DE29913370U1

DE29913370U1 - Anlage zur Behandlung von Feststoffen in überkritischem Wasser

Info

Publication number: DE29913370U1
Application number: DE29913370U
Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-07-30
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2009-07-31

Description

Forschungszentrum Karlsruhe GmbH ANR 5661498

Karlsruhe, den 28. Juli 1999 PLA 994S Rü/he

Anlage zur Behandlung von Feststoffen in überkritischem Wasser Anlage zur Behandlung von Feststoffen in überkritischem Wasser

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Behandlung von Feststoffen in überkritischem Wasser gemäß dem Oberbegriff des ersten Schutzanspruchs.

Eine solche Anlage ist beispielsweise aus der DE 31 18 348 C2 bekannt. Der Reaktor dieser Anlage kann mit pumpbaren Flüssigkeiten, aber auch mit Feststoffen betrieben werden. Werden Feststoffe eingesetzt, sollen die Feststoffe vorzugsweise zerkleinert und aufgeschlämmt werden. Als Fördereinrichtung für die Stoffe, mit dem der Reaktor beschickt wird, dient eine Pumpe, die vor dem Eingang des Reaktors angeordnet ist. Fördereinrichtungen im Reaktionsraum werden nicht beschrieben. Bei dieser Anlage besteht die Gefahr, daß sich Feststoffe an den Wänden des Reaktionsraums ablagern.

Aus der US 5,461,648 ist eine Anlage zur Behandlung von Feststoffen in überkritischem Wasser bekannt, die einen Reaktor mit Förderschnecke zum Transport der Feststoffe und eine Phasentrennvorrichtung am Ausgang des Reaktors aufweist.

Aufgabe der Erfindung ist, eine weitere Anlage der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die mit Feststoffen beschickt werden kann und bei der die Gefahr, daß sich die Feststoffe an den Wänden des Reaktionsraumes ablagern, minimiert ist. Die Anlage soll eine besonders wirksame Phasentrennung ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des ersten Schutzanspruchs beschriebene Merkmal gelöst. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Anlage ist im Unteranspruch beschrieben.

Erfindungsgemäß wird eine Anlage zur Behandlung von Feststoffen vorgeschlagen. Als Feststoffe können im Prinzip sämtliche Stoffe oder Stoffgemische eingesetzt werden, die mit überkritischem Wasser in eine gewünschte Form überführt oder deren Energiege-

halt durch Behandlung mit überkritischem Wasser genutzt werden kann wie z. B. Schad- oder Abfallstoffe. Bevorzugt wird die Beschickung der Anlage mit Biomasse, insbesondere mit Abfallbiomasse, die in überkritischem Wasser vergast und zu energetisch nutzbaren Stoffen wie Wasserstoff oder Methan umgesetzt werden kann.

Als Reaktor wird bevorzugt ein doppelwandiger, rohrförmiger Autoklav eingesetzt, dessen äußere Reaktorwand das drucktragende Teil ist. Der Reaktionsraum ist mit einer Förderschnecke ausgerüstet, die die kontinuierliche und konstante Förderung der Feststoffe bewirkt und Ablagerungen der Feststoffe an der Wand des Reaktionsraums verhindert.

Zur Vergasung von Biomasse kann das homogenisierte Beschickungsgut mit einer Hochdruckpumpe oder einem Extruder auf den für die Einstellung überkritischer Bedingungen erforderlichen Druck, beispielsweise auf 250 bar, komprimiert und in den Reaktionsraum gefördert werden. Da es sich bei Biomasse um ein kaum komprimierbares Gemisch handelt, ist die dafür erforderliche Kompressionsarbeit gering.

Mit der Förderschnecke wird die Biomasse durch den Reaktionsraum in Richtung auf den Produktausgang bewegt. Dabei entsteht ein Gasgemisch, das aus Wasserstoff und Methan mit verschiedenen Beimischungen, beispielsweise Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, besteht. Unter bestimmten Bedingungen kann die damit verbundene Volumenvergrößerung zu einem unerwünschten lokalen Druckanstieg führen. Diesem Druckanstieg kann begegnet werden, wenn eine Förderschnecke eingesetzt wird, deren Schrittweite sich in Richtung vom Eingang zum Ausgang des Reaktionsraums vergrößert. Der Reaktor wird vorzugsweise aufsteigend aufgestellt, so daß eine Akkumulation von gasförmigen Produkten, insbesondere am Reaktoreingang, vermieden wird.

Die zur Erreichung der für die überkritischen Bedingungen erforderliche Reaktionstemperatur wird in an sich bekannter Weise

durch eine elektrische Heizung oder durch die Zufuhr einer geringen Menge an Oxidationsmittel zur Oxidation der Biomasse eingestellt, wobei das Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, reiner Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid, vorzugsweise in den mittleren Teil des Reaktors der vorgewärmten Biomasse zugeführt wird.

Der Reaktor ist in der Weise konstruiert, daß im Reaktionsraum ein Temperaturgradient in Richtung auf den Ausgang eingestellt und aufrechterhalten werden kann, so daß am Ausgang die höchste Temperatur, vorzugsweise ca. 600⁰C, herrscht. Dadurch läßt sich die Biomasse vollständig in die erwähnten Gase, Mineralsäuren und gegebenenfalls Salze umsetzen. Die Gase sind in dem überkritischen Wasser vollständig löslich. Die Dichte des Wassers beträgt unter diesen Bedingungen etwa 0,06 g/ml. Die Löslichkeit von Salzen ist dabei vernachlässigbar gering. Die ausfallenden Salze werden durch die Förderschnecke in Richtung auf den Produktausgang gefördert, an dem sich vorzugsweise eine Einrichtung, etwa ein Phasentrenngefäß, zur Trennung fester von flüssiger Phase befindet.

Das Phasentrenngefäß ist vorzugsweise ebenfalls ein Autoklav mit einem ausreichenden Durchmesser, um die Fließgeschwindigkeit des Reaktionsgemisches soweit herabzusetzen, daß eine vollständige Feststoffsedimentation gewährleistet ist. Am Ende des Reaktionsraumes fallen die Feststoffe, gegebenenfalls unterstützt durch eine Abschabvorrichtung für die Förderschnecke, in den unteren Teil des Phasentrenngefaßes. Das überkritische Fluid bestehend aus den Gasprodukten und Wasser verläßt kontinuierlich den oberen Teil des Phasentrenngefaßes. Dieser obere Teil des Phasentrenngefaßes wird ebenfalls auf einer Temperatur von 600⁰C gehalten, während die Temperatur im unteren Teil des Phasentrenngefaßes je nach Zusammensetzung des Feststoffs, insbesondere entsprechend der Zusammensetzung und Löslichkeit der entstehenden Salze, gegebenenfalls auch auf unterkritische Werte (Temperaturen unterhalb von 374°C) eingestellt werden kann. In diesem Fall werden dort die entstehenden Salze in der konden-

• ·

sierten Phase zum Teil aufgelöst. Zum Abspülen dieses Teils des Phasentrenngefäßes kann ein kleiner Teil der schon komprimierten, wäßrigen Produktphase nach der Gasabtrennung genutzt werden .

Die Salze werden in fester oder gelöster Form periodisch aus dem unteren Teil des Phasentrenngefäßes ausgetragen. Der Zeitpunkt für die Salzentfernung aus dem Phasentrenngefäß kann durch eine entsprechende Meßvorrichtung bestimmt oder, bei salzarmen Feststoffen, aufgrund der Feststoffmenge und ihrer Zusammensetzung abgeschätzt werden.

Das von Ausfällungen gereinigte überkritische Fluid vom oberen Teil des Phasentrenngefäßes kann direkt oder gegebenenfalls nach Durchleiten durch einen Festbettkatalysator für den Wärmetausch genutzt werden. Zu diesem Zweck wird der Zwischenraum des doppelwandigen Reaktionsraumes Richtung vom Produktausgang zum Feststoff eingang vom Fluid durchströmt,, wobei das Fluid seinen Wärmeinhalt an den Reaktionsraum abgibt. Die Flußgeschwindigkeit des Fluidstroms ist hoch zu wählen, um den Abtransport der gasförmigen Produkte und des nun unterkritischen Wassers zu gewährleisten und eine Akkumulation von Gasen im oberen Teil des Zwischenraums zu vermeiden. Der Wärmetausch kann durch Vergrößerung der Oberfläche des Zwischenraums durch Einbauten wie z. B. Kühlrippen verbessert werden.

Der auf unterkritische Temperaturen abgekühlte Fluidstrom kann einem Gas/Fluid-Phasenseparator zugeführt werden. Das Produktgasgemisch läßt sich in komprimierter Form weiterverwenden. Die wäßrige Phase aus der Gas/Fluid-Trennung kann, gesteuert von einer Niveaukontrolle, abgeleitet und an anderen Prozeßstellen weiterverwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm für eine Ausführungsform der Anlage.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Anlage schematisch dargestellt.

Die Anlage besteht aus einem doppelwandigen, schräggestellten Reaktor 1, der mit einer Förderschnecke 2 ausgerüstet ist. Über eine Pumpe 3 wird der Feststoff in den Reaktionsraum 4 verbracht, in dem er über die Förderschnecke 2 weitertransportiert wird. Das Ende des Reaktionsraums, das auf maximaler Prozeßtemperatur gehalten wird, mündet in ein Phasentrenngefäß 5 zur Trennung von fester und flüssiger Phase. Die abgetrennte feste Phase, in der Regel Salz, wird periodisch durch das Absperrventil 6 entfernt. Die abgetrennte flüssige Phase, die aus Wasser und gelösten Gasen besteht, wird durch den Zwischenraum 7 des doppelwandigen Reaktors geführt, wo sie ihre Wärme an den zu behandelnden Feststoff abgibt. Sie wird über die Leitung 8 in eine Gas/Fluid-Phasentrenneinrichtung 9 geleitet, der über das Ventil 10 das Gasprodukt und über das Ventil 11 Wasser entnommen werden kann. Ein Teil des Wassers kann über die Leitung 12, die mit einem weiteren Absperrventil 13 versehen ist, zum Auswaschen der ausgefällten festen Phase im Phasentrenngefäß 5 verwendet werden.

Claims

1. Anlage zur Behandlung von Feststoffen in überkritischem Wasser im Reaktionsraum eines Reaktors, der mit einem Eingang für die Feststoffe und einem Ausgang für Produkte versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Reaktionsraum mit einer Förderschnecke ausgestattet ist, mit deren Hilfe die Feststoffe vom Eingang in Richtung auf den Ausgang des Reaktors transportiert werden können,

b) Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe im Reaktionsraum ein Temperaturgradient eingestellt und aufrechterhalten werden kann, so daß die Temperatur in Richtung auf den Ausgang ansteigt und am Ausgang die höchste Temperatur herrscht, und

c) der Reaktionsraum im Bereich des Ausgangs mit einer Einrichtung zur Trennung fester von flüssiger Phasen versehen ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Förderschnecke eingesetzt wird, deren Schrittweite sich in der Richtung vom Eingang zum Ausgang des Reaktionsraums vergrößert.