-
Die Herausforderungen durch den Klimawandel nehmen international zu. Für Gesellschaft und Ingenieure gilt als Hauptaufgabe das Abschwächen des Treibhauseffekts durch die Vermeidung und Verminderung des Ausstoßes von CO2 sowie die Speicherung von CO2. Durch die Speicherung von CO2 kann dieser langfristig der Atmosphäre entzogen werden.
-
Nicht nur der Klimawandel an sich, sondern auch seine Folgen sind bedeutsam. Die intensive landwirtschaftliche Nutzung von Böden führt zur Verringerung der Nährstoffe des Bodens und zu dessen Verdichtung. Außerdem führen die klimatischen Veränderungen zur Verödung von Böden, bei einem gleichzeitig wachsenden Bedarf an hochwertigen Lebensmitteln durch eine wachsende Weltbevölkerung und wachsende Ansprüche der Konsumenten.
-
Technologien zur Speicherung von CO2 werden international erprobt. CCS (Carbon Capture and Storage), das Speichern von CO2 im Untergrund oder am Meeresboden ist eine der bekanntesten Technologien. Eine weitere Möglichkeit ist es Kohlenstoff als Feststoff zu inertisieren, wodurch dieser nicht oder kaum noch durch biologische Prozesse abgebaut werden kann und für Jahrhunderte gebunden bleibt. Die erneute Bildung von CO2 aus diesem inerten Kohlenstoff (Kohle) wird somit unterbunden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Speicherung und Lagerung von festem Kohlenstoff weit weniger aufwändig ist, als das Speichern von CO2 als Gas oder -bei entsprechendem Druck- auch als Flüssigkeit. (Bio)Kohle ist somit eine echte nachhaltige CO2-Senke, mit einer sogar negative CO2-Bilanz.
-
Durch Verkohlungsprozesse wie z.B. die Pyrolyse werden organische Stoffe in Gas (Synthesegas), Flüssigkeit (Öl und Teer) sowie Feststoffe (Kohle, Asche) umgewandelt. Das Gas und die entstandenen dampfförmigen Flüssigkeiten könnten vor Ort energetisch genutzt werden. Aufgrund unterschiedlicher Faktoren (geringe Gasmenge, geringe Energiedichte, mögliche Probleme beim Abkühlen des Gases durch Bildung von Kondensaten sowie Öle und Teere, etc.) wird eine unmittelbare Verbrennung und thermische Nutzung bevorzugt. Die dabei entstehende Kohle/Asche kann deponiert werden. Neben der Deponierung ist der Einsatz der Kohle als Substrat für Böden möglich. Die (Bio)kohle lockert den Boden auf und kann Wasser sowie Nährstoffe speichern. Darüber hinaus enthält die Kohle den wertvollen Phosphor aus den Biomassen und bringt somit bereits einen wichtigen Pflanzennährstoff mit. Der Einsatz von (Bio)kohle als Substrat ist seit vielen Jahren durch die Indianer aus dem Amazonasgebiet unter dem Namen „Terra-Preta“ (portugiesisch für „schwarze Erde“) bekannt.
-
Die Wirkung der (Bio)Kohle in der Landwirtschaft ist vergleichbar eines Torfersatz. Es ist einerseits CO2-Speicherung und andererseits gleichzeitig ein Regulator für die Wasser- und Nährstoffaufnahme des Bodens mit Pufferwirkung.
-
Das Ziel der hier angestrebten Carbonisierungsverfahren ist die vollständige thermische Umwandlung der Biomasse bis zur Kohle (Carbonisat). Im Gegensatz dazu wird üblicherweise bei der Pyrolyse die Biomasse gezielt in höherwertige Produkte Brennstoffe oder Chemikalien umgewandelt.
-
Erreicht wird dieses Ziel mit den im Anspruch 1 bzw. 5 angegebenen Merkmalen, wobei die Unteransprüche vorzugsweise Ausgestaltungen beinhalten.
-
Die heutige Biomassenreststoffe z.B. aus der Landwirtschaft oder aus der Lebensmittelindustrie produzieren bei ihrer Zersetzung erheblichen Anteile an klimaschädlichem CO2. Die Carbonisierungstechnologie ist in der Lage den Kohlenstoffanteil dieser Reststoffe auf mehrere Jahrhunderte bis Jahrtausende zu binden. Dadurch wird eine wirksame und nachhaltige CO2-Bindung / Speicherung erreicht.
-
Mit der patentmäßigen Erfindung wird eine Maschine gestaltet, die eine Vielzahl von Biomassereststoffen energetisch nutzt und dabei CO2 nachhaltig bindet. Die dabei entstehende (Bio)Kohle kann idealerweise als Bodenverbesserungsmittel beziehungsweise Bodenstrukturhilfsmittel eingesetzt werden. Mit dem Endprodukt (Bio)Kohle kann eine Ressourcen-Wiederverwendung und die nachhaltige Schließung von regionalen Stoffkreisläufe erreicht werden.
-
Beschreibung des Verfahrens
-
Die CARBONISIERUNG ist ein Prozess, bei dem allein durch die Temperatureinwirkung die Zersetzung des organischen Stoffes eingeleitet wird. Der Prozess läuft unter Sauerstoffausschluss ab. Als Produkte entstehen Gas und Koks. Typische Carbonisierungstemperaturen liegen bei etwa 400 bis 900 °C.
-
Das entstehende Gas wird Synthesegas genannt und besteht hauptsächlich aus Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2) und Methan und ist demnach hochkalorisch und brennbar. Mit der Abwärme aus der Verbrennung des Synthesegases könnte beispielsweise eine Heizung und auch die Trocknung der Einsatzrohstoffe (Biomasse) für die Carbonisierung betrieben werden.
-
In der produzierten Kohle verbleiben die mineralischen Inhaltsstoffen sowie die wertvollen Nährstoffe z.B. Phosphor und Kalium. Eine nachhaltige Nutzung derselben ist möglich.
-
Beschreibung der Vorrichtung
-
Die erfindungsgemäße Maschine besteht im Wesentlichen aus folgenden Bestandteilen:
- - Gasdichter Materialzufuhr
- - Carbonisierungsreaktor
- - Brenner-Raum für das Synthesegas
- - Abgastrecke mit optionaler Wärmenutzung und
- - Gasdichter Austrag der Kohle/Asche
-
Die Zeichnung benennt die Einzelheiten wie Folgt:
-
Figur 1
-
Biomassezufuhr 1, Zellenradschleuse 2, Reaktorgehäuse 3 mit im Reaktorraum angeordneter Brennkammer, Brenner 5, Luftzufuhr 6 und SynthesegasAbzug 7 und Zufuhr 8, Zellenradschleuse 9 am Reaktorausgang und Biokohleauffang 10.
-
Das im Reaktor entstehende Abgas gelangt durch einen Wärmetauscher 11 in den Kamin 12.
-
Figur 2
-
Im Unterschied zur Ausführung nach 1 umgibt die Brennkammer den Reaktorraum.
-
Im Vergleich zu anderen Systemen, bei denen sich der Pyrolysereaktor und die Brennkammer getrennt voneinander befinden, ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Brennkammer in dem Carbonisierungsreaktor integriert.
-
Daraus ergeben sich folgende Vorteile durch Kosteneinsparungen und Simplifizierung, die eine nachhaltige CO2-Bindung für eine größere Zielgruppe möglich und damit attraktiv machen:
- - Sehr kompakt und damit platzsparend und mobil
- - dass die Vorrichtung transportabel, mobil und auf diverse Leistungsklassen skalierbar ist.
- - Unmittelbaren Nutzung der entstehenden Synthesegase als Brennstoff in der integrierten Brennkammer. Transportwege für das SynGas entfallen. Daher kein Risiko von Kondensation und Teerbildung
- - Maximale Nutzung der Wärme durch Wegfall von Transportstrecken oder Wärmetauschern. Der Wärmeverlust wird dadurch minimiert und die entstandene Wärme kann somit effizient weiter genutzt werden
- - Keine Notwendigkeit für die Verwendung von Wärmetauschern und dadurch einfacher Aufbau und geringere Anschaffungskosten
- - Keine Kondensate bzw. Teerausfällungen durch den Wegfall von unnötigen Transportstrecken und möglichen Kühlfallen
- - Leicht auf diverse Leistungsklassen skalierbar
-
DELTA-UT® System
-
Im Gegensatz zu den sonstigen Carbonisierungsanlagen wird die erfindungsmäßige Maschine vorzugsweise vertikal aufgestellt. Die sonstigen bekannten Carbonisierungsanlagen werden horizontal betrieben. Die horizontale Lage erfordert zusätzlich ein Transportsystem für die Biomasse/Rohstoffe durch den Carbonisierungsreaktor. Da der Carbonisierungsreaktor bei sehr hohen Temperaturen (500-900°C) betrieben wird, müssen diese Transportsysteme aus hochtemperaturbeständigen Materialien gebaut werden und zusätzlich die Temperaturausdehnung der Materialien berücksichtigen. Dieses Vorgehen macht diese Technik komplexer und kostspieliger.
-
Die vorteilhafte vertikale Aufstellung dagegen nutzt die Schwerkraft für den Transport der Produkte und macht den Prozess ganzheitlicher, bläht die Technik nicht unnötig auf und vermeidet somit teure Konstruktionen und minimiert die Bau- und Betriebskosten.
-
Weitere Vorteile des vertikalen Reaktors sind die präzisere Ausbildung von Temperaturzonen und die Einsparung von Transportsystemen. Ferner ist die Reinheit des Synthesegases durch die gezielte Entnahme aus definierten Temperaturzonen höher und somit die Qualität des Synthesegases erfahrungsgemäß besser als bei den horizontalen Systemen. Unkomplizierte und erweiterte Anwendungsmöglichkeiten für das hochenergetische Synthesegas sind die Folge.
-
Nicht zuletzt ist der geringere Platzbedarf der vertikalen Konstruktion durch die einfache Installation in bestehenden Systemen und Konstruktionen ein weiterer großer Vorteil.
-
Die Anlagen können als mobile und semi-mobile Systeme gestaltet und transportiert werden. Kleinere Biomasseerzeuger könnten sich somit eine Anlage der DELTA-UT teilen, wodurch einen breiteren Anwenderkreis möglich wäre, einen aktiven Beitrag zum Klimaschutz zu leisten.
-
In der Brennkammer wird das Synthese Gas mit bereits oxidiertem Abgas vermischt und umgewälzt (Abgasrückführung) und mit zudosierter Luft oxidiert. Der wählbare Temperaturbereich ist vorzugsweise zwischen 800 und 1200°. Die Temperatur wird auf z.B. 850°C eingeregelt. Durch die Abgasrückführung werden Temperaturspitzen vermieden, gleichzeitig jedoch ein hoher Ausbrand erreicht. Die Prozessführung wird so gewählt, dass die Abgasemissionen gering ausfallen, insbesondere im Hinblick auf die NOx-Bildung. Dies ermöglicht eine niedrige Abgasemission, wodurch auf eine komplexe Abluftreinigung meistens verzichtet werden kann.
-
Zur wirksamen Vermeidung von Emissionen aus dem Carbonisierungsraum wird das System im Unterdruck betrieben.
-
Die Kompaktheit des Systems wird insbesondere dadurch erreicht, dass entweder die Brennkammer innerhalb des Carbonisierungsraums integriert ist oder umgekehrt der Carbonisierungsraum innerhalb der Brennkammer integriert ist.
-
Durch diese Bauart wird die produzierte Reaktionswärme direkt im Carbonisierungsraum für die Aufrechterhaltung des Carbonisierungsprozesses genutzt (ohne dass ein Wärmetauscher erforderlich wird) und die Synthesegase gelangen ohne Umwege in die Brennkammer.
-
Trotz der Kompaktheit des Systems können die Prozessbedingungen beider Prozesse - Carbonisierung und Verbrennung - einzeln, spezifisch und sehr genau eingestellt werden. So werden die Temperaturzonen im Carbonisierungsraum dadurch genau eingestellt, dass der Substrattransport exakt kontrolliert werden kann. Wiederum im Brennerraum werden die Temperaturen und die Sauerstoffkonzentrationen durch eine genaue Brennstoff- und Luftdosierung mittels Lambda-Messung eingestellt.
-
Durch eine vorgeschaltete Homogenisierung der eingesetzten Biomassen wird ein gleichmäßiges Produkt in den Reaktor eingebracht, wodurch diverse Biomassen in einem Carbonisierungsprozess verarbeitet werden können. Vorhandene Biomasseprodukte brauchen somit nicht getrennt gesammelt und gelagert werden. Alle können zeitgleich im Carbonisierungsreaktor verarbeitet werden.
-
Als mögliche Homogenisierungsverfahren werden vorzugsweise zum Beispiel folgende Verfahren eingesetzt:
- - Zerkleinerung,
- - Trocknung
- - Pelettierung oder Brikettierung
-
BEISPIELE
-
Ergebnisse aus der Carbonisierung diverse Einsatzstoffe
-
Zur Homogenisierung und Vergleichmäßigung der eingesetzten Biomassen wurden die Einsatzstoffe vor der Carbonisierung auf eine gleichmäßige Größe (Körnung) gebracht, dann getrocknet und vorzugsweise in einer gleichmäßigen Form gebracht z.B. Pelletiert.
-
Die Formlinge (z.B. Pellets) werden nachfolgend im Carbonisierungsreaktor Carbonisiert. Durch die unterschiedlichen Herkünfte der Biomassen ergaben sich leichte Abweichungen in den Endprodukten (Karbonisate), wie unterschiedliche Anteile an Mineralstoffen, unterschiedliche Heizwerte bzw. produzierte Wärmemengen, auch variable Nährstoffgehalte.
-
Zusammenfassend haben wir jedoch festgestellt, dass bei einer guten Homogenisierung und Trocknung vor dem Carbonisierungsprozess die Verarbeitung der unterschiedlichen Einsatzstoffen in sehr ähnlicher und vergleichbarer Form abgelaufen ist. Eine gute Anwenderfreundlichkeit ist daher gegeben.
-
1) Stalleinstreu-Hobelspäne
-
5 kg getrocknete Biomasse (ca. 80% TS) aus Stalleinstreu-Hobelspänen wurden im Carbonisierungsreaktor in der Temperaturzone von 450°C bis 750°C während einer Zeit von (20 min bis 60 min) gehalten.
-
Durch den Prozess wurde die Temperatur in der Biomasse stufenweise erhöht. Durch die thermische Zersetzung der Biomasse wurden Synthesegase produziert. Diese wurden aus der bereits karbonisierten Zone entnommen und in die unmittelbare Brennkammer geleitet.
-
In der Brennkammer wurde die Temperatur bei (800°C bis 1200°C) gehalten. Dabei wurden die Synthesegase unter Luftdosierung (λ = 1,04 bis 1,15) oxidiert. Die produzierte Wärme beheizt zunächst den Carbonisierungsraum und verlässt mit den Abgasen die Brennkammer. Die Nutzung der Wärme aus dem Abgasstrom erfolgte über einen Wärmetauscher. Dabei wurde Wasser erhitzt. Die dabei produzierte nutzbare Wärmemenge kann auf ca. 5,8 bis 6,8 kWh geschätzt werden. Dieser entstandenen Wärmemenge entspricht der Wärmemenge von ca. 0,6 bis 0,67 Liter Heizöl.
-
Die produzierten Karbonisate hatten eine tiefschwarze Färbung und waren vollkommen geruchslos. Die produzierte Menge an (Bio)Kohle liegt bei (0,8 kg bis 1,3 kg). Der Phosphorgehalt der Karbonisate betrug im Durchschnitt 2,3%.
-
Die Analyse der Karbonisate belegten PAK-Gehalte unter 6 mg/kg. Aus dieser Sicht werden die EBC-Standards für BIO-Kohle-Qualitäten eingehalten.
-
2) Diverse Holzpellets
-
4 kg getrocknete Biomasse (ca. 85% TS) aus Holzpellets wurden im Carbonisierungsreaktor in der Temperaturzone von 450°C bis 800°C während einer Zeit von (10 min bis 45 min) gehalten.
-
Durch den Prozess wurde die Temperatur in der Biomasse stufenweise erhöht. Durch die thermische Zersetzung der Biomasse wurden Synthesegase produziert. Diese wurden aus der bereits karbonisierten Zone entnommen und in die unmittelbare Brennkammer geleitet.
-
In der Brennkammer wurde die Temperatur bei (800°C bis 1200°C) gehalten. Dabei wurden die Synthesegase unter Luftdosierung (λ = 1,04 bis 1,15) oxidiert. Die produzierte Wärme beheizt zunächst den Carbonisierungsraum und verlässt mit den Abgasen die Brennkammer. Die Nutzung der Wärme aus dem Abgasstrom erfolgte über einen Wärmetauscher. Dabei wurde Wasser erhitzt. Die dabei produzierte nutzbare Wärmemenge kann auf ca. 5,6 bis 6,1 kWh geschätzt werden. Dieser entstandenen Wärmemenge entspricht der Wärmemenge von ca. 0,57 bis 0,61 Liter Heizöl.
-
Die produzierten Karbonisate hatten eine tiefschwarze Färbung und waren vollkommen geruchslos.
-
Die produzierte Menge an (Bio)Kohle liegt bei (0,7 kg bis 0,9 kg).
-
Die Analyse der Karbonisate belegten PAK-Gehalte unter 6 mg/kg. Aus dieser Sicht werden die EBC-Standards für BIO-Kohle-Qualitäten eingehalten.
-
3) Gärreste
-
3,5 kg getrocknete Biomasse (ca. 80% TS) aus separierten Gärresten wurden im Carbonisierungsreaktor in der Temperaturzone von 500°C bis 750°C während einer Zeit von (15 min bis 60 min) gehalten.
-
Durch den Prozess wurde die Temperatur in der Biomasse stufenweise erhöht. Durch die thermische Zersetzung der Biomasse wurden Synthesegase produziert. Diese wurden aus der bereits karbonisierten Zone entnommen und in die unmittelbare Brennkammer geleitet.
-
In der Brennkammer wurde die Temperatur bei (800°C bis 1200°C) gehalten. Dabei wurden die Synthesegase unter Luftdosierung (λ = 1,02 bis 1,15) oxidiert. Die produzierte Wärme beheizt zunächst den Carbonisierungsraum und verlässt mit den Abgasen die Brennkammer. Die Nutzung der Wärme aus dem Abgasstrom erfolgte über einen Wärmetauscher. Dabei wurde Wasser erhitzt. Die dabei produzierte nutzbare Wärmemenge kann auf ca. 4,1 bis 4,5 kWh geschätzt werden. Dieser entstandenen Wärmemenge entspricht der Wärmemenge von ca. 0,41 bis 0,46 Liter Heizöl.
-
Die produzierten Karbonisate hatten eine tiefschwarze Färbung und waren vollkommen geruchslos.
-
Die produzierte Menge an (Bio)Kohle liegt bei (0,75 kg bis 0,85 kg). Der Phosphorgehalt der Karbonisate betrug im Durchschnitt 1,85%.
-
Die Analyse der Karbonisate belegten PAK-Gehalte unter 6 mg/kg. Aus dieser Sicht werden die EBC-Standards für BIO-Kohle Qualitäten eingehalten.
-
4) Klärschlamm
-
3 kg getrockneter Klärschlamm (80 % TS) wurden im Carbonisierungsreaktor in der Temperaturzone von 500°C bis 750°C während einer Zeit von (20 min bis 60 min) gehalten. Durch den Prozess wurde die Temperatur in der Biomasse stufenweise erhöht. Durch die thermische Zersetzung der Biomasse wurden Synthesegase produziert. Diese wurden aus der bereits karbonisierten Zone entnommen und in die unmittelbare Brennkammer geleitet.
-
In der Brennkammer wurde die Temperatur bei (800°C bis 1200°C) gehalten. Dabei wurden die Synthesegase unter Luftdosierung (λ = 1,02 bis 1,15) oxidiert. Die produzierte Wärme beheizt zunächst den Carbonisierungsraum und verlässt mit den Abgasen die Brennkammer. Die Nutzung der Wärme aus dem Abgasstrom erfolgte über einen Wärmetauscher. Dabei wurde Wasser erhitzt. Die dabei produzierte nutzbare Wärmemenge kann auf ca. 2,8 bis 3,3 kWh geschätzt werden. Dieser entstandenen Wärmemenge entspricht der Wärmemenge von ca. 0,28 bis 0,33 Liter Heizöl.
-
Die produzierten Karbonisate hatten eine tiefschwarze Färbung und waren vollkommen geruchslos.
-
Die produzierte Menge an (Bio)Kohle liegt bei (0,85 kg bis 1,2 kg). Der Phosphorgehalt der Karbonisate betrug im Durchschnitt 6,8%.
-
Die Analyse der Karbonisate belegten PAK-Gehalte unter 6 mg/kg. Aus dieser Sicht werden die EBC-Standards für BIO-Kohle-Qualitäten eingehalten.