geringen Wassergehaltes lagerstabil ist. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dass das im Aufbereitungsverfahren von der Biomasse abgetrennte Wasser soweit gereinigt wird, dass die verbleibenden Verunreinigungen nach einer sich anschließenden biologischen Aufbereitung soweit reduziert sind, dass eine direkte Einleitung in Gewässer möglich ist.
Soll der im erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Feststoff nicht energetisch, sondern stofflich genutzt werden, so ist die Aufgabe der Erfindung die für die spezifische Anwendung nachteilhaften Bestandteile der Asche oder diese selber soweit zu reduzieren, dass der Feststoff die für die spezifische Anwendung geltenden Grenzwerte nicht überschreitet.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Biomasse

– in einer ersten Prozessstufe einer hydrothermalen Karbonisierung unterzogen wird,
– in einer zweiten Prozessstufe mechanisch entwässert wird,
– ggf. in einer dritten Prozessstufe thermisch getrocknet wird,
– das in der mechanischen Entwässerung abgetrennte Filtrat in einer vierten Prozessstufe durch Eindampfung in einen Rückstand und ein Kondensat zerlegt wird,
– Rückstand und/oder Kondensat anteilig in den Prozess zurückgeführt werden und
– überschüssiges Kondensat als Abwasser aus dem Prozess ausgetragen wird.

Bevorzugt wird eine Kombination aus einer hydrothermalen Karbonisierung, mechanischen Entwässerung mit einer Eindampfung vorgeschlagen, wobei dass

– in der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) gewonnene Filtrat, welches nicht direkt in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) zurückgeführt wird, in der vierten Prozessstufe (Eindampfung) durch Eindampfung in einen Rückstand und ein Kondensat zerlegt wird und
– der Anteil des Rückstandes aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, und der Anteil des Kondensates aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, so gewählt wird,
– dass der aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragene Feststoff mindestens einen Grenzwert nicht überschreitet,
– wobei bei einer Überschreitung eines der Grenzwerte der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, reduziert wird und/oder der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird.

Das Wirkprinzip dieser bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrensführung liegt darin, dass die Menge an anorganischen Verunreinigungen im erzeugten Feststoff dadurch eingestellt wird, dass so viele der mit der Biomasse in das erfindungsgemäße Verfahren eingetragenen anorganischen Verunreinigungen mit dem Rückstand aus der vierten Prozessstufe aus dem Verfahren ausgetragen werden, wie erforderlich sind, um anwendungsspezifische Parameter für den Einsatz des Feststoffes einzuhalten, wobei die Menge der aus dem Verfahren ausgetragenen anorganischen Verunreinigungen durch eine anteilige Rückführung des Rückstandes und/oder des Kondensats aus der vierten Prozessstufe in die erste und/oder zweite Prozessstufe eingestellt wird.
Als Grenzwert für den Feststoff kann bevorzugt der Aschegehalt, der Massenanteil an Chlor, Schwefel, Stickstoff, Kalium oder der Massenanteil eines einzelnen Schwermetalls z. B. Blei, Cadmium, Chrom, Eisen, Cobalt, Kupfer, Mangan, Molybdän, Nickel, Vanadium, Zink oder Zinn an der Gesamtmasse des Feststoffs herangezogen werden. Bei einer bevorzugten Anwendung des Feststoffes als Trägermaterial von Katalysatoren bzw. als Teil eines Katalysators können bevorzugt der Massenanteil eines bestimmten oder mehrerer Katalysatorgifte z. B. Schwermetalle oder Halogene an der Gesamtmasse des Feststoffs als Grenzwert herangezogen werden. Als Bezugsgröße wird in der Regel die Masse des trockenen Feststoffes gewählt. Je nach Anwendungsfall oder branchentypischer Gepflogenheiten kann jedoch auch der aschefreie, trockene Feststoff oder der feuchte Feststoff als Bezugsgröße genutzt werden. Werden Grenzwerte auf weitere Eigenschaften des Feststoffes, z. B. dessen Energiegehalt bezogen, so ist eine entsprechende Umrechnung auf den Massenanteil erforderlich. Als Messgröße kann sowohl der Massenanteil eines Stoffes oder Stoffgemisches an der Gesamtmasse des Feststoffs oder der Massenanteil mehrerer Stoffe oder Stoffgemische an der Gesamtmasse des Feststoffs herangezogen werden. Werden mehrere Grenzwerte für den Feststoff definiert, so wird das erfindungsgemäße Verfahren in der Regel bereits bei der Überschreitung nur eines dieser Grenzwerte angewandt. Der Grenzwerte kann einen maximalen Massenanteil, einen minimalen Massenanteil und eine Bandbreite des Massenanteils eines Stoffes oder Stoffgemisches an der Gesamtmasse des Feststoffs definieren. Mit Überschreitung eines Grenzwertes ist gemeint, dass der Massenanteil des Stoffes oder Stoffgemisches am Feststoff bereits höher liegt oder droht höher zu liegen als der definierte Grenzwert. Mit Unterschreitung eines Grenzwertes ist gemeint, dass der Massenanteil des Stoffes oder Stoffgemisches am Feststoff bereits niedriger liegt oder droht niedriger zu liegen als der definierte Grenzwert. Die Überschreitung eines oder mehrerer Grenzwerte für den Feststoff wird erfindungsgemäß direkt nach dem Austritt aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung), nach dem Austritt aus ggf. vorhandenen nachfolgenden Prozessstufen z. B. einer thermischen Trocknung (dritte Prozessstufe), einer Mahlung oder einer Kompaktierung oder unmittelbar vor dem Eintritt in Folgeprozesse ermittelt und bei einer Überschreitung das erfindungsgemäße Verfahren angewandt.
Bevorzugt wird eine andere Kombination aus einer hydrothermalen Karbonisierung, mechanischen Entwässerung mit einer Eindampfung vorgeschlagen, wobei dass

– in der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) gewonnene Filtrat, welches nicht direkt in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) zurückgeführt wird, in der vierten Prozessstufe (Eindampfung) durch Eindampfung in einen Rückstand und ein Kondensat zerlegt wird und
– der Anteil des Rückstandes aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, und der Anteil des Kondensates aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, so gewählt wird,
– dass das aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragen Filtrat oder der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragene Rückstand mindestens einen Grenzwert nicht überschreitet,
– wobei bei einer Überschreitung eines der Grenzwerte der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, reduziert wird und/oder der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird.

Das Wirkprinzip dieser bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrensführung liegt darin, dass die Menge an anorganischen Verunreinigungen die in die ersten und/oder zweiten Prozessstufe eingetragen werden dadurch eingestellt wird, dass so viele der mit der Biomasse in das erfindungsgemäße Verfahren eingetragenen anorganischen Verunreinigungen mit dem Rückstand aus der vierten Prozessstufe aus dem Verfahren ausgetragen werden, wie erforderlich sind, um eine unzulässige Anreicherung der anorganischen Verunreinigungen (die zum Beispiel zu einer Ablagerung führt), in der ersten und/oder zweiten Prozessstufe zu verhindern, wobei die Menge der aus dem Verfahren ausgetragenen anorganischen Verunreinigungen durch eine anteilige Rückführung des Rückstandes und/oder des Kondensats aus der vierten Prozessstufe in die erste und/oder zweite Prozessstufe eingestellt wird.
Als Grenzwert für das Filtrat oder den Rückstand wird eine Messgröße gewählt, der sicherstellt, dass es in der ersten Prozessstufe, zweiten Prozessstufe oder vierten Prozessstufe zu keiner Anlagerung von anorganischen Stoffen oder Stoffgemischen kommt, die die Prozessführung nachteilig beeinflussen, z. B. sich an Rohrleitungen oder Behälterwänden übermäßig anlagern. Geeignete Messgrößen sind zum Beispiel die elektrische Leitfähigkeit oder der Trockenstoffgehalt oder eine Kombination dieser.
Bevorzugt können die beiden oben genannten erfindungsmäßen alternativen Verfahrensführungen kombiniert werden, wobei dass

– in der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) gewonnene Filtrat, welches nicht direkt in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) zurückgeführt wird, in der vierten Prozessstufe (Eindampfung) durch Eindampfung in einen Rückstand und ein Kondensat zerlegt wird und
– der Anteil des Rückstandes aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, und der Anteil des Kondensates aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, so gewählt wird,
– dass der aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragene Feststoff mindestens einen Grenzwert nicht überschreitet und
– dass das aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragen Filtrat oder der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragene Rückstand mindestens einen Grenzwert nicht überschreitet,
– wobei bei einer Überschreitung eines der Grenzwerte der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, reduziert wird und/oder der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird.

Bevorzugt wird demnach neben des oder der Grenzwerte für den aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragenen Feststoff auch für das aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragene Filtrat oder den in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragenen Rückstand mindestens ein weiterer Grenzwert definiert, der zur Einstellung der Menge an zurückgeführtem Rückstand oder Kondensat genutzt wird. Dabei erfolgt eine Reduktion der Rückführung von Rückstand bzw. eine Erhöhung der Rückführung von Kondensat erfindungsgemäß bereits dann, wenn eine solche Maßnahme bei alleiniger Betrachtung des oder der Grenzwerte für den Feststoff oder des oder der Grenzwerte für das Filtrat oder den Rückstand nicht erforderlich wäre.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann verbessert werden indem die Einhaltung des oder der Grenzwerte durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens regelmäßig bevorzugt durch Messungen kontrolliert wird, wobei nach Auswertung der bevorzugten Messung

– bei einer Überschreitung des oder der Grenzwerte der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, reduziert wird und/oder der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird und
– bei einer Unterschreitung des oder der Grenzwerte der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird und/oder der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, reduziert wird.

Bevorzugt wird bei einer Überschreitung des oder der Grenzwerte zunächst der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, bevorzugt bis auf einen Anteil von unter 50 Ma.-% des gesamten Rückstandes aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) weiter bevorzugt auf einen Anteil von unter 25 Ma.-% des gesamten Rückstandes aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) weiter bevorzugt bis auf einen Anteil von unter 10 Ma.-% des gesamten Rückstandes aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) weiter bevorzugt bis auf einen Anteil von unter 5 Ma.-% des gesamten Rückstandes aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) reduziert, bevor der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird.
Bevorzugt wird bei einer Unterschreitung des oder der Grenzwerte zunächst der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird bevorzugt bis auf einen Anteil von unter 40 Ma.-% des gesamten Kondensats aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) weiter bevorzugt auf einen Anteil von unter 20 Ma.-% des gesamten Kondensats aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) weiter bevorzugt bis auf einen Anteil von unter 10 Ma.-% des gesamten Kondensats aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) weiter bevorzugt bis auf einen Anteil von unter 5 Ma.-% des gesamten Kondensats aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) reduziert, bevor der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird.
Der Anteil des Rückstandes der aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) in die ersten Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder in die zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) zurückgeführt wird kann zwischen 0% und 100% bezogen auf die Gesamtmenge des in der vierten Prozessstufe (Eindampfung) erzeugten Rückstandes liegen und der Anteil des Kondensats das aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) zurückgeführt wird kann zwischen 0% und 50% bezogen auf die Gesamtmenge des in der vierten Prozessstufe (Eindampfung) erzeugten Kondensats liegen. Bevorzugt wird eine Mindestmenge von bevorzugt 5 Ma.-% weiter bevorzugt von mindestens 3 Ma.-% des gesamten Kondensats aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) zurückgeführt.
Beinhaltet das erfindungsgemäße Verfahren eine dritte Prozessstufe (thermische Trocknung), so kann der Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) bevorzugt auch in die dritte Prozessstufe (thermische Trocknung) eingebracht werden. Weiterhin bevorzugt kann der in der dritten Prozessstufe erzeugte Prozessdampf in die vierte Prozessstufe (Eindampfung) eingebracht und dort kondensiert werden und das so erzeugte Kondensat genauso wie das Kondensat aus der eigentlichen Eindampfung verwendet werden. Beim Vorhandensein einer dritten Prozessstufe (thermische Trocknung) und bei Rückführung von Rückstand in die dritte Prozessstufe (thermische Trocknung) wird eine Überschreitung des oder der Grenzwerte für den Feststoff frühestens nach dem Verlassen der dritten Prozessstufe (thermische Trocknung) ermittelt.
Der aus dem Verfahren ausgetragene Rückstand kann bevorzugt ggf. nach einer weiteren Aufbereitung als Dünger Verwendung finden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird

– die Biomasse ggf. zusammen mit Rückstand und/oder Kondensat aus einer vierten Prozessstufe, der Eindampfung, in einer ersten Prozessstufe, der hydrothermalen Karbonisierung, mit Druck beaufschlagt und bei einer Temperatur zwischen 150°C und 250°C und einem Druck, der mindestens dem Sattdampfdruck bei der gewählten Prozesstemperatur entspricht für mindestens dreißig Minuten einer hydrothermalen Karbonisierung unterzogen und das sich bildende Karbonisierungsprodukt zurückgekühlt und entspannt und aus der ersten Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) ausgetragen und einer zweiten Prozessstufe, der mechanischen Entwässerung, zugeführt,
– die Wasserbilanz der ersten Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) durch die Zufuhr von Filtrat aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgeglichen,
– das aus der ersten Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) ausgetragene Karbonisierungsprodukt in der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ggf. zusammen mit Rückstand und/oder Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) mechanisch auf einen TS-Gehalt von mindestens 40% entwässert, das hierbei gewonnene Filtrat aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragen und der ersten Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder der vierten Prozessstufe (Eindampfung) zugeführt und der hierbei gewonnenen Presskuchen aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragen und einer dritten Prozessstufe, der thermischen Trocknung, zugeführt,
– der aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragene Presskuchen in der dritten Prozessstufe (thermische Trocknung) thermisch auf einen TS-Gehalt von mindestens 80 Ma.-% getrocknet, das verdampfte Wasser aus der dritten Prozessstufe (thermische Trocknung) ausgetragen und der vierten Prozessstufe (Eindampfung) zugeführt und das Trockenprodukt aus der dritten Prozessstufe (thermische Trocknung) ausgetragen und ggf. nach Kompaktierung, Lagerung, Transport und Mahlung als Biobrennstoff in Staubfeuerungen oder Flugstromvergasern genutzt,
– das aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragene und in die vierte Prozessstufe (Eindampfung) eingetragene Filtrat in dieser durch Verdampfung und Kondensation in Kondensat und Rückstand aufgespalten,
– das aus der dritten Prozessstufe (thermische Trocknung) ausgetragene und in die vierte Prozessstufe (Eindampfung) eingetragene verdampfte Wasser in dieser kondensiert,
– die so gewonnenen Kondensate aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) ausgetragen und der ersten Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) zugeführt und/oder ggf. nach einer weiteren Aufbereitung indirekt oder direkt eingeleitet und der Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) ausgetragen und der ersten Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) zugeführt und/oder einer Verwertung zugeführt,
– der Anteil des Rückstandes aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird und der Anteil des Kondensates aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, so gewählt, dass der erzeugte Biobrennstoff die für seinen Einsatz in der Vergasung oder Verbrennung geforderten Grenzwerte nicht überschreitet, wobei bei einer Überschreitung der Anteil an Rückstand, der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, reduziert wird und/oder der Anteil an Kondensat der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird.

Das Wirkprinzip dieser bevorzugten Verfahrensführung liegt darin, dass die in der Biomasse vorhandenen Verunreinigungen, die in der ersten Prozessstufe teilweise in die Wasserphase überführt werden und in der zweiten Prozessstufe teilweise mit dem Filtrat vom Presskuchen abgetrennt werden, in einer vierten Prozessstufe in einem Rückstand aufkonzentriert werden, wodurch ein im Verhältnis zum Filtrat sauberes Kondensat gewonnen wird und ganz oder teilweise als Abwasser aus dem Prozess ausgetragen wird und die Menge des als Abfall aus der vierten Prozessstufe auszutragenden Rückstandes durch eine anteilige Rückführung des Rückstandes in die erste oder zweite Prozessstufe minimiert wird, soweit durch diese Rückführung die Qualität des erzeugten Biobrennstoffes nicht beeinträchtigt wird und gleichzeitig oder alternativ das erzeugte Kondensat zur Verbesserung der Qualität des erzeugten Biobrennstoffes anteilig in die ersten oder zweite Prozessstufe zurückgeführt wird, wobei der Anteil des Rückstandes der zurückgeführt wird zwischen 0% und 100% bezogen auf die Gesamtmenge des in der vierten Prozessstufe erzeugten Rückstandes liegen kann und der Anteil des Kondensats das zurückgeführt wird zwischen 0% und 50% bezogen auf die Gesamtmenge des in der vierten Prozessstufe erzeugten Kondensats liegen kann. Weiterhin wird durch die hydrothermale Karbonisierung sichergestellt, dass der Biobrennstoff nach mechanischer Entwässerung, Trocknung und Mahlung fluidisierbar ist und in Staubfeuerungen und Flugstromvergasern genutzt werden kann.
Erfindungsgemäß kann die Verfahrensführung beim Einsatz von Biomasse mit einem hohen Aschegehalt von mehr als 10 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse bevorzugt, bei mehr als 20 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse verbessert werden, indem

– die Biomasse in einer der ersten Prozessstufe vorgelagerten Wäsche mit Waschwasser vermischt und von Mineralik befreit wird, wobei die Mineralik durch Schwerkrafttrennung auf einen Aschegehalt von mindestens 80 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse und einem TS-Gehalt von mindestens 40 Massen-% bezogen auf die Gesamtmasse aufkonzentriert und aus der Wäsche ausgetragen wird und das verbleibenden Organik-Mineralik Gemisch mit einem Aschegehalt von maximal 20 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse und einem Wassergehalt von maximal 85 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse aus der Wäsche ausgetragen und der ersten Prozessstufe zugeführt wird,
– der TS-Gehalt des Waschwassers durch Vermischung mit Filtrat aus der zweiten Prozessstufe oder Kondensat aus der vierten Prozessstufe auf einem Wert zwischen 5 Massen-% bezogen auf die Gesamtmasse und 20 Massen-% bezogen auf die Gesamtmasse eingestellt wird,
– das überschüssiges Waschwasser aus der Wäsche ausgetragen und der ersten Prozessstufe zugeführt wird.

Das Wirkprinzip dieser Verbesserung der erfindungsgemäßen Verfahrensführung liegt darin, dass die an der Biomasse anhaftenden Verunreinigungen wie Steine, Kies und Sand in einer der ersten Prozessstufe vorgelagerten Wäsche in die Wasserphase überführt werden und in dieser durch eine Schwerkrafttrennung aufkonzentriert und separat aus dem Verfahren ausgetragen und nicht in die erste Prozessstufe eingetragen werden, wobei als Waschwasser Prozesswasser aus der zweiten oder Kondensat aus der vierten Prozessstufe genutzt wird und das Waschwasser bei zunehmender Verunreinigung durch gelöste oder feine Organik der ersten Prozessstufe zugeführt und in dieser durch hydrothermale Karbonisierung wieder in – im Verhältnis zum Waschwasser saubereren – Filtrat überführt wird.
Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann erreicht werden, indem die Trocknung des Presskuchens in der dritten Prozessstufe in Dampfatmosphäre erfolgt und die Wärme des aus der dritten Prozessstufe ausgetragenen und in die vierte Prozessstufe eingetragenen verdampften Wassers in dieser zur Beheizung der Eindampfanlage genutzt wird. Bevorzugt ist die Eindampfanlage ein einstufiger oder mehrstufiger Zwangsumlaufverdampfer, wobei die erste Stufe bevorzugt mit dem aus der dritten Prozessstufe ausgetragenen und in die vierte Prozessstufe eingetragenen verdampften Wasser beheizt wird.

Wird der im erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Feststoff als Biobrennstoff eingesetzt so unterscheiden sich die Grenzwerte und zulässigen Bandbreiten der Grenzwerte je nach Anwendungsfall. Werden durch den Biobrennstoff beispielsweise Holzpellets ersetzt, so können die Grenzwerte der APEX-Endex, Amsterdam als Anhaltspunkt verwendet werden. Wird durch den Biobrennstoff Braunkohlenstaub substituiert, so kann die Zusammensetzung von Rheinischem und Lausitzer Braunkohlenstaub als Anhaltspunkt für die Grenzwerte genommen werden. Entscheidend für die endgültige Festlegung der Grenzwerte sind jedoch die technischen Anforderungen, die die Feuerungsanlage an den Biobrennstoff stellt, sowie die aus der emissionsschutzrechtlichen Genehmigung hervorgehenden Grenzwerte für Rauchgase, Asche und den Brennstoff. Alternativ können Grenzwerte auch durch Normen, einzelne Händler oder Handelsplatzformen vorgegeben werden. Beispiele für Grenzwerte sind in folgender Tabelle dargestellt.

	Einheit	Handelsplatz APEX	Getrocknete Braunkohle Lausitzer Revier	Getrocknete Braunkohle Rheinisches Revier
Elementarzusammensetzung
Chlor	Massen-% TS	≤ 0,1	≤ 0,2	≤ 0,2
Stickstoff	Massen-% TS	≤ 1,5	≤ 0,7	≤ 0,7
Schwefel	Massen-% TS	≤ 0,4	≤ 0,8	≤ 0,4
Spurenelemente
Arsen	mg/kg TS	≤ 6
Cadmium	mg/kg TS	≤ 10
Chrom	mg/kg TS	≤ 250
Ascheschmelzverhalten
Ascheerweichungstemperatur	°C	≥ 1.100	≥ 1.200	≥ 1.100
Aschefließtemperatur	°C		≥ 1.300	≥ 1.250

Ausführungsbeispiel:
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand eines ersten Ausführungsbeispiels, welches durch und Tabelle 1 weiter erläutert wird, beschrieben:
Einsatzstoff ist Biomasse aus der Landschaftspflege mit einem Wassergehalt (WG) von 55 Massen-% bezogen auf die Gesamtmasse und einem Anteil an organischer Trockensubstanz (OTS) von 90 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse (TS). Der Chlorgehalt des Einsatzstoffes liegt bei 0,4 Massen-%, der Stickstoffgehalt bei 1,2 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse. Die Ascheerweichungstemperatur liegt bei 1.010°C. Die geforderten Grenzwerte für den durch das erfindungsgemäße Verfahren zu erzeugenden Biobrennstoff liegen für Chlor bei < 0,2 Massen-% für Stickstoff bei < 1,0 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse und für die Ascheerweichungstemperatur bei größer 1.100°C.
10.000 kg/h Biomasse (1) wird in die erste Prozessstufe, eine hydrothermale Karbonisierung eingebracht. Weiterhin werden 6.093 kg/h Filtrat (Presswasser; 7) aus der zweiten Prozessstufe zum Ausgleich der Wasserbilanz der ersten Prozessstufe in diese eingebracht. Die Biomasse (1) und das Presswasser (7) werden in der ersten Prozessstufe erwärmt und mit Druck beaufschlagt und gemeinsam bei einer Temperatur von 215°C und einem Druck von 22 bar absolut über eine Dauer von 4 Stunden einer hydrothermalen Karbonisierung unterzogen. Dabei werden 660 kg/h Permanentgas (12) erzeugt und aus der ersten Prozessstufe ausgetragen. 15.432 kg/h Karbonisierungsprodukt (2) werden nach Rückkühlung und Entspannung mit einem Wassergehalt von 75% aus der ersten Prozessstufe ausgetragen und der zweiten Prozessstufe zugeführt. In der zweiten Prozessstufe wird das Karbonisierungsprodukt (2) zusammen mit 108 kg/h im Kreis geführtem Rückstand (9) aus der vierten Prozessstufe mechanisch auf einen Wassergehalt von 50% entwässert. Das abgetrennte Presswasser wird teilweise im Kreislauf geführt und der ersten Prozessstufe wieder zugeführt (7; 6.093 kg/h) und teilweise der vierten Prozessstufe (5; 2863 kg/h) zugeführt. Der in der zweiten Prozessstufe gewonnene Presskuchen (3; 6.585 kg/h) wird der dritten Prozessstufe zugeführt und dort thermisch auf einen Wassergehalt von 10% getrocknet und aus dieser ausgetragen und als Biobrennstoff (4; 4.001 kg/h) genutzt. Die Trocknung erfolgt in Dampfatmosphäre und das verdampfte Wasser (6; 2.584 kg/h) wird aus der dritten Prozessstufe ausgetragen und in die vierte Prozessstufe eingetragen. Das in die vierte Prozessstufe eingetragene Presswasser (5; 2.863 kg/h) wird dort durch Eindampfung in Kondensat und Rückstand zerlegt. Das aus dem Prozesswasser (5) gewonnene Kondensat wird zusammen mit dem kondensierten Dampf aus der dritten Prozessstufe (6) über 11 als 5.231 kg/h Abwasser aus dem Prozess ausgetragen und einer biologischen Aufbereitung zugeführt. Der aus dem Prozesswasser (5) gewonnene Rückstand wird nach Abzug des im Kreis geführten Rückstandes (9) über 8 als 108 kg/h Abfall zur Verwertung aus dem Prozess ausgetragen.

Nach Abschluss des Verfahrens liegt der Chlorgehalt des erzeugten Biobrennstoffs bei 0,1 Massen-%, der Stickstoffgehalt bei 0,8 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse. Die Ascheerweichungstemperatur liegt bei 1.190°C. Die geforderten Grenzwerte werden somit erreicht. Gleichzeitig wurde die Menge an Rückstand (8), die aus dem Prozess ausgetragen wird, durch Rückführung von 50% des in der vierten Prozessstufe erzeugten Rückstandes in die dritte Prozessstufe auf 108 kg/h halbiert. Weiterhin liegt der CSB-Gehalt des Abwassers/Kondensats (11) bei 9.000 mg/l und die biologische Abbaubarkeit desselben bei 98% und damit deutlich über dem CSB-Gehalt des Presswassers (5) mit 50.000 mg/l bei einer biologischen Abbaubarkeit von 85%. Die mit dem Biobrennstoff ausgetragene Aschemenge wurde gegenüber der mit der Biomasse in den Prozess eingetragenen Aschemenge um 12% reduziert, wobei aufgrund der Massenreduktion der organischen Trockensubstanz in der hydrothermalen Karbonisierung der Aschegehalt des Biobrennstoffes leicht über dem der eingesetzten Biomasse liegt.

Nr	Bezeichnung	Gesamt	OTS	Asche	Wasser
1	Biomasse	10.000	4.050	450	5.500
2	Karbonisierungsprodukt	15.433	3.298	560	11.574
3	Presskuchen	6.529	3.192	399	2.938
4	Biobrennstoff	3.967	3.173	397	397
5	Presswasser	2.811	34	51	2.727
6	Verdampftes Wasser	2.562	18	2	2.541
7	Presswasserkreislauf	6.092	73	110	5.910
8	Abfall/Rückstand	212	15	49	148
9	Rückstand Kreislauf	0	0	0	0
10	Kondensat Kreislauf	0	0	0	0
11	Abwasser/Kondensat	5.161	37	4	5.120
12	Permanentgas	660
Ausbeute		39,67%	78,35%	88,30%	7,21%

Tabelle 1: Aufbereitung von Biomasse aus der Landschaftspflege

Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiterhin anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels, welches durch und Tabelle 2 weiter erläutert wird, beschrieben:
Einsatzstoff ist Biomasse aus der Landwirtschaft mit einem Wassergehalt (WG) von 60 Massen-% bezogen auf die Gesamtmasse und einem Anteil an organischer Trockensubstanz (OTS) von 90 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse (TS). Der Chlorgehalt des Einsatzstoffes liegt bei 0,8 Massen-%, der Stickstoffgehalt bei 1,8 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse. Die Ascheerweichungstemperatur liegt bei 800°C. Die geforderten Grenzwerte liegen wie im ersten Ausführungsbeispiel für den durch das erfindungsgemäße Verfahren zu erzeugenden Biobrennstoff für Chlor bei < 0,2 Massen-% für Stickstoff bei < 1,0 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse und für die Ascheerweichungstemperatur bei größer 1.100°C.
10.000 kg/h Biomasse (1) wird in die erste Prozessstufe, eine hydrothermale Karbonisierung eingebracht. Weiterhin werden 1.394 kg/h Kondensat (10) aus der vierten Prozessstufe und 2.637 kg/h Presswasser (7) aus der zweiten Prozessstufe zum Ausgleich der Wasserbilanz der ersten Prozessstufe in diese eingebracht. Die Biomasse (1) und das Presswasser (7) werden in der ersten Prozessstufe erwärmt und mit Druck beaufschlagt und gemeinsam bei einer Temperatur von 215°C und einem Druck von 22 bar absolut über eine Dauer von 4 Stunden einer hydrothermalen Karbonisierung unterzogen. Dabei werden 583 kg/h Permanentgas (12) erzeugt und aus der ersten Prozessstufe ausgetragen. 13.448 kg/h Karbonisierungsprodukt (2) werden nach Rückkühlung und Entspannung mit einem Wassergehalt von 75% aus der ersten Prozessstufe ausgetragen und der zweiten Prozessstufe zugeführt. In der zweiten Prozessstufe wird das Karbonisierungsprodukt (2) mechanisch auf einen Wassergehalt von 50% entwässert. Das abgetrennte Presswasser wird teilweise im Kreislauf geführt und der ersten Prozessstufe wieder zugeführt (7; 2.637 kg/h) und teilweise der vierten Prozessstufe (5; 5.122 kg/h) zugeführt. Der in der zweiten Prozessstufe gewonnene Presskuchen (3; 5.689 kg/h) wird der dritten Prozessstufe zugeführt und dort thermisch auf einen Wassergehalt von 10% getrocknet und aus dieser ausgetragen und als Biobrennstoff (4; 3.457 kg/h) genutzt. Die Trocknung erfolgt in Dampfatmosphäre und das verdampfte Wasser (6; 2.232 kg/h) wird aus der dritten Prozessstufe ausgetragen und in die vierte Prozessstufe eingetragen. Das in die vierte Prozessstufe eingetragene Presswasser (5; 5.122 kg/h) wird dort durch Eindampfung in Kondensat und Rückstand zerlegt. Das aus dem Prozesswasser (5) gewonnene Kondensat wird zusammen mit dem kondensierten Dampf aus der dritten Prozessstufe (6) über 11 als 5.574 kg/h Abwasser aus dem Prozess ausgetragen und einer biologischen Aufbereitung zugeführt. Der aus dem Prozesswasser (5) gewonnene Rückstand wird über 8 als 386 kg/h Abfall zur Verwertung aus dem Prozess ausgetragen.

Nach Abschluss des Verfahrens liegt der Chlorgehalt des erzeugten Biobrennstoffs bei 0,2 Massen-%, der Stickstoffgehalt bei 0,9 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse. Die Ascheerweichungstemperatur liegt bei 1.150°C. Die geforderten Grenzwerte werden somit erreicht. Weiterhin liegt der CSB-Gehalt des Abwassers/Kondensats (11) bei 8.500 mg/l und die biologische Abbaubarkeit desselben bei 98% und damit deutlich über dem CSB-Gehalt des Presswassers (5) mit 50.000 mg/l bei einer biologischen Abbaubarkeit von 85%. Die mit dem Biobrennstoff ausgetragene Aschemenge wurde gegenüber der mit der Biomasse in den Prozess eingetragenen Aschemenge um 23% reduziert, wobei aufgrund der Massenreduktion der organischen Trockensubstanz in der hydrothermalen Karbonisierung der Aschegehalt des Biobrennstoffes nur leicht unter dem der eingesetzten Biomasse liegt.

Nr	Bezeichnung	Gesamt	OTS	Asche	Wasser
1	Biomasse	10.000	3.600	400	6.000
2	Karbonisierungsprodukt	13.448	2.913	449	10.086
3	Presskuchen	5.689	2.820	309	2.560
4	Biobrennstoff	3.457	2.804	307	346
5	Presswasser	5.122	61	92	4.968
6	Verdampftes Wasser	2.232	16	2	2.215
7	Presswasser Kreislauf	2.637	32	47	2.558
8	Abfall/Rückstand	386	27	88	270
9	Rückstand Kreislauf	0	0	0	0
10	Kondensat Kreislauf	1.394	10	1	1.382
11	Abwasser/Kondensat	5.574	40	4	5.530
12	Permanentgas	583
Ausbeute		34,57%	77,89%	76,79%	5,76%

Tabelle 2: Aufbereitung von Biomasse aus der Landwirtschaft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

AT 86234 [0010]
US 3552031 [0011]
US 3992784 [0012]
WO 2008081409 A2 [0013]
EP 1970431 A1 [0014]
WO 2008095589 A1 [0015]
WO 2010/112230 [0016]
EP 2206688 [0018]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 14961-1 [0004]

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines homogenen Feststoffes aus Biomasse dadurch gekennzeichnet, dass – in der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) gewonnene Filtrat, welches nicht direkt in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) zurückgeführt wird, in der vierten Prozessstufe (Eindampfung) durch Eindampfung in einen Rückstand und ein Kondensat zerlegt wird und – der Anteil des Rückstandes aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, und der Anteil des Kondensates aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, so gewählt wird, – dass der aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragene Feststoff mindestens einen Grenzwert nicht überschreitet oder – dass das aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragen Filtrat oder der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragene Rückstand mindestens einen Grenzwert nicht überschreitet, – wobei bei einer Überschreitung eines der Grenzwerte der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, reduziert wird und/oder der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass – in der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) gewonnene Filtrat, welches nicht direkt in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) zurückgeführt wird, in der vierten Prozessstufe (Eindampfung) durch Eindampfung in einen Rückstand und ein Kondensat zerlegt wird und – der Anteil des Rückstandes aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, und der Anteil des Kondensates aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, so gewählt wird, – dass der aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragene Feststoff mindestens einen Grenzwert nicht überschreitet und – dass das aus der zweiten Prozessstufe (mechanische Entwässerung) ausgetragen Filtrat oder der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragene Rückstand mindestens einen Grenzwert nicht überschreitet, – wobei bei einer Überschreitung eines der Grenzwerte der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, reduziert wird und/oder der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Grenzwert für den Feststoff der Massenanteil von Asche, Chlor, Schwefel, Stickstoff, Kalium eines oder mehrerer Schwermetalle und/oder eines oder mehrerer Halogene an der Gesamtmasse des Feststoffes verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als Grenzwert für das Filtrat oder den Rückstand die Leitfähigkeit oder der Trockenstoffgehalt verwendet werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einhaltung des oder der Grenzwerte regelmäßig kontrolliert wird, wobei – bei einer Überschreitung des oder der Grenzwerte der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, reduziert wird und/oder der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird und – bei einer Unterschreitung des oder der Grenzwerte der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung), der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird und/oder der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, reduziert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überschreitung des oder der Grenzwerte zunächst der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, reduziert wird, bevor der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Unterschreitung des oder der Grenzwerte zunächst der Anteil an Kondensat aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird reduziert wird, bevor der Anteil an Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) der in die erste Prozessstufe (hydrothermale Karbonisierung) und/oder zweite Prozessstufe (mechanische Entwässerung) eingetragen wird, erhöht wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine dritte Prozessstufe (thermische Trocknung) beinhaltet und der Rückstand aus der vierten Prozessstufe (Eindampfung) auch in die dritte Prozessstufe (thermische Trocknung) eingebracht wird und eine Überschreitung des oder der Grenzwerte für den Feststoff frühestens nach dem Verlassen der dritten Prozessstufe (thermische Trocknung) ermittelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine dritte Prozessstufe (thermische Trocknung) beinhaltet und der in der dritten Prozessstufe erzeugte Prozessdampf in die vierte Prozessstufe (Eindampfung) eingebracht und dort kondensiert wird und das so erzeugte Kondensat genauso wie das Kondensat aus der eigentlichen Eindampfung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse in einer der ersten Prozessstufe vorgelagerten Wäsche mit Waschwasser vermischt und von Mineralik befreit wird, wobei die Mineralik durch Schwerkrafttrennung auf einen Aschegehalt von mindestens 80 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse und einem TS-Gehalt von mindestens 40 Massen-% bezogen auf die Gesamtmasse aufkonzentriert und aus der Wäsche ausgetragen wird und das verbleibende Organik-Mineralik Gemisch mit einem Aschegehalt von maximal 20 Massen-% bezogen auf die Trockenmasse und einem Wassergehalt von maximal 85 Masse-% bezogen auf die Gesamtmasse aus der Wäsche ausgetragen und der ersten Prozessstufe zugeführt wird, der TS-Gehalt des Waschwassers durch Vermischung mit Filtrat aus der zweiten Prozessstufe oder Kondensat aus der vierten Prozessstufe auf einen Wert zwischen 5 Massen-% bezogen auf die Gesamtmasse und 20 Massen-% bezogen auf die Gesamtmasse eingestellt wird, das überschüssige Waschwasser aus der Wäsche ausgetragen und der ersten Prozessstufe zugeführt wird.