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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entnahme von Biomasse aus einem Schlamm. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung von bei einer Zelluloseproduktion entstehender Schwarzlauge und zur Verarbeitung von Abwasser.
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Prozessbedingt fallen bei der industriellen Papierherstellung größere Mengen Abwasser an. Bei der Behandlung des Abwasserstroms entstehen feuchte Schlämme, die sich im Wesentlichen aus Fasermaterial, Asche und Chemikalien zusammensetzen.
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Die feuchten Schlämme werden derzeit häufig unter Einsatz von mechanischer bzw. thermischer Energie getrocknet und anschließend als Abfall entsorgt oder thermisch behandelt. Dadurch bleibt hierin vorhandene Biomasse entweder ungenutzt oder wird mit niedrigem Wirkungsgrad verbrannt.
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Bei der Produktion von Zellstoff für die Papierherstellung findet weltweit hauptsächlich der so genannte Kraftaufschluss Verwendung. Der Holzaufschluss im Kraftprozess geschieht bei Temperaturen zwischen 150ºC und 170ºC mit einer alkalischen Lösung, die hauptsächlich Natriumhydroxid (NaOH) und Natriumsulfid (Na2S) enthält. In dieser erhitzt man über einen längeren Zeitraum Hackschnitzel oder zerkleinerte Pflanzenteile in Druckkesseln bei erhöhtem Druck.
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Während des mehrstündigen Aufschlusses werden das Lignin aus der Biomasse herausgelöst und die Sulfide zu Sulfat oxidiert. Nach der Abtrennung der Zellulose verbleibt die als Schwarzlauge (week black liquor) bezeichnete verbrauchte Aufschlusslösung mit einem Wassergehalt von 80% bis 85%. Sie ist ein Gemisch aus dem nach der Zellstoffabtrennung zurückbleibenden Lignin, Wasser und den Chemikalien. Letztere müssen extrahiert und regeneriert werden, um sie dann erneut für den Faseraufschluss einzusetzen.
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Der Trockengehalt der Schwarzlauge nach der Holzfaserabtrennung beträgt etwa 15% bis 20%. Sie wird deshalb unter großem energetischem Aufwand in dampfbeheizten Eindampfungsanlagen (evaporators) auf einem Trockengehalt von 70% bis 85% konzentriert. Dabei anfallender Teer muss abgeschöpft werden.
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Anschließend werden durch gestufte, reduzierende Verbrennungen der eingedickten Schwarzlauge (black liquor) im Rückgewinnungskessel (recovery boiler) die organischen Bestandteile entfernt und Sulfate wieder zu Sulfid reduziert. Auf dem Kesselboden bildet sich dabei eine Schmelze, bei der es sich im Wesentlichen um die reduzierten Chemikalien handelt. Die neu entstandene Grünlauge (green liquor) wird durch Kaustifizierung mit Kalk zur Erhöhung des Natriumhydroxid-Anteiles zu Weißlauge (white liquor) umgesetzt und kann dann erneut für den Faseraufschluss eingesetzt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Entnahme von Biomasse aus einem Schlamm und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren zur Verarbeitung von bei einer Zelluloseproduktion entstehender Schwarzlauge und zur Verarbeitung von Abwasser anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens zur Entnahme von Biomasse aus einem Schlamm durch die Merkmale des Anspruchs 1, hinsichtlich der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 5, hinsichtlich des Verfahrens zur Verarbeitung von Schwarzlauge durch die Merkmale des Anspruchs 9 und hinsichtlich des Verfahrens zur Verarbeitung von Abwasser durch die Merkmale des Anspruchs 12 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Entnahme von Biomasse aus einem Schlamm werden Wasser und Biomasse des Schlamms durch hydrothermale Vergasung des Schlamms in ein Reaktionsgas umgesetzt und das Reaktionsgas wird anschließend dem hydrothermal vergasten Schlamm entnommen. Das Reaktionsgas enthält dabei vor allem Kohlendioxid, Methan und Wasserstoff.
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Das Verfahren ermöglicht somit vorteilhaft, in einem Schlamm enthaltene Biomasse mittels hydrothermaler Vergasung ohne weitere Entwässerung nachgelagerten Prozessen zuzuführen und damit weiter zu nutzen (Bio-Kaskadierung).
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass bei der hydrothermalen Vergasung ein Katalysator verwendet wird.
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Durch die Verwendung geeigneter Katalysatoren können vorteilhaft die Geschwindigkeit der hydrothermalen Vergasung erhöht und/oder der Energiebedarf der hydrothermalen Vergasung reduziert werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Schlamm vor der hydrothermalen Vergasung verdichtet und mittels eines Wärmetauschers und/oder eines Vorheizers erhitzt wird.
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Dadurch wird der Schlamm bereits vor der eigentlichen hydrothermalen Vergasung für die Vergasung präpariert, so dass die Vergasung selbst schneller und mit geringerem Aufwand erfolgen kann. Ferner kann durch die Verwendung eines Wärmetauschers und/oder eines Vorheizers anderweitig vorhandene Wärme vorteilhaft für die Erhitzung des Schlamms verwendet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der hydrothermal vergaste Schlamm zur Entnahme des Reaktionsgases abgekühlt wird und danach das Reaktionsgas dem hydrothermal vergasten Schlamm durch Druckentspannung entnommen wird.
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Dies ermöglicht vorteilhaft eine einfache und effektive Entnahme des Reaktionsgases von dem übrigen hydrothermal vergasten Schlamm, da letzterer durch die Abkühlung und Druckentspannung in die flüssige Phase übergeht und somit durch Phasentrennung von dem Reaktionsgas abgetrennt werden kann.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entnahme von Biomasse aus einem Schlamm umfasst einen Reaktor und eine Heizvorrichtung zur Durchführung der hydrothermalen Vergasung des Schlamms und eine Abscheidevorrichtung zur Entnahme des Reaktionsgases aus dem hydrothermal vergasten Schlamm.
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Eine derartige Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entnahme von Biomasse aus einem Schlamm mit den oben genannten Vorteilen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung einer derartigen Vorrichtung umfasst eine Hochdruckpumpe zum Verdichten von Schlamm vor dessen Einleitung in den Reaktor. Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Heizvorrichtung einen Wärmetauscher und/oder einen Vorheizer zum Erhitzen von Schlamm umfasst.
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Diese Ausgestaltungen ermöglichen vorteilhaft eine Präparation des Schlamms vor der eigentlichen hydrothermalen Vergasung mit den bereits oben genannten Vorteilen. Der Wärmetauscher und/oder der Vorheizer können dabei außerhalb oder innerhalb des Reaktors angeordnet sein.
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Eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Heizvorrichtung eine Rauchgasbeheizung umfasst.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht vorteilhaft die Verwendung von Rauchgas zu der Erhitzung des Schlamms und damit eine ressourcenschonende und energieeffiziente hydrothermale Vergasung des Schlamms.
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Bei einer erfindungsgemäßen Verarbeitung von bei einer Zelluloseproduktion entstehender Schwarzlauge werden in der Schwarzlauge enthaltenes Wasser und Lignin durch hydrothermale Vergasung der Schwarzlauge in ein Reaktionsgas umgesetzt und das Reaktionsgas wird anschließend der hydrothermal vergasten Schwarzlauge entnommen.
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Dadurch wird die bekannte zweistufige Verbrennung (reduzierend-oxidierend) mit vorgeschalteter energieintensiver Aufkonzentration von Schwarzlauge in dampfbeheizten Eindampfungsanlagen durch eine einstufige hydrothermale Vergasung mit einem hohen Wirkungsgrad abgelöst. Gemäß dem Stand der Technik wird Schwarzlauge nämlich über mehrere Evaporationsstufen unter hohem Apparatur- und Energieaufwand auf 70% bis 85% Trockengehalt aufkonzentriert. Diese Aufkonzentration entfällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vollständig, da hier Biomasse der Schwarzlauge mit dem anfänglichen Trockengehalt von 15% bis 20% direkt in Gas umgesetzt wird. Anstelle der aufwendigen Rückgewinnung in einem Kessel werden die Chemikalien im Wesentlichen in verbesserter Qualität durch einfache Flüssigkeits-/Gasabscheidung zurückgewonnen. Als Energieträger kann das Gas ferner vorteilhaft zur Erzeugung des notwendigen Prozessdampfes und -stromes genutzt werden. Alternativ kann es in Biotreibstoffe der zweiten Generation umgewandelt werden. Im Unterschied zur bekannten Verarbeitung von Schwarzlauge fällt ferner bei der erfindungsgemäßen Verarbeitung von Schwarzlauge kein Teer an, der abgeschöpft werden muss.
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Vorzugsweise wird die Schwarzlauge vor der hydrothermalen Vergasung in einem Druckgefäß auf einen unterkritischen Zustand mit einer Temperatur von etwa 350ºC und einem Druck von etwa 220 bar erhitzt und danach in dem unterkritischen Zustand in einen Reaktor zur hydrothermalen Vergasung geleitet.
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Dadurch wird die Schwarzlauge für die hydrothermale Vergasung präpariert und die Vergasung im Reaktor kann schnell durchgeführt werden.
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Ferner werden bei der hydrothermalen Vergasung der Schwarzlauge vorzugsweise Ruthenium und/oder Nickel als Katalysator verwendet.
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Diese Katalysatoren eignen sich besonders vorteilhaft, die Geschwindigkeit der hydrothermalen Vergasung von Schwarzlauge zu erhöhen und/oder den Energiebedarf der hydrothermalen Vergasung von Schwarzlauge zu reduzieren.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht dementsprechend vor, nach der Zelluloseabtrennung entstandene Schwarzlauge mit einem Trockengehalt von 15% bis 20% in einem Druckgefäß auf einen knapp unterkritischen Zustand zu erhitzen (350ºC bei 220 bar). In diesem Zustand wird die Schwarzlauge anschließend in einen Reaktor geleitet. Hier läuft dann das chemische Verfahren der katalytischen hydrothermalen Umsetzung ab: Durch die katalytische Wirkung des hohen Alkaliengehaltes der Schwarzlauge und dem zusätzlichen Einsatz von geeigneten Katalysatoren (z. B. Ruthenium oder Nickel) hat sich nach einer bestimmten Reaktionszeit von typisch weniger als einer Stunde das Lignin fast vollständig (zu mehr als 99%) umgesetzt. Das Reaktionsprodukt wird anschließend zunächst abgekühlt, z. B. unter Verwendung eines Quenches oder eines Wärmetauschers, und wird dann in einem Flüssigkeits-/Gasabscheider in Reaktionsgas und -flüssigkeit umgewandelt. Dieses enthält Methan und Kohlendioxid (ohne Stickstoff-Anteile) sowie Sauergase, die in einer nachgelagerten Reinigungseinheit abgeschieden werden. Das verbleibende Gas kann so direkt zur Energiegewinnung eingesetzt werden, da Motoren, Gasturbinen und Brennstoffzellen mit diesem Gas betrieben werden können.
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Die Reaktionsflüssigkeit wird vorzugsweise mit dem rückgewonnenen Sauergas versetzt. Bestenfalls entsteht dabei bereits Weißlauge. Andernfalls kann die entstandene Flüssigkeit mittels Zugabe geeigneter Zusätze in diese umgesetzt werden. Alternativ kann das Verfahren parallel zum klassischen Boiler-Verfahren betrieben werden, um beispielsweise die Anlagenkapazität zu erhöhen (als Bypass). In dieser Variante können die Reaktionsflüssigkeit und das rückgewonnene Sauergas direkt der Grünlauge zugesetzt werden, die dann nach klassischer Aufbereitung zur Weißlauge wieder für den Faseraufschluss eingesetzt wird.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verarbeitung von Abwasser wird aus dem Abwasser ein Abwasserschlamm gewonnen und dem Abwasserschlamm wird mittels des oben genannten erfindungsgemäßen Verfahrens Biomasse entnommen.
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Dadurch wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Entnahme von Biomasse aus Schlamm mit den oben genannten Vorteilen bei der Verarbeitung von Abwasser eingesetzt.
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Gegenüber bekannten Verfahren zur Verarbeitung von Abwasser hat das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft eine neutrale oder sogar negative Kohlendioxidbilanz, denn Energie aus Biomasse ist Kohlendioxid-neutral und erneuerbar und durch eine nachgelagerte Abtrennung des Kohlendioxids vom Produktgas Methan und Nutzung beispielsweise für die Algenzucht kann sogar eine negative Kohlendioxidbilanz erreicht werden. Ferner ergibt sich gegenüber bekannten Verfahren eine Energieeinsparung und bei Nutzung des entstehenden Reaktionsgases zur Energieerzeugung sogar eine zusätzliche Energiegewinnung. Außerdem entfällt vorteilhaft ein der Verarbeitung der Abwasserverarbeitung nachgelagerter Entsorgungsprozess für bei der Verarbeitung anfallenden Abfall. Schließlich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft nach der Abtrennung des Reaktionsgases die Rückgewinnung von Chemikalien aus der zurückbleibenden Reaktionsflüssigkeit.
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Der Abwasserschlamm wird beispielsweise bei einer Klärung des Abwassers gewonnen und aus dabei anfallendem Klärschlamm gebildet.
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Dies ermöglicht vorteilhaft die erfindungsgemäße Verarbeitung von Klärschlamm.
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Insbesondere kann der Abwasserschlamm aus Klärschlamm gebildet werden, der bei einer Vorklärung des Abwassers als Primärschlamm oder/und bei einer einer Vorklärung nachgeschalteten Klärung mittels Sedimentation anfällt.
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Auf diese Weise können sowohl bei einer Vorklärung des Abwassers anfallender Primärschlamm als auch bei einer nachgeschalteten Klärung anfallender Klärschlamm erfindungsgemäß verarbeitet werden.
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Vorzugsweise wird der Abwasserschlamm vor der Entnahme der Biomasse entsalzt.
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Dadurch können einerseits Salze aus dem Abwasserschlamm in konzentrierter Form zurückgewonnen und weiterverwendet oder anderweitig verwendet werden. Ferner werden vorteilhaft gelöste Salze aus dem Abwasserschlamm entfernt, die zur Korrosion des Reaktors führen und die Standzeit des Katalysators verkürzen können.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels zur Abwasserverarbeitung, das im Zusammenhang mit der einzigen Figur näher erläutert wird.
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Zunächst wird Abwasser 1 in einer Vorklärvorrichtung 2 vorgeklärt. Nach der Vorklärung wird ein Primärschlamm 3 ausgeschleust. Gegebenenfalls wird anschließend der Restabwasserstrom 4 ganz oder teilweise einer aeroben biologischen Behandlungsstufe 5 zugeführt. Bei einer nachgelagerten Klärung in einer Nachklärvorrichtung 6 mittels Sedimentation wird anfallender Bioschlamm 7 dem zuvor gewonnenen Primärschlamm 3 zugeführt. Das so gewonnene nasse Material mit einem Wassergehalt von bis zu 90% enthält organische Biomasse, Asche und Chemikalien. Durch Abtrennung der enthaltenen Salze wird daraus Abwasserschlamm 8 gewonnen, der einer geeigneten Vorrichtung 9 zur hydrothermalen Vergasung zugeführt wird. In einem Versorgungsteil der Vorrichtung 9 wird der Abwasserschlamm 8 mit einer nicht näher dargestellten Hochdruckpumpe verdichtet und kontinuierlich in einen Reaktor 10 der Vorrichtung 9 gefördert. Dort wird der verdichtete Abwasserschlamm 8 mittels einer Heizvorrichtung 11, die einen Wärmetauscher und Vorheizer umfasst, aufgeheizt und, gegebenenfalls unter Verwendung eines Katalysators, umgesetzt. Als wesentliche Reaktionsprodukte entstehen so Methan, Wasserstoff und Kohlendioxid 13, die in einer homogenen wässrigen Phase gelöst sind. Die benötigte Reaktionsenergie wird beispielsweise durch Rauchgasbeheizung des Vorheizers und des Reaktors 10 aufgebracht.
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Die den Reaktor 10 verlassenden Gase werden im Gegenstrom durch den Wärmetauscher geführt und dabei wird Wärme an aufzuheizenden Abwasserschlamm 8 abgegeben. Beim Abkühlen des Gases wird Restwärme mittels Kühlwasser, das zur Dampferzeugung verwendet werden kann, abgeführt, und das Reaktionsgas 12 trennt sich von der Reaktionsflüssigkeit. In einer nicht näher dargestellten Abscheidevorrichtung wird das gebildete Reaktionsgas 12 von der Reaktionsflüssigkeit durch Druckentspannung abgetrennt. Durch geeignete Gaswäsche kann nun unerwünschtes Kohlendioxid 13 von dem Reaktionsgas 12 abgetrennt und z B. gelagert werden. Das entstehende Produktgas besteht im Wesentlichen aus Wasserstoff und Methan und kann vor Ort zur Energieerzeugung, beispielsweise mittels einer Gasturbine, oder zur chemischen Nutzung verwendet werden. Die Reaktionsflüssigkeit wird einer weiteren Sedimentation zur Abscheidung des enthaltenen Aschematerials zugeführt und kann anschließend ohne weitere Behandlung in den Vorfluter eines Klärwerkes eingeleitet werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
