DE102014014165A1

DE102014014165A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Verwertung von Algen-Biomasse

Info

Publication number: DE102014014165A1
Application number: DE102014014165.9A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Zander
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-03-24

Abstract

Es werden eine Vorrichtung, sowie ein Verfahren zur Verwertung von Biomasse, insbesondere von Algen-Biomasse, ausgeführt als in einen temperierbaren Mantelraum eingefügter Rohrreaktor, mit einer Leckdetektionseinheit, indem der Rohrreaktor ineinander angeordnete Rohre, mit mindestens einem inneren und mindestens einem äußeren Rohr und dazwischen liegendem Ringspalt aufweist, vorgeschlagen. Zusätzlich wird das innere Rohr mit einem korrosiven Medium, insbesondere einem Medium mit hohen Salzgehalten durchströmt und das äußere Rohr mit einem Spülmedium, insbesondere Wasser.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verwertung von Biomasse, insbesondere von Algen-Biomasse, ausgeführt als in einen temperierbaren Mantelraum eingefügter Rohrreaktor, mit einer Leckdetektionseinheit, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
Die stoffliche Verwertung von Biomasse, gewinnt in Bezug auf die endlichen fossilen Rohstoffvorkommen eine zunehmende Bedeutung. So können aus verschiedenen Biomassearten auch Öle gewonnen werden. Dazu zählen die typischen Pflanzenöle (z. B. Rapsöl, Palmöl), welche unter anderem als Treibstoffersatz oder -zusatz verwendet werden können. Öl, welches in klassischen Raffinieren zu chemischen Erzeugnissen weiter verarbeitet werden kann, wird beispielsweise aus Algen-Biomasse gewonnen. Algen bieten den besonderen Vorteil, gegenüber Landpflanzen, dass sie zur Vermehrung und zum Wachstum nur Licht, Kohlendioxid und Wasser benötigen. Sie können so auch in landwirtschaftlich uninteressanten Gegenden kultiviert werden. Zudem kann das klimaschädliche Kohlendioxid, welches beispielsweise in Verbrennungsprozessen als Abgas entsteht, für den Anbau genutzt werden. So benötigt man um ein Barrel Öl aus Algen herzustellen ca. 600 kg Kohlendioxid. Im Vergleich zu fossilem Öl, können mit biobasiertem Öl ca. 80% der Kohlendioxid-Emissionen eingespart werden. Das biobasierte Öl kann technisch ebenso zu Kerosin, Diesel, Benzin und anderen Produkten weiterverarbeitet werden wie fossiles Öl. Allerdings unterscheidet sich die Gewinnung des Öles. Trockene Biomasse kann entweder gepresst werden oder das Öl muss aus der wässrigen ölhaltigen Biomasse extrahiert werden, was meist über einen thermischen Aufschluss geschieht. Ein Verfahren ist beispielsweise aus US 8 192 628 B2 bekannt. Die Biomassesuspension wird dabei unter erhöhtem Druck und Temperatur, meist gerührt, gehalten. Die Bedingungen können dabei nahe am kritischen Punkt des Wassers liegen und so hohe Drücke (bis 220 bar) bei gleichzeitig hohen Temperaturen (bis 400°C) aufweisen. Für den thermischen Aufschluss eigenen sich verschiedene Reaktormodelle, wie Rührkessel, bevorzugt jedoch Rohrreaktoren.
Dabei muss jedoch die Stabilität des Reaktormaterials bezüglich der hohen Drücke und Temperaturen gewährleistet sein. Bei der Verarbeitung von Biomasse aus korrosiven Medien, insbesondere bei Algen, welche in Salzwasser kultiviert werden, muss das Material zusätzlich diesen aggressiven Bedingungen standhalten.
Es gibt besondere Werkstoffe, insbesondere Stahllegierungen die diesen Bedingungen standhalten, jedoch steigen dadurch die Investitionskosten, da besonders für die hohen Drücke eine große Menge des entsprechenden korrosionsbeständigen Materials benötigt wird um die entsprechende Wandstärke zu realisieren. Andere Vorrichtungen sind aus günstigeren Werkstoffen, die zwar druck- und temperaturstabil aber nicht korrosionsbeständig sind, gefertigt. Die Korrosionsbeständigkeit wird meist über eine zusätzliche Beschichtung des Rohres realisiert. Hieraus ergeben sich ebenfalls Nachteile, da der Beschichtungsvorgang kostenintensiv ist und zudem die Beschichtung anfällig für mechanische Beanspruchungen ist. Es ist schwierig die Unversehrtheit der Beschichtung zu kontrollieren um Beschädigungen des darunter liegende Materials rechtzeitig zu entdecken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verwertung von Biomasse, insbesondere von Algen-Biomasse, ausgeführt als in einen temperierbaren Mantelraum eingefügter Rohrreaktor, mit einer Leckdetektionseinheit, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung, so auszugestalten, dass die beschriebenen Nachteile vermieden werden.
Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass der Rohrreaktor ineinander angeordnete Rohre, mit mindestens einem inneren und mindestens einem äußeren Rohr und dazwischen liegendem Ringspalt aufweist. Der Ringspalt sollte dabei so klein wie möglich ausfallen, ohne die Effektivität der Vorrichtungsfertigung zu gefährden.
Eine bevorzugte Ausführung des Rohrreaktors, sieht vor, dass das innere Rohr mit dem äußeren Rohr über einen Querschnitt in Kontakt steht. Der Querschnitt ist klein genug um einen Druckausgleich zu ermöglichen, aber das Diffundieren des aggressiven Mediums zu verhindern.
Bevorzugt besteht das innere Rohr aus einem korrosionsbeständigen Material, welches insbesondere gegenüber wässrigen Lösungen mit hohen Salzgehalten beständig ist.
Vorteilhafterweise weist das äußere Rohr eine Druckfestigkeit in Höhe von 50 bis 300 bar, insbesondere 200 bar auf. Weiterhin weist die Vorrichtung bevorzugt eine Messeinrichtung, angebracht im äußeren Rohr, auf, welche die Leitfähigkeit des Mediums im äußeren Rohr misst um eine Leckage des inneren Rohres zu detektieren.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Verwertung von Biomasse, insbesondere von Algen-Biomasse, ausgeführt in einem Rohrreaktor, entsprechend einer Vorrichtung mit den zuvor beschriebenen Merkmalen.
Verfahrensseitig wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das innere Rohr mit einem korrosiven Medium, insbesondere einem Medium mit hohen Salzgehalten beaufschlagt wird und das äußere Rohr mit einem Spülmedium, insbesondere Wasser. Speziell die Kultivierung von Meeresalgen findet in einem Medium mit hohen Salzgehalten statt. Da das äußere Rohr über einen Querschnitt, vor allem zum Druckausgleich, mit dem inneren Rohr verbunden ist, wird ein Spülstrom im äußeren Rohr verwendet um das diffundieren von korrosivem Medium nach außen zu verhindern. Bevorzugt wird als Spülstrom Wasser, da dieses dem Algenstrom zugeführt werden kann und so nicht separat aufbereitet oder weiterverarbeitet werden muss.
Vorteilhafterweise wird der Volumenstrom des Spülmedium groß genug gewählt, um zu verhindern, dass das korrosive Medium mit dem äußeren Rohr in Kontakt kommt. Trotz einer minimalen Größe des Querschnitts zum Druckausgleich würde das korrosive Medium in das äußere Rohr diffundieren. Diese Diffusion wird jedoch durch den Spülstrom verhindert.
Zur Detektion einer Leckage des inneren Rohrs wird vorteilhafterweise die Messung der Leitfähigkeit des Mediums im äußeren Rohr verwendet. Besonders bei Wasser ist die Änderung der Leitfähigkeit durch eine steigende Salzkonzentration einfach und schnell zu detektieren. So kann ein möglicher Defekt des inneren Rohres des Rohreaktors schnell erfasst und behoben werden. Dadurch können Gefahren und größere Schäden vermieden werden.
Eine besonders bevorzugte Verfahrensvariante ist es, wenn das Spülmedium, insbesondere Wasser, dem inneren Medium, insbesondere einer Algen-Biomasse, an mindestens einer Stelle des Reaktors zugeführt werden kann. Wasser eignet sich hierfür besonders, da es sich bei der Biomasse in den meisten Fällen bereits um einen wässrigen Strom handelt.
Die Erfindung bietet folgende Vorteile:
Vorrichtungsseitig bietet die Erfindung eine kostengünstige Alternative zur Errichtung eines Rohrreaktors für korrosive Medien unter Bedingungen bei denen hohe Drücke und Temperaturen herrschen.
Durch die Anbringung einer Messeinrichtung im äußeren Rohr, im Besonderen einer Leitfähigkeitssonde, wurde eine effektive Methode zur Überwachung des Rohrreaktors geschaffen. Etwaige Leckagen können schnell erfasst und behoben werden bevor weitreichendere Gefahren oder Schäden entstehen.
Durch die Verwendung von Wasser als Spülstrom, welches direkt dem Biomassestrom zugeführt werden kann, ist keine zusätzliche Einrichtung zur Aufreinigung, Weiterverarbeitung oder Entsorgung des Spülmediums notwendig.
Technische Vorteile bringt die Erfindung bei allen Reaktionen und Prozessen in denen korrosive Medien behandelt werden. Hierzu zählen z. B. Säuren und Laugen aus chemischen Prozessen, aber auch Biomassearten wie beispielsweise Algen-Biomasse. Dies gilt besonders für Meeresalgen, welche in Salzwasser kultiviert werden, wodurch aggressive Medien entstehen.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur näher erläutert.
1 zeigt schematisch einen Rohrreaktor mit Ringspalt.
Der Rohrreaktor, dargestellt in 1, besteht aus einem inneren Rohr iR und einem äußeren Rohr aR. Über einen Zufluss 1 wird Algen-Biomasse eingeleitet und über eine Herausführung 4 der Produktstrom entfernt. Der Spülgasstrom im äußeren Rohr wird über die Zuführung 2 eingeleitet und in diesem Beispiel über die Ableitung 3 dem Algen-Biomassestrom zugeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8192628 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Verwertung von Biomasse, insbesondere von Algen-Biomasse, ausgeführt als in einen temperierbaren Mantelraum eingefügter Rohrreaktor, mit einer Leckdetektionseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrreaktor ineinander angeordnete Rohre, mit mindestens einem inneren und mindestens einem äußeren Rohr und dazwischen liegendem Ringspalt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr mit dem äußeren Rohr über einen Querschnitt in Kontakt steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Rohr bevorzugt aus einem korrosionsfesten Material gefertigt ist, insbesondere aus einem gegenüber wässrigen Lösungen mit hohen Salzgehalten beständigen Material.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Rohr, eine Druckfestigkeit in Höhe von 50 bis 300 bar, insbesondere 200 bar aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion einer Leckage des inneren Rohres, im äußeren Rohr eine Messeinrichtung angebracht ist, die die Leitfähigkeit des Mediums im äußeren Rohr misst.
Verfahren zur Verwertung von Biomasse, insbesondere von Algen-Biomasse, ausgeführt in einem Rohrreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass das innere Rohr mit einem korrosiven Medium, insbesondere einem Medium mit hohen Salzgehalten beaufschlagt wird und das äußere Rohr mit einem Spülmedium, insbesondere Wasser.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Spülmediums groß genug ist um zu verhindern, dass das korrosive Medium mit dem äußeren Rohr in Kontakt kommt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit des Mediums im äußeren Rohr gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülmedium, insbesondere Wasser, dem inneren Medium, insbesondere einer Algen-Biomasse, an mindestens einer Stelle des Reaktors zugeführt wird.