DE202012100129U1

DE202012100129U1 - Vorrichtung zur Durchführung einer hydrothermalen Karbonisierung

Info

Publication number: DE202012100129U1
Application number: DE201220100129
Authority: DE
Original assignee: AVA CO2 SCHWEIZ AG; AVA-CO2 SCHWEIZ AG
Current assignee: AVA CO2 SCHWEIZ AG; AVA-CO2 SCHWEIZ AG
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2022-01-14

Abstract

Vorrichtung zur Durchführung einer hydrothermalen Karbonisierung, umfassend eine Filtervorrichtung, welche das im Rahmen des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses (HIC-Prozess, 1) anfallende Prozesswasser (5) von der Biokohle (4), welche aus der dem HIC-Prozess (1) zugeführten Biomasse gewonnen wird, abscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtervorrichtung eine Vorrichtung zur Ultrafiltration (3) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer hydrothermalen Karbonisierung, umfassend eine Filtervorrichtung, welche das im Rahmen des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses (HIC-Prozess) anfallende Prozesswasser von der Biokohle, welche aus der dem HIC-Prozess zugeführten Biomasse gewonnen wird, abscheidet.
Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der deutschen Patentanmeldung DE 10 2011 001 108 A1 vorbekannt. Diese Schrift sieht nach dem erfolgten Karbonisierungsprozess eine Trennung von Prozesswasser und im Rahmen des Prozesses gewonnener Biokohle vor.
Basis der hydrothermalen Karbonisierungsreaktion ist die zugeführte Biomasse, welche üblicherweise Lignin enthält, in welchem die zur Karbonisierung vorgesehene Zellulose gebunden ist. Zu Beginn des HIC-Prozesses (des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses) findet zunächst eine Hydrolyse statt, im Wege derer eine Umwandlung der Zellulose in Glukose stattfindet. Die Glukose ist hierbei im Prozesswasser gelöst. Innerhalb des Prozesses erfordert die Hydrolyse lediglich eine kurze Zeit, etwa ein bis zwei Minuten. Nach der Hydrolyse der Zellulose und deren Umwandlung in Glukose findet dann die eigentliche Karbonisierungsreaktion statt.
Die eigentliche Karbonisierungsreaktion kann etwa dadurch beschleunigt werden, dass eine Durchmischung der Biomasse auf verschiedene mögliche Arten stattfindet. Hierdurch wird dafür gesorgt, dass die erforderlichen Reaktionsbedingungen, nämlich ein Druck von ca. 25 bar und eine Temperatur von etwa 230°C möglichst gleichmäßig für das gesamte zu verarbeitende Material zugänglich werden. Aufgrund geeigneter Mischverfahren kann die Karbonisierung hierdurch auf ca. eine Stunde für eine übliche Beladung („Batch”) eines Reaktionsraums begrenzt werden.
Nach der eigentlichen Karbonisierung erfolgt als praktisch letzter großer Schritt die so genannte Kondensation, bei welcher ein Zusammenschließen der Kohlenstoff-Monomere, welche bei der Karbonisierungsreaktion entstehen, zu Kohlenstoff-Oligomeren erfolgt. Diese wiederum verbinden sich zu so genannten Kohlenstoff-Polymeren, wobei hier als Definition angenommen werden soll, dass die Oligomere noch wasserlöslich, die Polymere hingegen bereits als Feststoff identifizierbar sind. Die Kondensation als letzter großer Schritt erfordert nochmals einen Einsatz von Zeit in der Größenordnung zwischen 5 und 10 Stunden. Abhängig von der Verweildauer eines Batches innerhalb des Reaktionsraums für die Kondensation bestimmt sich die Ausbeute.
Im letzten Schritt des Verfahrens wird die entstandene Biokohle von dem ebenfalls entstehenden Prozesswasser getrennt, so dass die Biokohle entnehmbar ist und das Prozesswasser anderer Verwendung, beispielsweise zum Ausbringen auf Feldern, zugeführt werden kann. Hierbei ist regelmäßig hinzunehmen, dass ein gewisser Anteil an Kohlenstoff in dem Prozesswasser verbleibt. Grundsätzlich gilt jedoch, dass eine längere Verweildauer im Reaktionsraum eine größere Ausbeute bei der Kondensation und damit geringere Verluste an das Prozesswasser bedeutet. Letzthin stellt dies auch einen Kostenfaktor dar, da das Prozesswasser vor dem tatsächlichen Einsatz an anderer Stelle beispielsweise im Klärwerk gereinigt werden muss und auch hier nochmals Kosten verursacht.
Es ist ebenfalls zu berücksichtigen, dass eine relativ lange Verweildauer im Reaktionsraum, welche eine große Ausbeute an Biokohle ermöglicht, logischerweise zu einer schlechteren Auslastung des Reaktionsraums führt, so dass auch hier eine möglichst kurze Verweildauer im Sinne einer wirtschaftlichen Lösung dienlich wäre.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es vor dem Hintergrund dieser Überlegungen, eine Vorrichtung bereitzustellen, die trotz einer begrenzten Verweildauer eine möglichst große Verbesserung der Ausbeute ermöglicht.
Dies gelingt durch eine Vorrichtung zur Durchführung einer hydrothermalen Karbonisierung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere, sinnvolle Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Prozesswasser, welches bei nicht vollständiger Kondensation noch reichliche Mengen an Biokohle in gelöster Form enthält, mithilfe der Ultrafiltration zu behandeln um so eine größere Menge an Kohlenstoff aus dem Prozesswasser zurück zu erhalten.
Zur Abscheidung des Prozesswassers von der entstandenen Biokohle wird grundsätzlich bereits eine Vorfilterung vorgenommen, durch welche zumindest vorab eine grobe Trennung erreicht werden kann. Das immer noch mit nicht zurück gewonnener Biokohle belastete Prozesswasser kann zur weiteren Steigerung der Ausbeute zusätzlich mithilfe der genannten Ultrafiltration weiter gereinigt werden, wozu das Prozesswasser in eine Filterkammer, beispielsweise in Form einer Druckröhre, unter Druck eingebracht wird. Die Filterkammer ist mithilfe eines Siebs in zwei Hälften geteilt, wobei die dem Einlass gegenüberliegende Filterkammer einen Auslass aufweist. Das Prozesswasser durchtritt also das Sieb, wobei noch in dem Prozesswasser vorhandenes Material in dem Sieb hängen bleibt.
Als solches Sieb können eine oder auch mehrere parallele, Membranen eingesetzt werden, in denen sich auch feine Partikel wie beispielsweise kleinere Kohlenstoff-Oligomere oder Kohlenstoff-Polymere verfangen können und nach dem Filtern des Prozesswassers abgeschöpft werden können.
Hierdurch ist es möglich, ca. 90 bis hin zu 100 der Oligomere aus dem Prozesswasser zurück zu gewinnen, die dem HIC-Prozess wieder zugeführt werden können und hierdurch dessen Ausbeute wiederum verbessern.
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen
1 den Verfahrensablauf der Filterung der entstehenden Kohle aus dem Prozesswasser, sowie
2 eine Vorrichtung zur Ultrafiltration in einer schematischen seitlichen Querschnittsdarstellung.
1 zeigt die Abläufe der Rückgewinnung und Verbesserung der Ausbeute an Biokohle aus dem Prozesswasser. Demgemäß findet zunächst der eigentliche HIC-Prozess 1 statt, wonach einem Entspannungsbehälter der so genannte Slurry aus Prozesswasser 5 und Kohle 4 entnommen werden kann. Danach folgt zunächst eine grobe Filtration 2, bei welcher zunächst bereits die Kohle 4 von dem Prozesswasser 5 getrennt wird. Das Prozesswasser 5 weist hierbei jedoch noch signifikante Restbestände an Kohlenstoff in Form von gelösten Oligomeren auf, welche anschließend im Rahmen einer Ultrafiltration 3 noch aus dem Prozesswasser 5 ausgeschieden werden.
Hierzu wird das Prozesswasser 5 in einen Einlass 10 einer in 2 dargestellten Vorrichtung zur Ultrafiltration 3 unter Druck eingeleitet. Die Einleitung erfolgt in eine erste Kammer 7 einer Druckröhre 6, welche von einer zweiten Kammer 8 über ein Doppelsieb getrennt ist. Aufgrund des Drucks, unter dem das Prozesswasser 5 mithilfe einer Druckpumpe in die erste Kammer 7 eingebracht wird, durchtritt das Prozesswasser 5 das Doppelsieb und kann über einen Auslass 11 der zweitem Kammer 8 abgeleitet werden. Das Doppelsieb besteht aus einer oder mehreren, hier zwei, Membranen, in welchen sich zwar die im Prozesswasser gelösten Oligomere verfangen, durch welche andere Bestandteile, wie etwa Phenole, hindurchtreten können.
Durch ein Rückführen dieser Oligomere in den HIC-Prozess ergibt sich letzthin eine nochmalige deutliche Steigerung der Ausbeute an Biokohle.
Bezugszeichenliste

1: HIC-Prozess
2: Filtration
3: Ultrafiltration
4: Kohle
5: Prozesswasser
6: Druckröhre
7: erste Kammer
8: zweite Kammer
9: Membran
10: Einlass
11: Auslass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011001108 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Durchführung einer hydrothermalen Karbonisierung, umfassend eine Filtervorrichtung, welche das im Rahmen des hydrothermalen Karbonisierungsprozesses (HIC-Prozess, 1) anfallende Prozesswasser (5) von der Biokohle (4), welche aus der dem HIC-Prozess (1) zugeführten Biomasse gewonnen wird, abscheidet, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtervorrichtung eine Vorrichtung zur Ultrafiltration (3) umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ultrafiltration (3) eine Filterkammer, vorzugsweise in Form einer Druckröhre (6), umfasst, welche vermittels eines Siebs in zwei Kammern unterteilt ist, wobei eine erste Kammer (7) einen Einlass (10) und die zweite Kammer (8) einen Auslass (11) aufweist, durch welche das Prozesswasser (5) in die Filterkammer ein- und austreten kann.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung zur Ultrafiltration (3) eine Druckpumpe derart zugeordnet ist, dass das Prozesswasser (5) druckbeaufschlagt in die erste Kammer eintritt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sieb eine, oder mehrere parallele, Membranen (9), umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtervorrichtung weitere, der Vorrichtung zur Ultrafiltration (3) vorgeschaltete, Filtereinrichtungen zugeordnet sind.