DE60023890T2

DE60023890T2 - Celluligninbrennstoff

Info

Publication number: DE60023890T2
Application number: DE60023890T
Authority: DE
Inventors: Lorena Garcia Pinatti Daltro; Christian Alexandre Centro VIEIRA; Alvaro Mirante Guedes Soares
Original assignee: RM Materiais Refratarios Ltda
Current assignee: RM Materiais Refratarios Ltda
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 2000-06-23
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2020-06-24
Also published as: ES2253231T3; EA200200071A1; DE60023890D1; CN1370217A; EP1190020B1; JP2003503542A; DK1190020T3; MXPA02000135A; CA2375464C; PE20010496A1; CN1170915C; BR9902606A; ATE309314T1; AU5516100A; EP1190020A1; WO2000078899A1; US6855180B1; JP2013237867A; HK1044016B; CO5200799A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen Brennstoff, der aus Biomasse erhalten wird.
Hintergrund der Erfindung
Die aus Biomasse erhaltene Energie ist in energetischer Hinsicht sehr positiv. Zum Beispiel ist der energetische Wirkungsgrad der so genannten Kurzrotationsbiomasse 89,5% und die Umsetzungsgeschwindigkeit der flüssigen Energie ist 9,48-fach höher. Allerdings kann die Biomasse trotz diesem fantastischen energetischen Wirkungsgrad auf Grund der hohen Kosten, die aus der großen Anzahl der Schritte, die zu ihrer Produktion erforderlich sind, und auch auf Grund der Schwierigkeit im Umgang mit der Rohbiomasse, die sie nicht sehr praktisch macht, nicht mit fossilen Brennstoffen konkurrieren.
Die folgenden Punkte, die das Verfahren zum Herstellen von Biomasse betreffen, sollten bedacht werden: 1) Pflanzen und Kultivieren (Vermehren); Kosten der Nährstoffe (Fertilisation); 3) Exposition gegenüber der Sonne; 4) Temperatur; 5) Präzipitation; 6) Boden- und Wasserbedingungen; 7) Ernteverfahren; 8) Resistenz gegenüber Krankheiten; 9) Konkurrenz in Gebieten mit Produktion von Lebensmitteln, Futter und Fasern; 10) Verfügbarkeit an Fläche; 11) Transport der Rohbiomasse.
Biomassen sind aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin zusammengesetzt, wobei die Zusammensetzung in Tabelle 1 und die Mikrostruktur gemäß 1 beispielhaft dargestellt sind.
Tabelle 1
Die Zellwände sind aus Makrofibrillen, Mikrofibrillen, Mizellen und Cellulosemolekülen zusammengesetzt. Die Kerne der Zellen (Zytoplasma) sind aus wässrigen Lösungen zusammengesetzt. Die folgenden Formeln stellen ungefähre Abschätzungen der spezifischen Oberfläche (Fläche pro Masseeinheit) der Biomasse unter der Annahme, dass die Mikrostruktur vollständig freigesetzt wird, dar.

1. Geometrie bei einem Querschnitt und Länge l (S und M: Zelloberfläche und Zellmasse).

Breite der Zelle: b = 10 μm

Dicke der Zellwand: e = 1,0 μm

ρ = 1,5 g/cm³ = 1,5 × 10⁶ g/m³
2. Spezifische Fläche der Makrofibrillen, Mikrofibrillen, Mizellen und Cellulosemoleküle.
2.a – Spezifische Fläche der Makrofibrillen (Φ = 50 nm; Makroporen > 50 nm)
2.b – Spezifische Fläche der Mikrofibrillen (Φ = 50/4 = 12,5 nm; Mesoporen 2 nm < Φ < 50 nm)
2.c – Spezifische Fläche der Mizellen (Φ = (12,5/4) nm = 3,1 nm; Mikroporen Φ < 2,0 nm)
2.d – Spezifische Fläche der Cellulosemoleküle ((3,1/6) nm = 0,517 nm)

Die theoretische spezifische Fläche der Zelle beträgt ungefähr 0,7 m²/g, ungefähr 50 m²/g für die Makrofibrillen, ungefähr 200 m²/g für die Mikrofibrillen, ungefähr 900 m²/g für die Mizellen und ungefähr 1300 m²/g für die Moleküle.
Soweit Feststoffe betroffen sind, umfasst ihre konventionelle Verbrennung 5 Zonen: erstens die nichtreaktive feste Zone (Erhitzen und Trocknen), zweitens die Reaktionszone der kondensierten Phase (feste Pyrolyse), drittens die Reaktionszone der gasförmigen Phase (Pyrolyse der gasförmigen Phase und Oxidation), viertens die primäre Verbrennungszone (gasförmige Phase), fünftens die Nachflammen-Reaktionszone (sekundäre Verbrennung). Die spezifischen Kinetiken und Reaktionen jeder Zone sind bis jetzt nicht vollständig bekannt.
2 stellt ein konzeptionelles Modell konventioneller Verbrennung für Holz dar. Holz ist anisotrop und hygroskopisch und seine Fasern (Tracheiden) sind hohl und haben eine Länge von 3,5 bis 7,0 mm in Weichholz und von 1 bis 2 mm in Hartholz. Das gebundene Wasser beträgt ungefähr 23% und die Gesamtfeuchtigkeit erreicht 75%. Cellulose, Hemicellulose und Lignin verhalten sich wie Polyalkohole, worin die funktionelle Hauptgruppe die OH-Gruppe ist. Cellulose ist ein lineares Polysaccharid wasserfreier Glukose mit 1 → 4-β glycosidischen Bindungen. Nach Oxidation sind die funktionellen Gruppen Carbonyl-, Keton- und Carboxyl-Gruppen. Auf der anderen Seite ist Hemicellulose ein Polysaccharid mit verzweigten Ketten, dessen Hauptkomponente in Hartholz 4-O-Methylgluconoxylane und in Weichholz Glucomane sind. Ihrefunktionellen Hauptgruppen sind Carboxyl-, Methyl- und Hydroxyl-Gruppen. Lignin andererseits ist ein dreidimensionales Rückgrad von 4 oder mehr substituierten Phenylpropaneinheiten. Die konstitutiven Grundblöcke sind Guayaquil-Alkohole (Weichholz) und Seringyl-Alkohol (für die zwei Arten von Holz) und die vorherrschenden Bindungen sind β-O-4.
Die Strukturen von Cellulose und Lignin sind hoch oxidiert und die Lokalisation der funktionellen Gruppen ist zum Verständnis der Mechanismen von Pyrolyse und Oxidation hilfreich.
Es wird zum Zweck des Vergleichs festgestellt, dass die Struktur der mineralischen Kohle aromatisch ist, sie weniger funktionelle Hydroxylgruppen und β-O-4-Bindungen hat. Stickstoff und Schwefel sind Teil von strukturellen Ringen mit wenig Stickstoff, der in Form von einem Amin vorliegt. Die Tatsache, dass der Sauerstoffgehalt in Kohle im Vergleich zu Holz sehr gering ist, ist hoch signifikant, da dies die höhere Reaktivität des Letzteren vermittelt.
Bei der konventionellen Verbrennung von Holz bezieht die Trocknungsphase tatsächlich vier Schritte ein, nämlich 1) Energie, die für das Erhitzen des Holzes auf bis zu 100°C (373 K) benötigt wird = 0,08 × 100 × (1 – TU) kJ/kg, wobei TU den Feuchtigkeitsgehalt (Prozent) darstellt; 2) Energie, die für das Erhitzen von Wasser benötigt wird = 4,2 × 100 kJ/kg; 3) Energie, die für das Verdampfen von Wasser benötigt wird = 2,26 MJ/kg; und 4) Energie, die für die Freisetzung des gebundenen Wassers benötigt wird 15,5 × TU kJ/kg (Mittelwert). Der vorherrschende Wert ist die Energie für das Verdampfen von Wasser.
Die Heizphase umfasst drei Faktoren, die signifikanten Einfluss haben: der Erste ist die Energie für das Aufheizen auf Pyrolysetemperatur (500–625 K); die spezifische Wärme von Holz ist 1113 J/g bei 273 K und 1598 J/g bei 373 K, wohingegen die spezifische Wärme von Holz mit 35% Feuchtigkeit 2343 J/g bei 300 K beträgt. Zweitens gibt es einen Einfluss der Feuchtigkeit, die verhindert, dass der Partikelkern auf die Temperatur, bei welcher Wasser verdampft wird, aufgeheizt wird, und die die Reaktionszustände begründet. Der dritte Faktor mit Einfluss ist die Feuchtigkeit beim Erhöhen der thermischen Leitfähigkeit des Holzpartikels, welche ihren Wert höchstens verdoppeln kann. Zusätzlich zu seinem Einfluss auf das Trocknen und Erhitzen verursacht die Feuchtigkeit auch signifikante Wirkungen auf die Pyrolyse im festen Zustand.
Die nächste Phase ist der Schritt der Fest-Pyrolyse. In dieser Verbrennungszone herrschen Reaktionen der Spaltung von Molekülen in gasförmige Fragmente und Kondensationsreaktionen vor, wodurch Kohle hergestellt wird (Teer, der in 3 Endfraktionen resultiert: einer gasförmigen, einer flüssigen und einer festen – Kohle). Die Pyrolysetemperaturen sind: Hemicellulose (500–600 K), Cellulose (600–650 K) und Lignin (500–773 K). Tabelle 2 zeigt die Pyrolyseprodukte aus Cellulose und Xylan mit einem hohen Teergehalt, der eine sekundäre Verbrennung nahe an den Ölen für das Holz verursacht. Tabelle 2: Pyrolyseprodukte aus Cellulose (873 K) und Xylan (773 K)

Sp: = Spuren

Die Öffnung der aromatischen Ringe ist ein Zwischenschritt bei der Bildung flüchtigen Materials, wodurch Essigsäure und Acetaldehyd gebildet wird, die durch Decarboxylierung der Essigsäure (CH₃COOH → CH₄ + CO₂) und Decarbonylierung des Acetaldehyds (CH₃CHO → CH₄ + CO) abgebaut werden. Das aus der Hemicellulose resultierende Produkt ist C₂H₄ und CO aus Propanol. In den nächsten Zonen gibt es eine Abfolge von Pyrolyse und Oxidation, was als Endprodukte CH₄, C₂H₄, CO und CO₂ ergibt.
Die Pyrolyse von Lignin ist im Vergleich zu der von Hemicellulose und Cellulose anders und bei 823 K produziert sie die folgenden Bestandteile: Kohle (55%), gasförmige Fraktion (45%) zusammengesetzt aus CO (50%), CH₄ (38%), CO₂ (10%) und C₂H₆ (2%). Der Teer ist zusammengesetzt aus Phenylacetylen, Anthracen und Naphthalin. Tabelle 3 zeigt die Bildung von Kohle bei der Pyrolyse einiger verschiedener Materialien.
Tabelle 3: Kohlebildung bei der Pyrolyse einiger verschiedener Materialien (673 K)
Die Feuchtigkeit hat auch einen beachtlichen Einfluss auf die Partikelpyrolyse, da sie einen enormen Unterschied der Temperatur zwischen dem Partikelkern und seiner Peripherie bewirkt (400 K), was eine physikalische Trennung zwischen der Erhitzungs- und Trocknungszone bzw. der Hydrolysezone schafft. Der dominante Einfluss der Feuchtigkeit liegt darin, die Flammentemperatur des Brenners zu reduzieren, wodurch das Produkt zur Kohlebildung gelenkt und die Pyrolyserate gesenkt wird. Die theoretische Flammentemperatur der Holzverbrennung ergibt sich aus: Ta = 1920 – (1,51[TU/(1 – TU)] × 100) – 5,15XexAr wobei Ta (K) die adiabatische Flammentemperatur ist, TU die Fraktion der Feuchtigkeitgehalte ist und XexAr der Prozentsatz des Luftüberschusses ist. Zusätzlich zur Reduktion der adiabatischen Temperatur gibt es einen Anstieg des Luftüberschusses, der sich ergibt aus: XexAr(%) = 40[TU/(1 – TU)]
Für TU > 33%, T_a = 1740 K und für TU = 50%, T_a = 1560 K und folglich gibt es einen Abfall des Gehalts flüchtiger Bestandteile und ein Anstieg im Kohlegehalt. Schließlich sollte man erwähnen, dass die Aschen die lokale Temperatur reduzieren und die Bildung von Kohle katalysieren.
Als Nächstes tritt die Vorverbrennungsreaktion auf, die die Spaltung flüchtigen Materials in Fragmenten von Radikalen darstellt, die von Reaktionen des Kettenstarts des folgenden Typs dominiert werden: R-R → R + R' (368 kJ/mol) R''-H → R'' + H (410 kJ/mol) wobei R = C₂H₆, CH₃ usw. e R'' = Methyl-Gruppe.
In Holz ist die erste Reaktion auf Grund der geringeren Energie höchstwahrscheinlich und ein Beispiel hiervon ist unten angegeben: C₂H₆ + M → 2CH₃ + M 2CH₃ + 2C₂H₆ → 2CH₄ + 2C₂H₅ M + C₂H₅ → H + C₂H₄ + M H + C₂H₆ → H₂ + C₂H₅ wobei M ein Hitze-(Asche- oder Dampf-)-entfernendes Teilchen oder Molekül ist. Wenn R'' zwei oder mehr Kohlenstoffatome enthält, wird vorzugsweise die C-C-Bindung anstelle der C-H-Bindung aufgebrochen. Zusätzlich zu den Reaktionen des Kettenstarts schließt die Vorverbrennungszone Reduktionsreaktionen mit Rekombinationen von Radikalen R + R' → R-R' ein, insbesondere wenn die Vorverbrennungszone räumlich breit ist. Ein Beispiel hiervon ist die Rekombination von Stickstoff, wodurch N₂ anstelle von NO_x gebildet wird.
Nach den Vorverbrennungsreaktionen erfolgen die primären Verbrennungsreaktionen: eine Mischung von Sauerstoff und Brennstoff in der primären Verbrennungszone resultiert in einer Reihe von Reaktionen freier Radikale, wodurch CO₂ und H₂O gebildet werden. RH + O₂ → R + HOO CH₃ + O₂ + M → CH₃O₂ + M CH₃O₂ → CH₂O + OH HCO und CO (CH₂O + (1/2)O₂ → HCO + OH oder CH₂O + O₂ → CO + 2HO) werden aus CH₂O gebildet und ihre Konzentration ist bei einer Flammentemperatur von 1320 K maximiert, welches die Holzverbrennungstemperatur ist.
Schließlich erfolgen die Nachverbrennungsreaktionen: die Prozesse der Holzverbrennung erfolgen bei niedriger Temperatur und die Reaktionen des Kettenendes erfolgen in der sekundären Verbrennung. Das Hydroxyl-Radikal (CH₂O) ist von großer Bedeutung, wenn es in hohen Konzentrationen vorhanden ist. Die Hauptendreaktionen sind: HCO + OH → CO + H₂O CO + OH → CO₂ + H CO + O₂ → CO₂ + O wobei die letztere von geringerer Bedeutung in dieser Zone ist. Die CO₂-Produktion aus CO wird von der OH-Konzentration kontrolliert, welche für Niedertemperatur-Systeme (Holz) relativ hoch ist. Hieraus folgt, dass das Kettenende die Rekombination von H- und OH-Gruppen darstellt, was durch Wärme-abführende Spezies (M) unterstützt wird. Das C:H-Verhältnis ist für Weichholz (1:1,45) und Hartholz (1:1,37) im Vergleich zu mineralischer Kohle (1:0,17) relativ hoch. Die feste Pyrolyse von Holz produziert Wasser, CH₄, C₂H₄ und C₂H₆, was in einer substantiellen Menge an Wasserstoff in den flüchtigen Gasen resultiert, um die Konzentration von Hydroxyl-Radikal für eine komplette und schnelle Oxidation (höhere Reaktivität) zu erhöhen. Es gibt für dieses System in der Literatur auf Grund der großen Anzahl von Variablen, die mit der Oxidation von flüchtigen Stoffen von Holz verbunden sind, keine vollständigen Beschreibungen.
Bei der Verbrennung von (Holz) Holzkohle ist die aus der Pyrolyse erhaltene Holzkohle porös und enthält freie Radikale für den O₂-Angriff. Zusätzlich enthält sie Sauerstoff und Wasserstoff, wobei ihre empirische chemische Formel C6,7H,3,30 ist. Für die Holzkohleoxidation wurden drei Mechanismen vorgeschlagen, wobei anerkannt ist, dass die Verbrennungsgeschwindigkeit durch die Orte freier Radikale auf ihrer Oberfläche begrenzt wird. Die Oxidation von Holzkohle wird auch durch den Massetransport beschränkt. Der erste Mechanismus ist der Boudouard als allgemeiner Indikator der Holzkohleverbrennung. C + C₂ → 2CO
Die Reaktion ist stark endotherm mit den folgenden Reaktionskonstanten: 1,1 × 10^–2 (800 K) und 57,1 (1240 K). Das freigesetzte CO ist flüchtig und ihre Verbrennung wird durch Brennschluss der Partikel beendet. Der zweite Mechanismus ist die chemische Adsorption von O₂ direkt auf der Kohle. Die Aktivierungsenergie der O₂-Adsorption auf der porösen Oberfläche der Kohle liegt jeweils im Bereich von 54 kJ/mol bis 10 105 kJ/mol für chemisch adsorbierte Mengen von 0 bis 2,5 mol O₂ pro Gramm Kohle. Die Reaktionen der chemischen Adsorption sind: C* → O₂ → C(O)* → C(O)_m → CO + CO₂ C* + O₂ → CO_es → CO + CO₂
Der Stern zeigt ein aktives Zentrum der Reaktion, m steht für bewegbare Spezies und es steht für stabile Spezies. Die aktiven Zentren der Holzkohle können durch den Mechanismus der Pyrolyse gebildet werden. Der dritte Mechanismus der Holzkohleoxidation beinhaltet Reaktionen von Hydroxyl-Radikalen in den aktiven Zentren, die angegeben werden durch: 2OH + C → CO + H2O OH + CO → CO + H
Die Hydroxyl-Radikale werden im Inneren durch homolytische Spaltung der verschiedenen funktionellen Hydroxylgruppen, die in dem Holz existieren, oder durch Dissoziation der aus dem Brennstoff freigesetzten Feuchtigkeit gebildet. Der Einfluss der Feuchtigkeit auf die Kohleoxidation ist nicht so gut bekannt wie im Falle der Pyrolyse von Holz. Es wird spekuliert, dass die Feuchtigkeit die Zentren „zerstört", wodurch die Geschwindigkeit der Kohleoxidation reduziert wird. Die Gegenwart von Feuchtigkeit verzögert die Oxidationsgeschwindigkeit der Holzkohle.
Kurz zusammengefasst ist die Holzverbrennung ein vielphasiges Verfahren, das Erhitzen und Trocknen, Festphasenpyrolyse, Produzieren von flüchtigen Verbindungen und Kohle, Reaktionen in gasförmigen Phasen (Vorverbrennung, primäre Verbrennung und Nachverbrennung) und die Verbrennung der Kohle einbezieht. Die verschiedenen funktionellen Gruppen, die in Holz vorhanden sind, bilden eine signifikante Anzahl flüchtiger Produkte aus der festen Pyrolyse von Partikeln, wobei die verschiedenen funktionellen Gruppen und der hohe aliphatische Gehalt die Reaktivität des Holzes erhöhen, was zu dem hohen Anteil von Flammen bei der Verbrennung von Holz im Hinblick auf mineralische Kohle beiträgt. Die Feuchtigkeit erhöht die thermische Leitfähigkeit, resultiert in einer höheren Produktion von Kohle in der Festphasenpyrolyse, erhöht die Konzentration von Hydroxylgruppen für die Reaktionen in der gasförmigen Phase und der Kohle und reduziert die Oxidationsgeschwindigkeit der Kohle, wodurch ihre Temperatur erniedrigt wird und die reaktiven Zentren „zerstört" werden.
Im Hinblick auf die Komplexität und die betriebsbedingten Nachteile, die von den konventionellen Verbrennungsverfahren gezeigt wurden, ist es wünschenswert, einen neuen Brennstoff aus Biomasse zu entwickeln, der die wesentlichen Voraussetzungen der Verbrennung erfüllt und die technischen Nachteile bekannter Brennstoffe überwindet.
In Hinblick auf dieses wurden verschiedene Studien zur Entwicklung neuer Brennstoffe aus Biomasse durchgeführt und einige Versuche mit zufrieden stellenden Ergebnissen wurden bereits präsentiert, wie im Falle eines Cellulignin-Brennstoffs, der in dem Artikel „Cellulignin: a new thermoelectric fuel" von Daltro G. Pinatti, Christian A. Vieira, José A. da Cruz und Rosa A. Conte erwähnt ist, welcher sich auf ein Produkt aus generischem Cellulignin bezieht, das durch ein Verfahren der Vorhydrolyse von Biomasse ohne optimierte Kontrolle erhalten wurde. Allerdings ist es noch erwünscht, einen Brennstoff, der sogar noch vorteilhaftere Ergebnisse zeigt, hauptsächlich aus ökonomischen Gesichtspunkten, und Anwendungen hiervon in thermoelektrischen Haupttechnologien zu erhalten: Öfen, Dampfkessel, Gasturbinen und die Erzeugung von Energie mittels hydrodynamischen Magneten (MHD).
US 5,338,366 offenbart ein Verfahren der sauren Vorhydrolyse des Behandelns von Biomasse. GB 1569138 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Monosacchariden und ein Cellulose-reiches Material aus Stroh. Bioresource Technology, Bd. 59 (1997), Seiten 129–136 beschreibt eine Studie zum „Modelling" und zur Optimierung der Vorbehandlung von Maisstroh (corn stover), Pappel und Rutenhirse (switchgrass) mit verdünnter Schwefelsäure.
Daher ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen neuen Cellulignin-Brennstoff mit katalytischen Eigenschaften bereitzustellen, der diese Markterfordernisse mit verbesserten Verbrennungseigenschaften erfüllt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen katalytischen Cellulignin-Brennstoff, der aus Cellulose und globulisiertem Lignin zusammengesetzt ist und eine spezifische Oberfläche von ungefähr 1,5–2,5 m²/g mit einer mittleren spezifischen Oberfläche von ungefähr 2,0 m²/g zeigt.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Cellulignin-Brennstoff, der dadurch gekennzeichnet ist, das er zusammengesetzt ist aus Cellulose und globulisiertem Lignin mit einer spezifischen Oberfläche von 1,5–2,5 m²/g, erhältlich durch ein Verfahren der Vorhydrolyse von Biomasse umfassend die Schritte:

a) Abführen der Biomasse in einer spiralförmigen Zufuhrung in eine Vorrichtung zur Vorhydrolyse der Biomasse; gefolgt von
b) einem Dampfbeaufschlagungsarbeitsgang umfassend die Schritte:
(i) Füllen der Vorrichtung zur Vorhydrolyse der Biomasse mit einer vorgewärmten sauren Lösung,
(ii) Erhitzen und
(iii) Druckbeaufschlagung, wobei das Verfahren durch die Tatsache gekennzeichnet ist, dass die Vorhydrolyse gleichzeitig mit einer kreisenden Schwingung der Biomasse-Vorhydrolyseeinrichtung durchgeführt wird, wobei der Dampf abgeführt wird und die Temperatur, der Druck, der Säuregehalt, die Vorhydrolysezeit und das Flüssig/Fest-Verhältnis kontrolliert werden und wobei die Zuckergehalte mittels einer Zuckermessvorrichtung überwacht werden, bis ein Wert von ungefähr 10 Brick erreicht wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung der zellulären Struktur von Biomasse.
2 zeigt die Schritte des konventionellen Verbrennungsverfahrens fester Brennstoffe.
3a–3e zeigen Mikrophotographien der Struktur eines Cellulignins gemäß der vorliegenden Erfindung, während 4 eine Darstellung eines Röngten-Diffraktogramms für Holz, Cellulose und Cellulignin zeigt.
5 zeigt eine Grafik der Enthalpie-Variation für die Reaktanten in einem Verfahren der katalytischen Verbrennung von Kohle und 6 zeigt die Abhängigkeit der Brennzeit von mineralischer Kohle von der Partikelgröße. Die 7a und 7b wiederum zeigen die Leistung, die bei der Verbrennung von Cellulignin gemäß der vorliegenden Erfindung abgestrahlt wird.
Die 8–12b stellen Systeme und Ausrüstung dar, die für die Verbrennung des jetzt definierten Cellulignin-Brennstoffs verwendbar sind.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Nach umfangreichen Studien erreichten die Erfinder einen katalytischen Cellulignin-Brennstoff, der aus Biomasse erhalten wird und der ein überraschendes Ergebnis in Hinblick auf seine Verbrennung zulässt. Der erfindungsgemäße katalytische Cellulignin- Brennstoff wird durch ein Verfahren der Vorhydrolyse von Biomasse unter Verwendung eines Reaktors hergestellt, wie er in der brasilianischen Patentanmeldung, die an dem gleichen Tag für „eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vorhydrolyse von Biomasse" eingereicht wurde, beschrieben ist. Die so genannte Vorhydrolyse kann für jede Art von Biomasse, wie zum Beispiel Holz, Zuckerrohr-Bagasse und Stroh, pflanzliche Reste, Rinden, Gras, den organischen Teil von Müll usw. durchgeführt werden.
Das Vorhydrolyse-Verfahren, das in der oben genannten Patentanmeldung beschrieben ist, umfasst im Allgemeinen die Schritte des Abführens der Biomasse in einer spiralförmigen Zuführung in eine Vorrichtung zur Vorhydrolyse von Biomasse, gefolgt von einem Druckbeaufschlagungsarbeitsgang umfassend die folgenden Schritte: l) Füllen der Vorrichtung zur Vorhydrolyse der Biomasse mit einer vorgewärmten sauren Lösung; 2) Erhitzen; und 3) Druckbeaufschlagung, wobei das Verfahren durch die Tatsache gekennzeichnet ist, dass die Vorhydrolyse gleichzeitig mit einer kreisenden Schwingung der Biomasse-Vorhydrolyseeinrichtung durchgeführt wird, wobei der Dampf abgeführt und die Temperatur, der Druck, die Säuregehalte, die Vorhydrolysezeit und das Flüssig/Fest-Verhältnis kontrolliert werden und wobei die Zuckergehalte mittels einer Zuckermessvorrichtung überwacht werden, bis ein Wert von ungefähr 10 Brick erreicht wird. Dann werden die Schritte des Abführens des Vorhydrolysats in einen Tank durch einen Wärmetauscher, Zucker-gewinnendes Waschen und Abführen des Cellulignins in mechanische Waschanlagen oder Wagen, die durch Durchfluss zu waschen sind, durchgeführt.
Wiederum mit Bezugnahme auf 1 und Tabelle 1, die oben dargestellt sind, kann man sehen, dass gemäß den Verfahren zur Hydrolyse von Biomasse die Cellulosefaserfreisetzung nicht vollständig ist, da Hemicellulose ihre höchste Konzentration in der zweiten Schicht (S2) ihrer sekundären Wand besitzt. Mit dem Vorhydrolyseverfahren, das von den Erfindern der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, wurde nun ein Produkt mit einer spezifischen Oberfläche von 1,5–2,5 m²/g mit einem Mittelwert von 2 m²/g, was durch BET (Brunance, Emmet und Teller) gemessen wird, und Schlammnummer (slush number) 100 erzielt, was bedeutet, dass dieses Vorhydrolyseverfahren ein Niveau erreicht, bei dem eine partielle Freisetzung der Makrofibrillen auftritt.
Die Bestätigung dieser Makrofibrillenfreisetzung ist in Mikrofotografien dargestellt, die in 3a–3e gezeigt sind. 3a zeigt die Mikrostruktur des erfindungsgemäßen katalytischen Cellulignins nach Vorhydrolyse mit einer 1.000-fachen Vergrößerung (Maßstab 10 μm). 3b zeigt eine Zellwand, die die Mittellamelle mit einer 10.000-fachen Vergrößerung (Maßstab 1 μm) darstellt, wohingegen 3c die Zellwand mit einer 50.000-fachen Vergrößerung (Maßstab 100 nm) zeigt und 3d die Zellwand mit einer 100.000-fachen Vergrößerung (Maßstab 10 μm) zeigt. 3e zeigt die Mikrostruktur einer zweiten Probe, bei der es möglich ist, die Ligninglobulisierung zu beobachten.
Die Kombination einer offenen Struktur bei Beibehaltung der kristallinen Eigenschaften von Cellulose, die durch Röntgenbeugung gezeigt werden, was in 4 zu sehen ist, ermöglicht es einem, die folgenden Eigenschaften des Cellulignin-Brennstoffs zu erzielen:

1 – Auf Grund der Beibehaltung der kristallinen Eigenschaften von Cellulose ist es möglich, das Mahlen des erfindungsgemäßen Cellulignins hinunter bis unter 200 μm unter Verwendung von Hammermühlen ohne die Notwendigkeit des Siebens als Zwischenschritt und bei niedrigen Energieverbrauch (ungefähr 12 kWh/t) zu bewirken. Auf Grund dieser Eigenschaft wird der neue Brennstoff „katalytisches" Lignin genannt.
2 – Einfaches Abdampfen des Wassers in Rotationstrocknem, Öfen oder Zyklonen: das erfindungsgemäße Cellulignin, das eine Partikelgröße unter 200 μm besitzt, stellt eine vollständig offene Struktur dar, die es erlaubt, bis zu einer Feuchtigkeit von 500 ppm und bei niedriger Temperatur, nämlich bei 125°C (Temperatur des Abgases des Kessels), getrocknet zu werden.

Das in der Biomasse enthaltene Wasser ist eine der schlechtesten Eigenschaften für die Verbrennung und das für das erfindungsgemäße Cellulignin erreichte Trocknen erlaubt den Erhalt eines Wertes von 18^A 20 MJ/kg für die Verbrennungswärme, was das doppelte der Verbrennungswärme von Biomasse mit normaler Feuchtigkeit von 45% ist.
Daher ist einer der wichtigen technischen Vorteile, die durch die vorliegende Erfindung erhalten werden, dass das katalytische Cellulignin extern mit der Wärme des Abgases eines Kessels getrocknet werden kann und anschließend in trockener Form verbrannt werden kann. Diese Möglichkeit ist für Rohholz nicht durchführbar.

3 – In Pulverform beträgt die Cellulignin-Dichte in der so genannten angepassten Form 600 kg/m³ und in der nicht-angepassten Form 450 kg/m³. Dies stellt eine mittlere energetische Dichte von 20 MJ/kg × 500 kg/m³ = 104 MJ/m³ im Vergleich zu einer energetischen Dichte von 40 MJ/kg × 800 kg/m³ = 3,3 × 10⁴ MJ/m³ für Brennstofföle dar, was bedeutet, dass das Betanken und die Handhabung des katalytischen Cellulignin-Brennstoffs nur dreimal so hoch sind wie jene von Brennstoffölen und es ist dramatisch einfacher als die Handhabung von Rohbiomassen (Holz und Pflanzenresten), die große Volumina und gewaltige Ausstattung erfordern.
4 – Die Dosierung des erfindungsgemäßen Cellulignins in der Verbrennungsvorrichtung wird zum Beispiel mittels spiralförmiger Dosierungsvorrichtung oder Drehschieber und die Zuführung von Luft wie zum Beispiel Schleppgasluft in dem Verhältnis von Luft:Cellulignin von ungefähr 3,28:1 bezogen auf das Gewicht und 1261,6:1 bezogen auf das Volumen gemacht. Dies verleiht dem Cellulignin eine Eigenschaft, die der der Gase oder Flüssigkeit in den Arbeitsschritten des Dosierens und Zuführens gleich ist, was eine drastisch einfachere Handhabung als das konventionelle Dosieren und Zuführen von festen Brennstoffen, insbesondere Biomassen, bereitstellt.
5 – Die Mikrostrukturbilder zeigen die Offenbarung der Mikrofibrillen in einer Abmessung von 50 nm. Diese Technik begründet die Korrelation zwischen dem Verfahren (Hemicellulose-Verdauung) und dem Produkt (offene Struktur mit mittlerer spezifischer Oberfläche). Sie begründet eine der neuen Haupteigenschaften des Produkts wie auch die Technologie des Kontrollierens des Vorhydrolyseverfahrens bei der Herstellung des katalytischen Cellulignin-Brennstoffs.
6 – Tabelle 4a stellt die physikalischen Eigenschaften der Mikroporen (aktiven Zentren) dar und Tabelle 4b stellt die Verteilung der Meso- und Makroporen dar. Das erstere wurde durch BET-Adsorption von N₂ bestimmt und das letztere wurde durch Hg-Porositätsmessung bestimmt. Die spezifische Gesamtfläche, die durch BET gemessen wurde, ist ungefähr 2,20 m²/g und die spezifische Fläche der Makro- und Mesoporen war der größere Anteil der gesamten Fläche. Deren Berechnung aus dem Mittelwert des Radius der Pore, die durch Hg-Porosität gemessen wurde, resultiert in 1,80 m²/g, wenn man eine zylindrische Symmetrie der Pore annimmt (1 = 2r). Diese Schlussfolgerung ist mit dem geringen Volumen der Mikroporen (1,1 × 10^–3 cm³/g), welches durch BET gemessen wurde, stimmig. Die Verteilung der Makro- und Mesoporen hat ihren maximalen Wert im Bereich von 1 bis 5 μm (1.000–5.000 nm, wobei diese Größe mit den Lücken der durch MEV fotografierten Zellen (3a, 3b und 3e) zusammenfällt. Die Daten von Tabelle 4 und die Mikrostrukturen der MEV erlauben die vollständige Charakterisierung des erfindungsgemäßen katalytischen Cellulignin-Brennstoffs. Die Mikroporen werden durch eine Jodzahl, die 100 entspricht, gemessen; im Falle von katalytischem Cellulignin gibt es bisher keine Messtechnik, die es einem ermöglicht, die Mikroporen-(2 nm)-Verteilung bei der Verbrennung abzuschätzen.

Tabelle 4a: Physikalische Eigenschaften der Mikroporen (Aktive Zentren – Φ < 2,0 nm)

(1) Pyknometrie von Helium; verwendete Ausr.: Ultragyknometer – Modell: 1.000 von Quantachrome – Version: 1.62
(2) BET-Adsorption von N₂; verwendete Ausr.: Adsorptionsmessgerät – Modell: Nova von Quantachrome – Version 3.70

7 – Die Hauptanwendung des erfindungsgemäßen Cellulignins ist als ein Brennstoff für Dampfkessel, Gasturbinen und für die Erzeugung von Energie durch Magneto-Hydrodynamik (MHD). Allerdings gibt es, abgesehen von den Verwendungen als einen Brennstoff, einige andere Anwendungen in den folgenden Gebieten: eine Volumenkomponente in Tierfutter, Pyrolyse für die Herstellung von Ölen und aktivierter Kohle, Herstellung von Ruß (unvollständige Verbrennung), Herstellung von Methanol, Cellulignin-Harzsäuresalze (Agglomerate, MDF – mitteldichte Faser), Substrat für halbfeste Fermentation (Pilze, Bakterien und Enzyme) usw.

Obwohl die genaue chemische Formel des erfindungsgemäßen Cellulignins variieren kann, ist seine empirische chemische Formel in Tabelle 5 im Vergleich zu empirischen Formeln von Holz, Biomassebestandteilen, mineralischer Kohle und Brennstofföl dargestellt, wobei diese Daten eine gute Referenz für das Verständnis der verbesserten Wirkungen, die durch den nun entwickelten Brennstoff erzielt werden, bereitstellt.
Tabelle 5: chemische Formeln einiger Brennstoffe
Wie zu sehen ist, haben Biomassen niedrige Kohlenstoffgehalte (4,3 Mole pro Formelgramm), mittlere Wasserstoffgehalte (6,5 Mole pro Formelgramm) und hohe Sauerstoffgehalte (6,5 Mole pro Formelgramm). Mineralische Kohlen haben hohe Kohlenstoffgehalte (6,5 Mole pro Formelgramm), niedrige Wasserstoffgehalte (4,3 Mole pro Formelgramm) und niedrige Sauerstoffgehalte (0,15 Mole pro Formelgramm). Das erfindungsgemäße katalytische Cellulignin ist hinsichtlich des Kohlenstoffs (5,5) in einer Zwischenposition und die Wasserstoff-(4,2)-gehalte tendieren zu mineralischer Kohle, aber mit dazwischen liegenden Sauerstoffgehalten (1,8 Mole pro Formelgramm). Tatsächlich kommt katalytisches Cellulignin Lignitkohle nahe, welches allerdings durch 20-minütige Vorhydrolyse erhalten wird, wohingegen Lignitkohle Millionen von Jahren brauchte, um gebildet zu werden.
Ein weiterer wichtiger Vorteil des nun entwickelten Cellulignin-Brennstoffs ist sein sehr niedriger Gehalt an Aschen, wodurch zum Beispiel die Erfordernisse von reinen Brennstoffen für Gasturbinen (Na+ < 5 ppm) erfüllt werden, wenn er in der Vorhydrolyse mit deionisierten Wasser bearbeitet wird. Dies liegt an dem Wirkungsgrad des Vorhydrolyseverfahrens, das K in Form von wasserlöslichem K₂SO₄ löst, das später in dem Waschschritt ausgewaschen wird. Alle Verunreinigungen, die in Holz enthalten sind, werden reduziert und sogar jene mit höheren Gehalten wie zum Beispiel Ca, Mg, Al und Si, die zum Beispiel in Eukalyptusholz vorhanden sind, verursachen keine heiße Korrosion auf den Superlegierungen der Gasturbinen. Das Behandeln der Verbrennungsgase aus dem erfindungsgemäßen Öl in einem Zyklon erwies sich als hoch wirksam beim Reduzieren der Aschegehalte auf ein Niveau, das für Gasturbinen erforderlich ist (Gesamtpartikel < 200 ppm und Partikel mit einem Durchmesser > 5 μm in einen Anteil von unter 8 ppm).
Einige wenige Punkte sollten auch im Hinblick auf die verbesserten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Cellulignin-Brennstoffs hervorgehoben werden, die ausdrücklich Vorteile für Verbrennungsprozesse im Vergleich zu konventionellen Brennstoffen mit sich bringen.
Wie bereits oben erwähnt, begünstigen hohe Temperaturen in der Festphasenpyrolysezone in einem Verbrennungsverfahren die Produktion flüchtiger Verbindungen und niedrige Temperaturen begünstigen die Produktion von Kohle. Wie bereits oben in Tabelle 2 angegeben, resultieren die Produkte, die aus der Cellulose- und Xylan-Pyrolyse resultieren, in höheren Teergehalten, was für Holz eine Sekundärverbrennung nahe der Öle verursacht. Allerdings gibt es kein Xylan in dem erfindungsgemäßen katalytischen Cellulignin, welches zu niedrigeren Kohlegehalten in dieser Zone führt. Es wird weiterhin hervorgehoben; dass die Globulisierung von Lignin in dem Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen katalytischen Cellulignin-Brennstoffs die Bildung von flüchtigen Stoffen begünstigt und die Kohlegehalte reduziert. Zusätzlich und bei Berücksichtigung des Einflusses der Feuchtigkeit auf die Partikelpyrolyse folgt, dass der katalytische Cellulignin-Brennstoff die Verbrennungstemperatur maximiert, den Gehalt an flüchtigen Stoffen erhöht und die Bildung von Kohlegehalten erniedrigt, da es die Möglichkeit eines Brennens ohne Feuchtigkeit und mit niedrigen Aschegehalten bereitstellt.
Andere technische Vorteile, die gemäß der Erfindung erhalten werden, können klar sowohl während den Vorverbrennungsreaktionen und in den primären Verbrennungsreaktionen als auch in den Nachverbrennungsreaktionen des Cellulignin-Brennstoffs beobachtet werden.
In dem Vorverbrennungsschritt wird beobachtet, dass es im Falle des katalytischen Cellulignins einen Abfall der Aschegehalte gibt, die Wassergehalte und Xylane nicht existieren und diese Aspekte die CH₄-Bildung (einem Produkt aus dem Abbau von R''-Cellulose) anstelle von C₂H₆ (Produkt aus dem Abbau von Hemicellulose, nicht existent in Cellulignin) begünstigt. Während der primären Verbrennung findet die Verbrennung von Cellulignin bei höheren Temperaturen statt, wie die Verbrennung von CH₄, was aus der Decarboxylierung der Essigsäure und der Decarbonylierung des Acetaldehyds resultiert, was aus dem Öffnen des Rings resultiert. Dies erklärt, warum in der Praxis das katalytische Cellulignin eine Verbrennung besitzt, die ähnlich der natürlicher Gase und der flüchtiger flüssiger Brennstoffe ist. Schließlich ist während des Nachverbrennungsschritts das Verhältnis C:H von 1:0,76 für den Fall des katalytischen Cellulignins, d.h. es ist näher an dem mineralischer Kohlen als an dem von Holz. Die mittleren Sauerstoffgehalte begünstigen allerdings die Bildung von CH₄, CO₂ und CO, was die Erklärung für die hohe Reaktivität des katalytischen Cellulignins bestätigt.
Um ein besseres Verständnis der Ähnlichkeit der Merkmale der Verbrennung des erfindungsgemäßen katalytischen Cellulignins im Vergleich zu jenen der mineralischen Kohle zu ermöglichen, wird eine moderne Theorie der Verbrennung poröser Partikel (Essenhigh) unten im Hinblick auf ihre Wichtigkeit für die Erfindung der Verbrennung von Cellulignin gegeben.
Die Masseverlustrate: m = m(a,σ), wobei m = Masse des kugelförmigen Partikels, a = Partikelradius, d = 2a = Partikeldurchmesser, σ = Partikeldichte und m = (4/3)πa³σ.
R_s = Masseverlustrate durch die äußere Oberfläche des Partikels (g/cm²S) e R_i ist die Masseverlustrate durch die innere Oberfläche. Die obige Gleichung ist eine nicht exakte Differentialgleichung; die auf Grund des Fehlens einer Beziehung zwischen σ und dem a nicht integriert werden kann (Integrationsweg).
Essenhigh (1988) schlug die Verwendung der Gleichung von Thiele (1939) der Katalyse als einen Weg der Integration von R_s vor
wobei α = 0 für die Dichte steht, σ konstant mit Verbrennung durch die äußere Oberfläche und α → ∞ für einen konstanten Durchmesser bei Verbrennung über die innere Oberfläche steht (dieses Konzept ist der Katalyse über die äußere Oberfläche oder über die innere Oberfläche ähnlich).
Bei Berechnung der R_i/R_e-Beziehung folgt, dass:
wobei R_im die maximale Geschwindigkeit des inneren Verlustes ist und η = R_i/R_im der Thiele-Wirkungsgradsfaktor (0 < η < 1) ist, der die Beziehung zwischen dem tatsächlichen inneren Verlust und dem maximal möglichen inneren Verlust darstellt (für große Partikel oder Partikel geringer Porosität ist der innere Massenverlust vernachlässigbar und η → 0, während für kleine Partikel und hohe Dichte der innere Verlust der Masse maximal ist und η = 1).
Wenn man S_v als Fläche der inneren Oberfläche pro Volumeneinheit V_p ((cm²/cm³) = 1/cm) und S_p als Fläche der äußeren Oberfläche des Partikels definiert; folgt, dass die Beziehung R_im/R_e proportional zu dem Verhältnis der inneren und äußeren Flächen ist:
Für mineralische Kohle liegt α im Bereich von Null bis 3, wobei ausnahmsweise ein Wert von 6 erreicht wird. Für den katalytischen Cellulignin-Brennstoff haben wir S_v = σS_g, wobei S_g die innere Oberfläche pro Masseeinheit ist und die folgenden Werte für ein Partikel von 200 μm resultieren:
Dies bedeutet, dass für eine spezifische Oberfläche von mehr als 0,4 m²/g (α = 40) der katalytische Cellulignin-Brennstoff hauptsächlich von der inneren Oberfläche her brennt, wodurch der Partikeldurchmesser ungefähr konstant bleibt und seine Dichte variiert (Brennen eines Fraktals – 1^a-Zone), wodurch die neue Erfindung als vollständig katalytischer Brennstoff für große Maßstäbe charakterisiert wird, der durch Vorhydrolyse von in der Natur verfügbarer Biomasse erhalten wird. Tests für die spezifische Oberfläche (BET, Porositätsmessung von Quecksilber und MEV) zeigen einen mittleren Wert von 2,0 m²/g, was in α = 200 resultiert. Die Partikel von flüssigem Brennstoff brennen von der äußeren Oberfläche (α = 0–3^a-Zone) und die Partikel von mineralischer Kohle haben eine teilweise innere Verbrennung (0 = oder < α = oder < 3–2^a-Zone).

– Für den Fall mineralischer Kohle, α = Sv/γ, wobei γ den Thiele-Parameter angibt durch: λ = (Sv κ/ρDe)1/2; α = (ρDeSv/κ)1/2 wobei k = Konstante der Reaktionsgeschwindigkeit, ρ = reaktive Gasdichte und De = Koeffizient der inneren Diffusion. Für das katalytische Cellulignin gibt es keine Notwendigkeit für die unabhängige Bestimmung dieser Parameter, da sie sich kombinieren und in einem relativ hohen Wert von α (α = oder > 100) resultieren.
– Bei der katalytischen Verbrennung greift der Sauerstoff direkt am Kohlenstoffatom als eine zweistufige Reaktion (Adsorption-Desorption) an, was in 5 dargestellt ist. Der Sauerstoff wird adsorbiert und desorbiert, wodurch CO₂ oder CO gebildet wird, welches dann deadsorbiert wird. Die Bestandteile und Produkte der Reaktion sind nach den folgenden Reaktionen C, O₂, CO₂, H₂ und CO:
wobei Cf eine freie Stelle anzeigt, C(O) für ein chemisch adsorbiertes Sauerstoffatom steht und ki Reaktionskonstanten sind. Die durch die katalytische Verbrennung produzierten flüchtigen Stoffe (CO, H₂) vervollständigen ihre Verbrennung außerhalb des Partikels mit einer sehr kurzen Verbrennungszeit (3 ms). Die bestimmte Verbrennungszeit ist die des Adsorptions-Deadsorptions-Prozesses, der für das katalytische Cellulignin gleich oder kürzer als 20 ms (0,02 s) ist.

Die Brennzeit für mineralische Kohle, Flüssigkeiten (Öle) und für katalytischen Cellulignin-Brennstoff, der in Form von isolierten Partikeln und in Form von Pulverwolken gemessen wurde, ist in 6 dargestellt und die Formeln, die für die entsprechenden Berechnungen verwendet wurden, sind unten dargestellt.
Anlage I: Verbrennungszeiten
1a – Kohleverbrennung
Brennzeit

i) bei konstanter Dichte:
ii) bei konstantem Durchmesser
wobei:

ρ₀

= anfängliche Dichte des Partikels ≈ 1.000 kg/m³

R

= allgemeine Gaskonstante = 0,8106 m³ atm/(kmol K)

T_m

= mittlere Temperatur = 1.600 K

D

= Diffusionskoeffizient = 3,49 × 10^–4 m²/s

P_g

= Sauerstoffpartialdruck = 0,2 atm

Φ

= Ordnung der Reaktion = 2

d₀

= anfänglicher Partikeldurchmesser (m)

lb

– Verbrennung von Flüssigkeiten

Brennzeit

wobei:

d₀

= anfänglicher Durchmesser

λ

= Verdampfungsgeschwindigkeit = 10 ± 2 × 10^–3 cm²/s für Kohlenwasserstoffe bei Verbrennung in Luft:

In der ersten Ausgestaltung ist die Brennzeit kürzer als die der mineralischen Kohle, da es ein viel aktiverer Brennstoff ist. In der Ausgestaltung einer Pulver-„Wolke" gibt es einen Abfall der thermischen Verluste auf Grund der Energietransmission durch Strahlen zwischen den Partikeln, wodurch die Brennzeit für Werte, die ähnlich zu jenen flüchtiger Flüssigkeiten sind, reduziert wird. Ein Weg zur Analyse dieser Frage ist mittel der Energiebilanz von Krishna und Berlad für die Entzündung einer Pulverwolke mineralischer Kohle.
wobei der erste Ausdruck die Energiebildungsgeschwindigkeit ist, a der Radius des Partikels ist, R der Radius der Wolke ist, ρ die Partikeldichte ist, D die Dichte der Wolke ist, λ₀ die thermische Leitfähigkeit der Luft ist und β ein empirischer Koeffizient ist. Wenn R²D/a²σ << 1 folgt, dass ein T_iβ ^–1 = (konst.) und wenn R²D/a²σ >> 1, dann T_iβ ^–1 = (konst.)a. Das letztere stimmt mit der weltweiten Erfahrung überein, die das Mahlen der mineralischen Kohle bei Temperaturen von nicht mehr als 70°C empfiehlt, um eine Verbrennung der Pulverwolke in den Mühlen zu vermeiden. Für die Einspritzung von katalytischem Cellulignin-Brennstoff haben wir R = 0,1 m, a = 100 × 10^–6 m, σ = 500 kg/m³, D = 0,4 kg/m³, was in R²D/a²σ = 800 >> 1 resultiert. Je kleiner die Partikelgröße ist, desto niedriger ist die Entzündungstemperatur der Pulverwolke. Für mineralische Kohle beträgt die theoretische Entzündungstemperatur der Wolke 300 bei 500°C und für katalytisches Cellulignin ist die Entzündungstemperatur in der Größenordnung von 350°C (Pyrolysetemperatur). Die Gegenwart von Sauerstoff in dem Molekül des katalytischen Cellulignin-Brennstoffs begünstigt die Ähnlichkeit seines Verbrennungsprozesses zu dem von mineralischer Kohle (allerdings mit höherer Reaktivität und höherer Entzündungstemperatur) im Hinblick auf die Verbrennung von Holz, die fünf Schritte umfasst und auf Grund der Gegenwart von Wasser deutlich beschränkt ist.
Um die Verbrennungseigenschaften zu ermitteln, wurden katalytische Cellulignin-Partikel verschiedener Durchmesser mittels Laserstrahlen entzündet und Bestimmung der Abstrahlungsintensität mit Fotodioden. Die Ergebnisse sind in den 7a und 7b gezeigt, wobei man zwei Systeme sehen kann, nämlich: 1) über 250 μm ist die Verbrennung die des üblichen Typs (begrenzt durch den Transport der Masse innerhalb und außerhalb des Partikels) und 2) unter 250 μm ist die Verbrennung durch den Massefluss nicht eingeschränkt (Verfahren der Adsorption von O₂ – Deadsorption von CO). Die zwei Systeme passen sich der katalytischen Verbrennung von Thiele an. Die Aufmerksamkeit wird auf die Wichtigkeit der Beibehaltung der kristallinen Eigenschaft der Cellulose in dem Vorhydrolyseverfahren gelenkt, um das Mahlen der Cellulignin-Partikel auf weniger als 250 μm günstig zu machen.

a) Konventionelle Verbrennung (Φ > 250 μm): das katalytische Cellulignin wird außerhalb der Verbrennungsausstattung getrocknet und die Trocknungszone ist nicht existent. Die Erhitzung ist schnell, die Bindung von flüchtigen Stoffen wird maximiert, wohingegen die Kohlebildung minimiert wird. Das katalytische Cellulignin enthält kein Xylan, seine feste Pyrolyse dominiert, d.h. Öffnen des Rings mit Bildung von Essigsäure, Acetaldehyd und Kohle durch Decarbonylierung der Essigsäure und Decarboxylierung des Acetaldehyds in der Bildung von CH₄, CO₂ und CO. Die Zonen der flüchtigen primären und sekundären Verbrennung sind die Gleichen wie zuvor beschrieben.
b) Katalytische Verbrennung (Φ < 250 μm): Die Vorhydrolyse verlagert die Biomasse in Richtung der Verbrennung mineralischer Kohle. Die Hauptcharakteristik ist, dass die Verbrennung durch den Mechanismus des Sauerstofftransports in das katalytische Lignin hinein und des CO₂ hieraus auf Grund der Partikelmikrostruktur eingeschränkt ist. Auf diese Weise gibt es eine physikalische (O₂) und chemische (O) Adsorption an aktiven Zentren und die Boudouard-Reaktion wird begünstigt. Die Reaktion von Hydroxylgruppen verursachen schnelle Reaktionen beim Erhitzen und in den Festphasepyrolysezonen. Die katalytische Verbrennung erfolgt an der mittleren inneren Oberfläche (2,0 m²/g), der Beitrag der äußeren Oberfläche (0,1 m²/g) des Partikels ist sekundär: Das Gerüst des katalytischen Cellulignins ist das eines Fraktals, das brennt, während der Durchmesser des Partikels ungefähr konstant bleibt und die Partikeldichte abnimmt. Wenn die Wand eine fraktale Dicke einer kritischen Größe erreicht, findet ein Zusammenbruch des Partikels statt (Sublimation). Daher schließt dieses Verfahren die Bildung von rückständiger Kohle aus, was in einer vollständigen Verbrennung resultiert.

Die Verbrennungsausstattung, die für das erfindungsgemäße katalytische Cellulignin verwendbar ist, hängt von der Art der spezifischen Verbrennung ab, die eingesetzt werden soll. In diesem Hinblick sind die Hauptverfahren der Biomasseverbrennung: Verbrennung in einem Haufen, Streuverteiler, Suspension und Fließbett, wobei die Streuverteilerverbrennungsanlage von einem industriellen Gesichtspunkt aus gesehen das Wichtigste ist. Die Charakteristik der ersten Beiden ist die vollständige physikalische Trennung der fünf Verbrennungszonen. Bei der Verbrennung einer Suspension trockener Biomassepartikel (Φ < 2 mm, TU < 15%) finden alle „Zonen" in der Mitte der Luft in einer aufeinander folgenden Weise statt. Die brennende Suspension ist dem Brennen flüssiger Brennstoffe am Nächsten. Dies ist der Fall des nun vorgeschlagenen Cellulignins, das auf Grund seiner katalytischen Verbrennung nahe an die Verbrennung von Gasen und Flüssigkeiten kommt.
Die Verbrennung in einem Fließbett behält den Brennstoff in einem Bett mit Sand oder Calziumoxid suspendiert in Luft. Alle Reaktionszonen finden an dem gleichen Ort statt (nicht physikalisch trennbar). Der Wirkungsgrad der Verbrennung ist auf Grund des Luftüberschusses (100–140%), der notwendig ist, um das Fließbett zu erhalten, gering und die Temperatur wird unter dem Aschenschmelzpunkt gehalten, um ein Zusammenbrechen des Bettes zu verhindern. Im Falle des erfindungsgemäßen katalytischen Cellulignins kann die Suspensionsverbrennung mit stöchiometrischer Luft und ohne Begrenzung der Temperatur durchgeführt werden, da es einen sehr geringen Aschegehalt besitzt. Die drei Hauptparameter der Verbrennung sind verwendbare Hitze, thermischer Wirkungsgrad und Verbrennungstemperatur. Hv = CCS – PT; η = [1 – (PT/CCS)] × 100wobei CCS die obere kalorische Kapazität ist und PT die thermischen Abgasverluste, Aschen (einschließlich nicht verbrannten Kohlenstoffs), Strahlung und andere sind. Die Abgasverluste werden angegeben durch:
wobei mi die Mole der Abzugsgase (CO₂, O₂, N₂, H₂O) ist, Cpi die kalorische Kapazität jeder Spezies ist, ΔT die Differenz der Temperatur zwischen dem Kamin und der Umgebung ist, m_H2O die Anzahl der Mole an Wasser ist und λ_H2O der molare Wasserverdampfungswert ist.
Die Verluste durch Strahlung betragen ungefähr 4% und andere Verluste (Asche, nicht verbrannter Kohlenstoff) betragen ungefähr 2%. Der Wirkungsgrad der Verbrennung eines Holzes mit 50% Feuchtigkeit ist 68%; mit 17% Feuchtigkeit ist er 79% und die des katalytischen Cellulignins ist 85% (nahe den Werten der mineralischen Kohle) auf Grund der Abwesenheit von Feuchtigkeit, Asche und Luftüberschuss. Der erfindungsgemäße katalytische Cellulignin-Brennstoff erlaubt das Erreichen von Temperaturen nahe an den adiabatischen (1920 K), obwohl die Temperaturen der dampferzeugenden Röhren des Dampfkessels auf 840 K beschränkt sind.
Die Wärmefreisetzungsgeschwindigkeiten für bestimmte Verbrennungsverfahren werden durch I = h dW/dt angegeben, wobei I die Flammenintensität ist, dW/dt die Gewichtsveränderung als Funktion der Zeit ist und h die Verbrennungswärme ist. Tabelle 6 zeigt einige Geschwindigkeiten für die verschiedenen Verbrennungsverfahren:
Tabelle 6: Wärmefreisetzungsgeschwindigkeiten für verschiedene Verbrennungsverfahren
Die Reaktivität des katalytischen Cellulignins ist leicht höher als die der Biomasse (Abwesenheit von Wasser, größere spezifische Oberfläche) und die Verbrennungswärme ist das doppelte, was zu einer Wärmefreisetzungsgeschwindigkeit führt, die doppelt so hoch ist wie die von Holz. Zum Beispiel verbrennen 9 kg/h katalytisches Cellulignin mit einer Verbrennungswärme von 20 MJ/jg in Suspension in einem Volumen von Φ = 2 cm und L = 50 cm, das heißt (9 × 20)/(π × (0,01)² × 0,5) = 1,146 GJ/m³ h.
Die Beispiele der Ausstattung, die unten angegeben sind, werden die vorliegende Erfindung in einer besseren Weise veranschaulichen. Allerdings beziehen sich die Daten und Vorgehensweisen, die dargestellt sind, nur auf einige wenige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und sollten nicht als den Schutzumfang der Erfindung beschränkend angenommen werden.
Die vollständige Charakterisierung des katalytischen Cellulignin-Brennstoffs bezieht Elemente von Cellulignin als Ausgangsmaterial, der verbrennungsspezifischen Eigenschaften und der Brennstoffhandhabungs- und -Kontroll-Ausrüstung ein.
8 zeigen ein Zuführungssystem, das aus einem Cellulignin-Tank (8.1), einem Drehschieber oder einer spiralförmigen Zuführung zur Dosierung der Cellulignin-Zufuhr (8.5 und 9 und 10), einer Zuleitung der Luft/Cellulignin-Zweiphasenflüssigkeit (Verhältnis 3,28:1 bezogen auf das Gewicht) (8.6) zusammengesetzt ist, und Anwendungen in Dampfkesseln oder Öfen (Druck nahe an dem atmosphärischen, T = 1.900°C), in Gasturbinen (Druck von 7–14 atm, T = 600–1.100°C). Der Cellulignin-Tank kann entweder stationär (vorzugsweise in einer vertikalen zylindrischen Form) oder bewegbar (installiert in Wagen ähnlich der Tanks zum Transport von Tierfutter oder Zement) sein. Auf Grund der Tendenz von Cellulignin, sich abzusetzen, sind die Tanks vorzugsweise mit einem konischen oder ebenen Boden und mit Pulverhandhaber des Typs mit rotierenden Schaufeln (8.2, 8.3, 8.4), spiralförmigen Zuführungen oder einem Boden mit bewegbarer Druckluftleitung ausgerüstet. Am Ausgang des Drehschiebers oder der spiralförmigen Zuführung zur Dosierung des Cellulignins wird Schleppluft für den zweiphasigen Fluss in einem Verhältnis von 3,28:1 eingeführt. Der zweiphasige Fluss kann durch metallische, plastische Rohre oder Schläuche gemacht werden, wobei das Luft/Cellulignin-Gemisch sich verhält, als wenn es ein Gas oder eine Flüssigkeit wäre. Unter niedrigem Druck ist die energetische Dichte des Luft/Cellulignin-Gemisches 7,14 MJ/m³, wohingegen die natürlichen Gases 32,9 MJ/m³ und die von Brennstoffölen 28,0 MJ/m³ ist, was dennoch kompakte, einfache Installationen und signifikante Längen der Rohre erlaubt, um der Anordnung von Fabriken, Thermoelektrizitätswerke etc. zu entsprechen.
Die spiralförmige Zuführung, die in 9 gezeigt ist, ist zusammengesetzt aus einem Körper (9.1), einer Buchse (9.2), spiralförmigen Zuführungen (9.3), Pulveraufnehmer (9.4), Halterungen (9.5); Flanschen (9.6), Antriebsriemenscheibe (9.7) und Luftzuführung für zweiphasigen Fluss (9.8). Die Dosierung des Cellulignins wird durchgeführt, indem die spiralförmige Zuführung gedreht wird und ihr Durchmesser variiert wird und im Allgemeinen für niedrige Kapazitäten (< 150 kg/h) verwendet wird. Der Ausschluss des Einflusses von Druckunterschieden zwischen dem Cellulignin-Tank und dem Schleppgas bei der Dosierung des Pulvers, welche durch die spiralförmige Zuführung durchgeführt wird, wird durchgeführt mittels der Impedanz der Länge der spiralförmigen Zuführung zwischen dem Tankkörper und der Schleppluft des zweiphasigen Flusses. Die in 10 dargestellten Drehschieber sind auf dem Markt für Kapazitäten von über 150 kg/h erhältlich und umfassen einen Körper (10.1), Schaufeln (10.2), eine Kurbelwelle (10.3), ein Sichtfenster (10.4) und möglicherweise Kühlung (10.5). Die Dosierung wird mittels Drehung, Durchmesser und Länge der Schieber durchgeführt.
Verbrennungsanlagen
Die direkte Verwendung von Verbrennungsanlagen in Dampfkesseln und Öfen ist auf Grund des niedrigen Gehalts an Cellulignin-Aschen (< 0,2%) und der bereits existierenden Ressourcen zum Entfernen rückständiger Aschen bei dieser Ausstattung möglich. Für die Anwendung in Gasturbinen sind die folgenden Mittel notwendig: a) Verbrennungskammer mit Einführung von primärer Luft (stöchiometrische Verbrennung) und sekundärer Luft (Schleppen der Aschen von der Verbrennungskammer zu dem Zyklon und Abkühlen der Verbrennungsgase hinunter auf die Arbeitstemperatur der Turbine); b) gasreinigender Zyklon (Entfernung von Partikeln); und c) möglicher Keramikfilter für Hochtemperaturturbinen (1.100°C – monokristalline Superlegierungen), und diese Filter sind für polykristalline Superlegierungen oder mit gerichteter Verfestigungunerlässlich. Die Spezifikationen von Na + K < 5 ppm in dem katalytischen Cellulignin-Brennstoff mit Gesamtgehalt an Partikeln von 200 ppm, mit Durchmesser > 5 μm unter 8 ppm in den Verbrennungsgasen wurde ohne das Erfordernis von Keramikfiltern erreicht.
Axial-Verbrennungsanlagen
11 zeigt ein Beispiel einer Axial-Verbrennungsanlage, um die Verbrennung von katalytischem Cellulignin zu charakterisieren. Die Entzündung kann auf einige Arten durchgeführt werden, wie zum Beispiel durch Mikrolötlampen von GLP, natürlichen Gasen etc., elektrischen Bogen, elektrischen Widerstand oder Heißgasrohr. In der Tat ist es einfach und die Automatisierung und niedrigen Kosten begünstigen die Entzündung mittels Lötlampen von GLP, natürlichem Gas (Verbrauch von 0,022 kg GLP/kg Cellulignin, was 5% der kalorischen Kapazität der Verbrennungsanlage darstellt). Zwei Faktoren betreffend die Entzündung des katalytischen Cellulignins werden hervorgehoben: erstens, ihr Erfordernis auf die Pyrolysetemperatur (350°C) aufgeheizt zu werden; zweitens, die Betriebssicherheit des katalytischen Cellulignins im Hinblick auf die verbrennbaren Gase und Flüssigkeiten, die bei Raumtempeiatur zünden. Die praktischen Anwendungen können durch jede Art von Verbrennungsanlage durchgeführt werden (Axial, Wirbel, Zyklon, etc.).
Die Axial-Verbrennungsanlage ist zusammengesetzt aus einer Montageplatte (11.1) mit oder ohne Kühlung, einem Cellulignin-Einspritzer (11.2), einem Lufteinspritzer für stöchiometrische Verbrennung (11.3), Befestigungen für die Entzündungslötlampen (11.4) mit oder ohne Kühlung, Entzündungslötlampen von GLP, natürlichen Gasen etc. (11.5), Fenster mit Sucher (11.6). Die Entzündungslötlampen sind die kleinsten, die auf dem Markt erhältlich sind, da die katalytischen Eigenschaften des Cellulignins unmittelbare Entzündung und Propagierung für den zweiphasigen Luft/Cellulignin-Fluss erlauben. Die Energie der Entzündungslötlampen liegt im Bereich von 5% der Energie für Verbrennungsanlagen mit niedriger Kapazität (50 kW) und geht gegen vernachlässigbare Prozentwerte für Verbrennungsanlagen hoher Kapazität. Für den zweiphasigen Fluss mit Geschwindigkeiten von 8,5 m/s und einem Durchmesser Φ = 16,5 mm verbreitet sich die Entzündung über eine Länge von 100 mm, was eine Entzündungszeit von 0,012 s = 12 ms ergibt. Die Verbrennung ist in einer Länge von 0,7 m vollständig, was eine 4 von 1/8,5/2) 0,16 s = 160 ms ergibt (man hat eine mittlere Geschwindigkeit von 8,5/2 = 2,25 m/s verwendet, da die Einspritzgeschwindigkeit am Beginn der Flamme 8,5 m/s beträgt und die Geschwindigkeit am Ende der Flamme praktisch null ist). Die Beziehung zwischen Verweilzeit/Entzündungszeit ist in der Größe von Zehnfach. Die Entzündungszeiten von katalytischen Cellulignin gehen gegen die Entzündungszeiten von Gasen, die in der Größe von 3 ms sind.
Im Allgemeinen bilden mineralische Kohle und flüssige Brennstoffe eine sehr lange Flammenlänge auf Grund der langen Brennzeiten (siehe 6), wodurch Verbrennungsanlagen des Axial-Wirbeltyps zum Reduzieren der Flammenlänge erforderlich sind. Die katalytische Eigenschaft von Cellulignin erlaubt es, eine Axial-Verbrennungsanlage mit relativ kurzen Flammenlängen zu verwenden. Die Auslöschung der Entzündungslötlampen resultiert in dem Auslöschen der Flamme des katalytischen Cellulignins auf Grund des Erfordernisses, dass es bei 35°C pyrolisiert werden muss, was eine vollständige Sicherheit bei der Handhabung mit dem katalytischen Cellulignin gewährleistet (nicht brandstiftender und nicht explosiver Brennstoff). Das katalytische Cellulignin enthält keine Hemicellulose, die für eine brandstiftende Eigenschaft der Biomasse in Form von Stroh (Pyrolysetemperatur = 200°C) verantwortlich ist und es pyrolisiert nicht bei niedriger Temperatur und so besitzt es nicht die brandstiftenden Eigenschaften von Gasen und flüssigen Brennstoffen (niedriger Flammpunkt). Andererseits ist über 350°C seine Verbrennung mit Entzündungszeiten nahe derer von Gasen katalytisch.
Gasturbinen
Für Anwendungen von Cellulignin-Verbrennungsanlagen in Gasturbinen sind zwei zusätzliche Schritte erforderlich, nämlich: Kühlen der Gase und ein Zyklon zum Reduzieren der Partikel. 12a und 12b zeigen die Cellulignin-Verbrennungsanlage, den Zyklon und den Partikelsammler in horizontaler oder vertikaler Anordnung. Sie ist zusammengesetzt aus der Verbrennungsanlage (12.1), der Verbrennungskammer (12.2), dem Einlass für Kühlluft (12.3), der Kammer für Kühlluft (12.4), dem Homogenisierungsabschnitt (12.5), dem Zyklon (12.6), dem Partikelsammler (12.7) und dem Gang zur Verbindung mit der Turbine (12.8). In der vertikalen Position ist ein Aschesammler (12.9) zugefügt, bevor die Verbrennungsgase zu dem Zyklon zum Sammeln der geschmolzenen Aschen während der stöchiometrischen Verbrennung gelenkt werden.
Die dargestellte Verbrennungsanlage ist mit Ausnahme der Verbrennungskammer, die auf Grund der hohen Temperatur (1.920 K) aus Superlegierungen hergestellt ist, wobei sie durch Kühlluft gekühlt wird, aus Edelstahl hergestellt. Ein Teil der Kühlluft penetriert durch Bohrlöcher in der Wand der Verbrennungskammer, wodurch eine periphere Schicht von Schleppluft zum Schleppen der geschmolzenen Aschen und Teilchen geschaffen wird.
Eine der Haupteigenschaften der Gasturbinen ist ihre Vielseitigkeit im Hinblick auf Brennstoffe, wobei sie mit Gasen wie zum Beispiel natürlichem Gas, verdampften Ölen und Prozessgasen (Raffinerien, Hochöfen und Vergasungsapparaten); Flüssigkeiten wie zum Beispiel reinen Flüssigkeiten, das heißt flüchtigen Naphthas, leichten Destillaten (Diesel, Kerosin) und viskosen und schweren Rückstandsölen; und Feststoffen arbeitet. Die flüssigen Brennstoffe mit hohen Aschegehalten (Roh- und Rückstandsöle) erfordern Reinigungsausrüstung vor ihrer Verwendung.
Tabelle 7 stellt die Eigenschaften der drei Arten konventioneller Brennstoffe und des katalytischen Cellulignins dar. Das letztere wurde zwischen natürliches Gas und leichte Destillate (reine Brennstoffe) und die Mischungen von schweren Destillaten und Rohöl mit wenig Asche gestellt. Es enthält kein V₂O₅, WO₃, MO₃ oder Pb und der S-Gehalt ist sehr niedrig. Das Na + K für die reine katalytische Cellulignin-Konzentration ist sehr. nahe an der reiner Brennstoffe, wohingegen für normales katalytisches Cellulignin, es nahe an der von schweren Rückstandsrohölen mit viel Asche ist (Tabelle 8). Die Vorhydrolyse, die mit deionisiertem Wasser durchgeführt wird, ist eine wirksame Technologie zum Herstellen reinen katalytischen Cellulignins als Brennstoff für Gasturbinen. Der einzige Parameter außerhalb den Bedingungen reiner Brennstoffe ist der Aschegesamtgehalte (< 0,1%). Diese werden allerdings in dem Zyklon signifikant reduziert, wodurch Gesamtpartikelgehalte < 200 ppm und Gehalt von weniger als 8 ppm für Partikel mit Größen von mehr als 5 μm erreicht werden.
Natürliche Gasdestillate bedürfen keiner Brennstoffbehandlung. Mischungen von schweren Destillaten, Rohölen mit wenig Asche und insbesondere schweren Rückstandsrohölen mit viel Asche bedürfen des Waschens des Brennstoffs, das auf der Wasserlöslichkeit von Natrium, Kalium und Calcium basiert. Es gibt vier konventionelle Waschverfahren, nämlich: Zentrifugation, Gleichstrom elektrisch, Wechselstrom elektrisch und Hybrid. Das katalytische Cellulignin verteilt sich mit jedem Waschprozess, der zum Reduzieren des Na + K-Gehalts von 100 ppm hinunter auf Gehalte von 5 bis 0,5 ppm in Roh- und Rückstandsölen verwendet wurde.

Tabelle 8 – Anorganische Verunreinigungen (mg/g) von Eukalyptus, katalytischen Cellulignin und Vorhydrolysat

(1) Cellulignin verarbeitet mit filtriertem Leitungswasser mit halbquantitativer Röntgenanalyse
(2) Cellulignin verarbeitet mit deionisiertem, mit halbquantitativer Röntgenanalyse mit Ausnahme von K (durch ICP/AES) und Na (AAS-Flamme)
(3) Massegleichgewicht nicht ausgeführt auf Grund der Abwesenheit von anfänglichen Wasser und Waschwasseranalyse.

Für Gasturbinen werden für gewöhnlich Spezifikationen der Brennstoffspiegel durchgeführt. Im Falle von katalytischem Cellulignin sollten Spezifikationen auf der Ebene der Verbrennungsgase oder hinsichtlich eines „äquivalenten Brennstoffs" auf Grund der Reinigung der Zyklone, die außerhalb der Turbine an die Verbrennungsanlage gekoppelt sind, durchgeführt werden.
Der Einfluss der (Na + K)-Gehalte (ppm) auf die Arbeitstemperatur der Iconel-Superlegierung 718 wird angegeben durch:
Der katalytische Cellulignin-Brennstoff erlaubt den Betrieb im Bereich von 800 bis 830°C. Beschichtungen werden verwendet, um die Widerstandsfähigkeit der Superlegierung gegenüber heißer Korrosion zu erhöhen. Tabelle 8 zeigt die Haupttypen der Beschichtung, die durch Diffusion (Al, Pt, Rh, NiCrSi) oder durch Überschichtung (Co, Cr, Al, Y) erhalten werden. Verschiedene Techniken des Ablagerns der Überschichtung werden verwendet, nämlich: Plasmaspray, Bedampfung, Dampfablagerung durch elektrischen Strahl (PVD) und Verkleiden. Gegenwärtig wird die Hitzekorrosionswiderstandsfähigkeit durch die Beschichtungen und nicht durch die Grundmetalle der Rotoren oder des Stotors der Turbine beschränkt. Der Schutz mit Plasma oder EB/PVD ermöglicht es einem allerdings, einen Betrieb von 16.000 h sogar unter aggressiven Bedingungen zu erhalten.
Die Haupterfordernisse für einen Gasturbinenbrennstoff sind: Heizkraft, Reinheit, Korrosivität, Ablagerung/Verstopfung und Verfügbarkeit. Der Brennstoff aus reinem katalytischem Cellulignin, das durch Vorhydrolyse aus Biomasse mit deionisiertem Wasser erhalten wurde, erfüllt alle oben genannten Erfordernisse. Tabelle 9: Schützen von Schichten (Beschichtungen) von Turbinen
PC – Aufkohlen in festen Verkohlungsmitteln (Pack Cementation); DPC – Doppeltes Aufkohlen in festen Verkohlungsmitteln (Double Pack Cementation); EP – Galvanischer Überzug (Electroplating); EB – Elektronenstrahl (Electron Beam); PVD – Abscheidung aus der Dampfphase (Physical Vapor Deposition)

Claims

Cellulignin-Brennstoff, dadurch gekennzeichnet, dass er zusammengesetzt ist aus Cellulose und globulisiertem Lignin mit einer spezifischen Oberfläche von 1,5–2,5 m²/g, erhältlich durch ein Verfahren der Vorhydrolyse von Biomasse umfassend die Schritte: a) Abführen der Biomasse in einer spiralförmigen Zuführung in eine Vorrichtung zur Vorhydrolyse der Biomasse; gefolgt von b) einem Druckbeaufschlagungsarbeitsgang umfassend die Schritte: i) Füllen der Vorrichtung zur Vorhydrolyse der Biomasse mit einer vorgewärmten sauren Lösung, ii) Erhitzen und iii) Druckbeaufschlagung, wobei das Verfahren durch die Tatsache gekennzeichnet ist, dass die Vorhydrolyse gleichzeitig mit einer kreisenden Schwingung der Biomasse-Vorhydrolyseeinrichtung durchgeführt wird, wobei der Dampf abgeführt wird und die Temperatur, der Druck, die Säuregehalte, die Vorhydrolysezeit und das Flüssig/Fest-Verhältnis kontrolliert werden und wobei die Zuckergehalte mittels einer Zuckermessvorrichtung überwacht werden, bis ein Wert von ungefähr 10 Brick erreicht wird.
Cellulignin-Brennstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er zusammengesetzt ist aus Cellulose und globulisiertem Lignin mit einer mittleren spezifischen Oberfläche von ungefähr 2 m²/g.
Cellulignin-Brennstoff nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Hitzeverbrennungswert von 18 bis 20 MJ/kg besitzt.
Cellulignin-Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er zu Teilchen mit einer Größe von weniger als 250 mm gemahlen wird.
Cellulignin-Brennstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Zündzeit aufzeigt, die gleich oder kurzer als 20 ms (0,02 s) ist.
Cellulignin-Brennstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Verdampfungstemperatur von ungefähr 350°C besitzt.
Cellulignin-Brennstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der durch einen Na + K-Gehalt von weniger als oder gleich 5 ppm gekennzeichnet ist.
Cellulignin-Brennstoff nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er Verbrennungsgase mit weniger als 200 ppm Gesamtfeststoffteilchen bildet, wobei die Teilchen einen Durchmesser von mehr als 5 μm bei Konzentrationen von unter 8 ppm aufweisen.
Verwendung von Cellulignin zusammengesetzt aus Cellulose und globulisiertem Lignin mit einer spezifischen Oberfläche von 1,5–2,5 m²/g, das wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 definiert ist, als ein Brennstoff
Verwendung von Cellulignin zusammengesetzt aus Cellulose und globulisiertem Lignin mit einer spezifischen Oberfläche von 1,5–2,5 m²/g, das wie in einem der Ansprüche 1 bis 8 definiert ist, als Brennstoff für Gasturbinen.