DE10259928B4 - Verfahren zur Behandlung von Biomasse - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Behandlung von Biomasse, bei dem
a) die Biomasse in einen ersten Reaktor eingespeist wird,
– der auf einer Temperatur über 374°C und einem Druck über 22,1 MPa gehalten wird,
– überkritisches Wasser enthält und in dem
– die Biomasse mit den sich aus der Reaktion mit dem überkritischen Wasser bildenden Zwischenprodukten durchmischt wird,
b) der Inhalt des ersten Reaktors in einen zweiten Reaktor überführt wird, der
– bei einem Druck von mindestens 22,1 MPa und auf einer Temperatur gehalten wird, die höher ist als die im ersten Reaktor herrschende Temperatur, wobei
– im zweiten Reaktor ein Kontakt des aus dem ersten Reaktor überführten Inhaltes mit den entstehenden Stoffen vermieden wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem ersten Patentanspruch.
• Werden zur Vergasung von Biomasse klassische Gasphasenverfahren eingesetzt, so bilden sich erhebliche Mengen an Koks und Teer, die zu einer Verminderung der Gasausbeute und zu erheblichen Betriebsproblemen durch Verstopfungen und eine durch aufwendige Gasreinigung führen.
• Diese Probleme ergeben sich auch dann, wenn die Vergasung der Biomasse in überkritischem Wasser durchgeführt wird, wie aus der Veröffentlichung „Biomass Gasification in Supercritical Water" von Michael J. Antal, Jr., Stephen G. Allen, Deborah Schulman, Xiaodong Xu und Robert J. Divilio in Ind. Eng. Chem. Res. 2000, 39, 440–4053 hervorgeht. Als Reaktoren wurden alternativ drei verschiedene Rohrreaktoren eingesetzt, die jeweils bei über 22 MPa und Temperaturen oberhalb von 650°C betrieben wurden. Als Katalysator für die Umwandlung von Biomasse zu brennbarem Gas diente Kohlenstoff. Unabhängig von der Geometrie des jeweils einzigen verwendeten Reaktors und der Heizmethode verstopfte trotz anfänglich hoher Gasausbeute jeder Reaktor nach 1 bis 2 Stunden.
• Die DE 100 61 388 A1 beschreibt ein zweistufiges Verfahren zur überkritischen Nassoxidation von organischen Stoffen, bei dem die Stoffe erst in einen Rohrreaktor und anschließend in einen zweiten, kleineren Reaktor geleitet werden, in dem die Bestandteile im wesentlichen vollständig oxidiert werden.
• Die Druckschriften DE 199 55 150 A1 , DE 31 18 348 C2 , DE 196 81 320 C2 , US 5,558,783 A , US 6,054,057 A , US 5,252,224 A und US 4,113,446 A beschreiben einstufige Verfahren zur vollständigen oder teilweisen Oxidation von organischen Stoffen.
• In der US 5,358,646 A wird ein entsprechendes zweistufiges Verfahren dargestellt, bei dem die organischen Stoffe zwei Reaktorzonen durchlaufen, von denen die erste ohne und die zweite mit einem Katalysator betrieben wird.
• Die bei Antal et al beschriebenen Probleme treten in verschärfter Form dann auf, wenn die Biomasse langsam aufgeheizt wird. Dabei bilden sich an den Wänden des Reaktors Koks und – bei hohen Trockenmasseanteilen der Biomasse – auch größere Mengen von Teer. Beides ist wegen der Gefahr, dass der Reaktor verstopft und die Gasausbeute vermindert wird, unerwünscht. Schließlich soll die Biomasse mit einer möglichst hohen Ausbeute zu Wasserstoff umgesetzt werden.
• Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Vergasung von Biomasse in der Weise auszugestalten, dass die Bildung von Koks und Teer weitgehend unterdrückt und eine hohe Ausbeute von Wasserstoff erzielt wird.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im ersten Patentanspruch beschriebene Verfahren gelöst. In den weiteren Patentansprüchen werden bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens angegeben.
• Die Vergasung von Biomasse wird gemäß der Erfindung in zwei Schritten und in zwei verschiedenen Reaktoren vorgenommen, die den beiden Teilschritten jeweils optimal angepasst sind. Beide Teilschritte laufen in überkritischem Wasser ab, so dass die Temperatur mindestens 374°C und der Druck mindestens 22,1 MPa betragen muss.
• Der erste Teilschritt wird in der Weise durchgeführt, dass die in den ersten Reaktor eingespeiste Biomasse in intensiven Kontakt mit den in diesem Reaktor erzeugten Zwischenprodukten gelangt. Diese Zwischenprodukte sind hauptsächlich noch nicht vollständig umgesetzte Biomasse, Wasserstoff, Kohlendioxid, Methan und weitere organische Verbindungen in wechselnden Konzentrationsverhältnissen als Lösung in. überkritischem Wasser.
• In besonderer Weise eignet sich für diesen ersten Teilschritt ein Rührkessel, in dem die gewünschte intensive Vermischung der Zwischenprodukte mit der eingespeisten Biomasse herbeigeführt werden kann. Die Temperatur in diesem ersten Reaktor muss über 374°C eingestellt werden; gut geeignet sind Temperaturen zwischen ca. 450°C und 550°C. Der Druck muss über 22,1 MPa betragen; gut geeignete Drücke liegen zwischen 25 und 35 MPa.
• Der Inhalt des ersten Reaktors wird zur Durchführung des zweiten Teilschrittes in einen zweiten Reaktor überführt, der ebenfalls auf überkritischen Bedingungen gehalten wird. Die Temperatur wird im zweiten Reaktor bei höheren Werten als im ersten Reaktor gehalten, vorzugsweise zwischen etwa 600°C und 700°C. Die Drücke können in beiden Reaktoren gleich sein, wodurch sich apparatetechnische Vorteile ergeben.
• Wichtig ist, dass im zweiten Reaktor ein Kontakt des zugeführten Inhalts aus dem ersten Reaktor und den hier erzeugten Produkten vermieden wird. Somit eignet sich als zweiter Reaktor insbesondere ein Rohrreaktor, dessen Länge Im Hinblick auf Durchsatz und gewünschter Verweilzeit der Reaktanden gewählt wird.
• Mit einem solchen Verfahrens- und Reaktorkonzept lassen sich die Probleme infolge der Bildung von Teer und Koks beherrschen.
• Unter dem Begriff „Biomasse" werden überwiegend organische Reststoffe, Abfälle, Pflanzenreste oder eigens erzeugte Pflanzen oder Pflanzenteile verstanden, die Kohlenstoff und Wasserstoff in chemisch gebundener Form enthalten und daher bei geeigneter Verfahrensführung in gasförmige Kohlen- und Wasserstoff enthaltende Produkte überführt werden können. Weitere Beispiele für Stoffe aus Biomasse sind in der eingangs zitierten Veröffentlichung von Antal et al angegeben.
• In der Figur ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
• In einen Rührkessel 1, der mit einer Heizung 2 und einem Rührer 3 ausgestattet ist, wird Biomasse 4 eingeleitet. In dem Rührkessel 1 wird die Biomasse 4 in intensiven Kontakt mit den dort entstehenden Zwischenprodukten gebracht. Der Inhalt des Rührkessels 1 wird anschließend in einen nachfolgenden Rohrreaktor 5 gefördert, der ebenfalls mit einer Heizung 2 ausgerüs tet ist. In diesem Rohrreaktor 5 ist die Verweilzeit der Reaktanden so eingestellt, dass sich eine möglichst hohe Ausbeute an gasförmigen Produkten ergibt. Der Kontakt dieser gasförmigen Produkte mit den Zwischenprodukten aus dem Rührkessel 1 ist aus verfahrenstechnischen Gründen nicht möglich.
• Die Reaktionsprodukte gelangen anschließend in einen Kühler 6, in dem sie vorzugsweise auf Raumtemperatur gebracht werden. In einem nachfolgenden Phasentrenner 7 werden die Gase von Wasser und ggf. Asche getrennt. Asche bildet sich, wenn die Biomasse anorganische Komponenten enthält. Der Phasentrenner 7 ist mit einem Gasauslass 8 und einem Flüssigkeitsauslass 9 ausgerüstet.

Claims (6)

1. Verfahren zur Behandlung von Biomasse, bei dem a) die Biomasse in einen ersten Reaktor eingespeist wird, – der auf einer Temperatur über 374°C und einem Druck über 22,1 MPa gehalten wird, – überkritisches Wasser enthält und in dem – die Biomasse mit den sich aus der Reaktion mit dem überkritischen Wasser bildenden Zwischenprodukten durchmischt wird, b) der Inhalt des ersten Reaktors in einen zweiten Reaktor überführt wird, der – bei einem Druck von mindestens 22,1 MPa und auf einer Temperatur gehalten wird, die höher ist als die im ersten Reaktor herrschende Temperatur, wobei – im zweiten Reaktor ein Kontakt des aus dem ersten Reaktor überführten Inhaltes mit den entstehenden Stoffen vermieden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur im ersten Reaktor auf 450°C bis 550°C gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Temperatur im zweiten Reaktor auf 600°C bis 700°C gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Druck in den beiden Reaktoren auf 25 bis 35 MPa eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Rührkessel als erstem Reaktor.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Rohrreaktor als zweitem Reaktor.